CN111707447A - 基于双环路探测的多通道光程差检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于双环路探测的多通道光程差检测装置及检测方法，所述装置包括连接合成分路器的脉冲激光器和连续激光器，合成分路器依次连接多通道光程调节器、多通道选通器、待测设备、准直发射器、聚焦镜和激光分路器，激光分路器一方面连接激光成像器和图像处理器以进行基于连续干涉图像的连续环路光程差检测，一方面连接激光探测器和脉冲信号处理器以进行基于皮秒脉冲的脉冲环路光程差检测；控制器控制所述装置并基于连续环路光程数据和脉冲环路光程差解算待测设备中两个待测通道之间光程差的检测值。本发明构成的双环路相互参照和优化测量结果，实现多通道激光设备中各单元激光通道之间光程差的高精度数字化检测，检测精度可达亚毫米量级。

Description

基于双环路探测的多通道光程差检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及多通道激光应用于检测领域，尤其涉及一种基于双环路探测的多通道光程差检测装置及检测方法。

背景技术

多通道激光设备一般包含了多个组成结构相同的单元激光通道，在激光探测、激光通信、激光合成等领域有着重要的应用。通常各个单元激光通道需要在相关控制模式下协同工作，从而实现高精度探测、精准通信以及高效合成等效果。

但是，多通道激光设备的各单元激光通道虽然组成结构相同，但由于器件个体差异、装配误差、机械振动、温度变化等多种因素的影响，导致各通道的激光传输光程不可避免的存在差异。在多路激光协同工作的情况下，过大的光程差会导致协同效果变差甚至失效。例如，在多通道激光相干合成系统中，如果通道间的光程差大于激光源的相干长度，将导致合成效率急剧降低。

因此，需要一种简单有效且精度高的装置，实现激光应用中多通道激光设备各单元激光通道之间光程差的检测。

发明内容

鉴于此，本发明实施例提供了一种基于双环路探测的多通道光程差检测装置及检测方法，以检测多通道激光设备中各单元激光通道之间的光程差。

本发明的技术方案如下：

一方面，本发明提供一种基于双环路探测的多通道光程差检测装置，包括：

脉冲激光器和连续激光器，用于根据分时控制信号分时地分别产生脉冲激光束和连续激光束；

合成分路器，用于分时接收所述脉冲激光束和所述连续激光束，并将所述脉冲激光束或所述连续激光束分为设定数量的子光束；

多通道光程调节器，包括多个光程调节通道，每个所述光程调节通道用于根据光程调控信号对一路所述连续激光束的子光束进行光程调节，以及允许所述脉冲激光束的子光束通过；

多通道选通器，包括多个光通道以及对应的光开关，每个所述光通道用于接收一路子光束，并通过相应的光开关根据选通控制信号控制其开关，以使待测设备的待测通道接收到相应的脉冲激光束的子光束或光程调节后的连续激光束的子光束；

准直发射器，包括多个准直通道，每个所述准直通道用于准直发射一个所述待测通道出射的子光束，以使各所述待测通道出射的子光束平行发射；

聚焦镜，用于将平行发射的所有子光束进行聚焦；

激光分路器，用于将聚焦得到的光束分为连续光源检测支路光束和脉冲光源检测支路光束；

激光成像器，用于感测源自所述连续激光束的连续光源检测支路光束的干涉光斑的图像信号；

图像处理器，用于根据感测得到的图像信号的功率分布得到干涉光斑的条纹对比度；

激光探测器，用于将源自所述脉冲激光束的脉冲光源检测支路光束的光信号转换为电信号；

脉冲信号处理器，用于根据所述电信号计算得到两个不同所述待测通道出射的子光束之间的到达时间差，并根据所述到达时间差计算得到相应的脉冲环路光程差；

控制器，用于输出所述分时控制信号、所述光程调控信号、所述选通控制信号；并用于调整所述光程调控信号，将所述光程调控信号对应的光程差以及条纹对比度作为相应两个待测通道的连续环路光程数据；根据两个所述待测通道之间的所述连续环路光程数据和多个离散的所述脉冲环路光程差确定相应两个待测通道之间的光程差。

在一些实施例中，所述脉冲激光器为锁模激光器，脉冲宽度小于10ps，重复频率为15MHz量级；所述连续激光器为窄线宽光纤激光器或固体激光器。

在一些实施例中，所述合成分路器包括双路合成单元以及激光分路单元，所述双路合成单元用于将所述脉冲激光器的光路和所述连续激光器的光路合并，所述激光分路单元用于将所述脉冲激光束或所述连续激光束分为设定数量的子光束。

在一些实施例中，所述激光分路器为偏振不相关的立方体分光棱镜，分光比为50:50。

在一些实施例中，所述激光成像器为CCD或COMS成像器件，其感光面位于所述聚焦镜的聚焦平面上。

在一些实施例中，所述激光探测器为皮秒级高速光电二极管。

在一些实施例中，所述脉冲信号处理器还用于根据所述脉冲激光器发送的触发信号，标记所述脉冲激光束的脉冲次序，以检测相应次序脉冲激光束的子光束经过两个不同待测通道后触发所述激光探测器产生的所述电信号，根据所述电信号计算两个不同待测通道出射的子光束之间的所述到达时间差。

在一些实施例中，所述脉冲信号处理器以及所述控制器为FPGA或DSP数字处理电路。

另一方面，本发明还提供一种基于双环路探测的多通道光程差检测方法，基于上述多通道光程差检测装置，包括：

通过分时控制信号控制连续激光器产生连续激光束，将所述连续激光束分路为设定数量的子光束；

基于光程调控信号控制多通道光程调节器，调节所述连续激光束的两束子光束的光程差，并导入待测设备的两个待测通道；

基于激光成像器以及图像处理器获取所述连续激光束的两束子光束经过所述待测通道后干涉光斑的条纹对比度；

将所述光程调控信号对应的光程差以及条纹对比度作为相应两个待测通道的连续环路光程数据；

通过分时控制信号控制脉冲激光器产生脉冲激光束，将所述脉冲激光束分路为设定数量的子光束；

将所述脉冲激光束的两束子光束导入所述待测设备的两个所述待测通道；

基于激光探测器分别接收所述脉冲激光束的两束子光束并产生两个电信号，脉冲信号处理器根据所述电信号获取到达时间差，并换算相应的脉冲环路光程差；

根据两个待测通道之间的所述连续环路光程数据以及多个离散的所述脉冲环路光程差确定相应两个待测通道之间的光程差的检测值。

在一些实施例中，根据两个待测通道之间的所述连续环路光程数据以及多个离散的所述脉冲环路光程差确定相应两个待测通道之间的光程差的检测值，包括：

根据所述连续环路光程数据，将使所述条纹对比度最大的光程调控信号对应的光程差作为相应两个待测通道的连续环路光程差；

扫描检测获得多个所述连续环路光程差以及多个所述脉冲环路光程差；

对多个所述连续环路光程差拟合曲线得到连续环路曲线；对多个所述脉冲环路光程差拟合曲线得到脉冲环路曲线；

将所述连续环路曲线与所述脉冲环路曲线的交点值作为相应待测通道的光程差的检测值；或

对所述连续环路曲线最大值点与所述脉冲环路曲线最大值点求均值作为相应待测通道的光程差的检测值。

本发明的有益效果是，所述基于双环路探测的多通道光程差检测装置及检测方法，通过将连续干涉图像检测和皮秒脉冲检测相结合，构成的双环路结构简单，通过相互参照和优化测量结果，实现了多通道激光设备中各单元激光通道之间光程差的高精度数字化检测，检测精度可达亚毫米量级；实现多通道结构光程差的快速检测，应用范围广泛。

本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在书面说明及其权利要求书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。

本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。附图中的部件不是成比例绘制的，而只是为了示出本发明的原理。为了便于示出和描述本发明的一些部分，附图中对应部分可能被放大，即，相对于依据本发明实际制造的示例性装置中的其它部件可能变得更大。在附图中：

图1为本发明一实施例中所述基于双环路探测的多通道光程差检测装置的结构示意图；

图2为本发明一实施例中所述基于双环路探测的多通道光程差检测方法的逻辑示意图；

图3为本发明一实施例中所述基于双环路探测的多通道光程差检测方法的流程示意图；

图4为本发明一实施例中基于连续环路光程差以及脉冲环路光程差确定相应两个待测通道之间的光程差检测值的流程示意图。

符号说明：

1：脉冲激光器； 2：合成分路器； 3：连续激光器；

4：多通道光程调节器； 5：多通道选通器； 6：待测设备；

7：准直发射器； 8：聚焦镜； 9：激光分路器；

10：激光成像器； 11：图像处理器； 12：激光探测器；

13：脉冲信号处理器； 14：控制器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

在此，还需要说明的是，如果没有特殊说明，术语“连接”在本文不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。

现有技术中，激光领域通常都需要对激光束进行分路或合成，因此，激光的应用通常会涉及多通道激光设备。多数情况下，为了使各通道中的激光应用过程中能够有效控制，以便调节进行干涉增强或减弱，理想条件下通常需要保持多通道激光设备的各路通道光程一致。但是，多通道激光设备的各单元激光通道虽然组成结构相同，但由于器件个体差异、装配误差、机械振动、温度变化等多种因素的影响，导致各通道的激光传输光程不可避免的存在差异。为了精确指导应用过程，需要检测多通道激光设备各路通道之间的光程差。

需要预先说明的是，本发明中“待测设备”即包含多个光通道的激光设备，“待测通道”即“待测设备”的光通道。

本发明提供一种基于双环路探测的多通道光程差检测装置，结合连续干涉图像检测和皮秒脉冲检测的方式对待测设备的多个待测通道两两之间的光程差进行检测。如图1所示，所述基于双环路探测的多通道光程差检测装置，包括：脉冲激光器1、连续激光器3、合成分路器2、多通道光程调节器4、多通道选通器5、准直发射器7、聚焦镜8、激光分路器9、激光成像器10、图像处理器11、激光探测器12、脉冲信号处理器13及控制器14。

脉冲激光器1和连续激光器3，用于根据分时控制信号分时地分别产生脉冲激光束和连续激光束。

合成分路器2，用于分时接收脉冲激光束和连续激光束，并将脉冲激光束或连续激光束分为设定数量的子光束。

多通道光程调节器4，包括多个光程调节通道(图中未示出)，每个光程调节通道用于根据光程调控信号对一路连续激光束的子光束进行光程调节，以及允许脉冲激光束的子光束通过。

多通道选通器5，包括多个光通道(图中未示出)以及对应的光开关(图中未示出)，每个光通道用于接收一路子光束，并通过相应的光开关根据选通控制信号控制其开关，以使待测设备6的待测通道(图中未示出)接收到相应的脉冲激光束的子光束或光程调节后的连续激光束的子光束。

准直发射器7，包括多个准直通道(图中未示出)，每个准直通道用于准直发射一个待测通道出射的子光束，以使各待测通道出射的子光束平行发射。

聚焦镜8，用于将平行发射的所有子光束进行聚焦。

激光分路器9，用于将聚焦得到的光束分为连续光源检测支路光束和脉冲光源检测支路光束。

激光成像器10，用于感测源自连续激光束的连续光源检测支路光束的干涉光斑的图像信号。

图像处理器11，用于根据感测得到的图像信号的功率分布得到干涉光斑的条纹对比度。

激光探测器12，用于将源自脉冲激光束的脉冲光源检测支路光束的光信号转换为电信号。

脉冲信号处理器13，用于根据电信号计算得到两个不同待测通道出射的子光束之间的到达时间差，并根据到达时间差计算得到相应的脉冲环路光程差。

控制器14，用于输出分时控制信号、光程调控信号、选通控制信号；并用于调整光程调控信号，使光程调控信号对应的光程差以及条纹对比度作为相应两个待测通道的连续环路光程数据；根据两个待测通道之间的连续环路光程数据和多个离散的脉冲环路光程差确定相应两个待测通道之间的光程差。

在本实施例中，配置连续光源检测支路，通过连续干涉图像检测的方式对待测通道之间的光程差进行检测；配置脉冲光源检测支路，通过皮秒脉冲检测的方式对待测通道之间的光程差进行检测。单独使用连续光源检测支路进行检测时，由于多通道光程调节器4的调节范围有限，无法确保一次就能检测出最优结果；单独使用脉冲光源检测支路时，会在一次操作中产生一组数值，由于存在模糊距离，也不能从一次结果中得出精确结果，需要多次测试。因此，本发明通过结合连续光源检测支路和脉冲光源检测支路的检测结果，提高检测效率和精度。

具体的，连续光源检测支路由连续激光器3、合成分路器2、多通道光程调节器4、多通道选通器5、准直发射器7、聚焦镜8、激光分路器9、激光成像器10、图像处理器11以及控制器14构成；连续激光器3产生的连续激光束，由合成分路器2分路后得到多个连续激光束的子光束；由光程控制信号控制多通道光程调节器4调节连续激光束的子光束之间的光程差，将经过光程差调节后的连续激光束的子光束导入待测设备6的两个待测通道，从而弥补两个待测通道之间的光程差；在本实施例中，将所述光程调控信号对应的光程差以及条纹对比度作为相应两个待测通道的连续环路光程数据；连续激光束的子光束在激光成像器10上干涉成像形成干涉条纹，当干涉条纹的条纹对比度越高时，干涉越强，基于激光干涉的条件，可以将使干涉条纹对比度最大的光程调控信号对应的光程差作为相应两个待测通道的连续环路光程差。

脉冲光源检测支路由脉冲激光器1、合成分路器2、多通道光程调节器4、多通道选通器5、准直发射器7、聚焦镜8、激光分路器9、激光探测器12、脉冲信号处理器13以及控制器14构成。由于多通道光程调节器4在脉冲光源检测支路中只起到导通作用，并不调节光程，在另一些实施例中，也可以直接将合成分路器2导通至多通道选通器5。脉冲激光器1产生的脉冲激光束，经合成分路器2分成多个脉冲激光束的子光束，当脉冲激光束的两个子光束经过两个待测通道时，由于两个待测通道之间存在光程差导致光的通过时间不同，通过激光探测器12和脉冲信号处理器13检测脉冲激光束的子光束经过两个待测通道时的到达时间差，并换算得到脉冲环路光程差。

由控制器14根据两个待测通道之间的多个连续环路光程差和多个脉冲环路光程差确定该两个待测通道之间的光程差。

在一些实施例中，脉冲激光器1为1.06微米波长的锁模激光器，脉冲宽度小于10ps，重复频率为15MHz量级。脉冲激光器1可以采用光纤耦合输出结构或空间输出结构，光纤耦合输出结构是通过光纤导出激光束，空间输出结构是从激光器直接输出激光到自由空间。连续激光器3为窄线宽光纤激光器或固体激光器，激光谱线宽度为40GHz。

在一些实施例中，合成分路器2包括双路合成单元以及激光分路单元，其中双路合成单元采用二合一的光纤合束器，激光分路单元采用一分多的光纤分路器，光纤合束器与光纤分路器通过光纤熔接匹配连接。双路合成单元用于将脉冲激光器1的光路和连续激光器3的光路合并，激光分路单元用于将脉冲激光束或连续激光束分为设定数量的子光束。

在本实施例中，为了节约设备空间结构，同时使检测过程中的误差减小，需要尽量控制连续光源检测支路和脉冲光源检测支路中光束所经的光程一致，因此，采用双路合成单元将脉冲激光器1和连续激光器3导入同一个激光分路单元进行激光束的分路。激光分路单元分路的数量应当大于等于待测设备6中待测通道的数量。以使得每一个待测通道都能有对应的子光束。

在一些实施例中，多通道光程调节器4的各光程调节通道可采用全光纤结构，根据光程调控信号对各光程调节通道的光程进行调节，以光程延时作为单位，调节精度为0.1皮秒，最大调节范围为330皮秒。

在一些实施例中，多通道选通器5可以采用光纤结构光开关或机械式结构光开关。

在一些实施例中，准直发射器7包括多个准直通道，其数量大于等于待测设备6中待测通道的数量，每个通道有一组非球面镜组成，用于将接收到的子光束进行准直发射。

在一些实施例中，激光分路器9为偏振不相关的立方体分光棱镜，分光比为50:50，用于将接收到的子光束分为连续光源检测支路光束和脉冲光源检测支路光束。

在一些实施例中，激光成像器10为CCD或COMS成像器件，其感光面位于聚焦镜8的聚焦平面上，用于接收连续激光束的子光束并进行干涉感光成像。

在一些实施例中，激光探测器12为皮秒级高速光电二极管，具体采用高速InGaAs红外探测器，具有信号放大功能，以实现脉冲激光束的子光束在通过两个待测通道时的到达时间差。

在一些实施例中，脉冲信号处理器13还用于根据脉冲激光器1发送的触发信号，标记脉冲激光束的脉冲次序，以检测相应次序脉冲激光束的子光束经过两个不同待测通道后触发激光探测器12产生的电信号，根据电信号计算两个不同待测通道出射的子光束之间的到达时间差。

在本实施例中，触发信号作为接收到的系列脉冲的基准进行标记。

在一些实施例中，脉冲信号处理器13以及控制器14为FPGA(Field ProgrammableGate Array现场可编程逻辑门阵列)或DSP(Digital Signal Process数字信号处理)数字处理电路。在另一些实施例中，也可以直接采用单片机或计算机等能够存储和运行程序的设备。

另一方面，本发明还提供一种基于双环路探测的多通道光程差检测方法，基于上述多通道光程差检测装置，参照图1中的结构，如图2和图3所示，包括步骤S101～S108：

需要强调的是，步骤S101～S108的序号并不作为对本方法操作步骤先后顺序的限定，应当理解为，部分步骤可以在特定情形下并行或调换操作顺序。

步骤S101：通过分时控制信号控制连续激光器3产生连续激光束，将连续激光束分路为设定数量的子光束。

步骤S102：基于光程调控信号控制多通道光程调节器4，调节连续激光束的两束子光束的光程差，并导入待测设备6的两个待测通道。

步骤S103：基于激光成像器10以及图像处理器11获取连续激光束的两束子光束经过待测通道后干涉光斑的条纹对比度。

步骤S104：将光程调控信号对应的光程差以及条纹对比度作为相应两个待测通道的连续环路光程数据。

步骤S105：通过分时控制信号控制脉冲激光器1产生脉冲激光束，将脉冲激光束分路为设定数量的子光束。

步骤S106：将脉冲激光束的两束子光束导入待测设备6的两个待测通道。

步骤S107：基于激光探测器12分别接收脉冲激光束的两束子光束并产生两个电信号，脉冲信号处理器13根据电信号获取到达时间差，并换算相应的脉冲环路光程差。

步骤S108：根据两个待测通道之间的连续环路光程数据以及多个离散的脉冲环路光程差确定相应两个待测通道之间的光程差的检测值。

在本实施例中，步骤S101～S104是由连续光源检测支路通过图像干涉检测待测设备6的两个待测通道之间光程差的步骤；而步骤S105～S108是由脉冲光源检测支路通过皮秒脉冲检测待测设备6的两个待测通道之间光程差的步骤。

基于前文中所述的多通道光程差检测装置，在步骤S101～S104中，通过光程调控信号通过调节多通道光程调节器4，按照设定的步长调节连续激光束的两束子光束之间的光程差，在分别导入两个待测通道后，实现对两个待测通道之间光程差的补偿，连续激光束的两束子光束通过两个待测通道后进行干涉，将所述光程调控信号对应的光程差以及条纹对比度作为相应两个待测通道的连续环路光程数据。在步骤S105～S108中，脉冲激光束的两束子光束在分别经过待测设备6的两个待测通道并射出时，由于待测通道之间存在光程差导致射出时存在时间差。脉冲激光束的两束子光束先后到达激光探测器12并先后产生电信号，脉冲信号处理器13将电信号之间的时间差作为两个不同待测通道出射的子光束之间的到达时间差，并换算得到两个待测通道之间的脉冲环路光程差。具体的，两个待测通道之间的光程差为L_P＝cΔt/n，L_p为光程差，Δt为到达时间差，c为光速，n为待测通道所用材料的折射率。

在一些实施例中，步骤S108，即根据两个待测通道之间的连续环路光程数据以及多个离散的脉冲环路光程差确定相应两个待测通道之间的光程差的检测值，如图4所示，包括步骤S201～S204：

步骤S201：根据连续环路光程数据，将使条纹对比度最大的光程调控信号对应的光程差作为相应两个待测通道的连续环路光程差。

步骤S202：扫描检测获得多个连续环路光程差以及多个脉冲环路光程差。

步骤S203：对多个连续环路光程差拟合曲线得到连续环路曲线；对多个脉冲环路光程差拟合曲线得到脉冲环路曲线。

步骤S204：将连续环路曲线与脉冲环路曲线的交点值作为相应待测通道的光程差的检测值。或

步骤S205：对连续环路曲线最大值点与脉冲环路曲线最大值点求均值作为相应待测通道的光程差的检测值。

在本实施例中，为了更精确地得到两个待测通道之间的光程差，结合多个连续环路光程差以及多个脉冲环路光程差进行解算。

具体的，在步骤S201中，基于连续环路光程数据计算连续环路光程差，连续激光束的子光束在激光成像器10上干涉成像形成干涉条纹，当干涉条纹的条纹对比度越高时，干涉越强，基于激光干涉的条件，可以将使干涉条纹对比度最大的光程调控信号对应的光程差作为相应两个待测通道的连续环路光程差。

具体的，在步骤S202中，可以通过连续光源检测支路多次检测得到两个待测通道的一组连续环路光程差。连续环路光程差的精度由多通道光程调节器4的调节精度、调节步长、激光成像器10的检测精度、图像处理器11的检测精度共同决定。脉冲光源检测支路中，一次检测过程会产生多个脉冲，能够直接获得一组脉冲环路光程差。

在步骤S203中，通过拟合曲线的方式，将平面内离散的数值点用连续光滑的曲线进行连接，可以采用解析表达式逼近离散数据的方法或最小二乘法进行拟合，可以进行一次拟合，也可以结合所拟合曲线预期值的偏差平方和、绝对偏差总和等进行二次拟合，最终得到连续环路曲线和脉冲环路曲线。

进一步地，结合连续环路曲线和脉冲环路曲线，可以获取两者的交点作为两个待测通道之间的光程差，如步骤S204；也可以通过最大值求均值的方式，获得两个待测通道之间优选的光程差，如步骤S205。

在另一些实施例中，还可以根据连续环路光程数据，将光程调控信号对应的光程差以及条纹对比度拟合曲线得到第一拟合曲线；将多个脉冲环路光程差代入连续光源检测支路中，使多通道选通器5按照各脉冲环路光程差调节，并检测得到相应的条纹对比度，将各脉冲环路光程差与其对应的条纹对比度拟合曲线得到第二拟合曲线；将第一拟合曲线和第二拟合曲线的交点对应的光程差作为相应两个待测通道之间的光程差；或者将第一拟合曲线中条纹对比度最大值对应的第一光程差和第二拟合曲线中条纹对比度最大值对应的第二光程差求均值，得到相应两个待测通道之间的光程差。

因此，根据两个待测通道之间的连续环路光程数据以及多个离散的脉冲环路光程差确定相应两个待测通道之间的光程差的检测值，可以通过多种方式获得，本发明所列举的实施例并不是对该步骤的限定，应当理解为本领域技术人员通过数据处理方式优选得到相应两个待测通道之间的光程差的方法，均在本发明所要求保护的范围之内。

在一些是实施例中，基于双环路探测的多通道光程差检测方法可以包括如下步骤：

1.控制器14控制脉冲激光器1开始工作，同时控制多通道选通器5开启相应的待测通道。

2.脉冲激光器1发射周期为T的脉冲信号，该信号经过分束后从不同的待测通道的传输，由激光探测接收并分别产生电信号。

3.脉冲信号处理器13接收脉冲激光器1的触发信号对相应次序的电信号进行同步触发，从而可计算出不同待测通道传输脉冲的时差Δt。

4.根据L_P＝cΔt/n计算相应待测通道的光程差，其中n为传输介质折射率，c为光速。

5.控制器14控制脉冲激光器1关闭，窄线宽连续激光器3工作，相应的待测通道不变。

6.控制器14控制调节多通道光程调节器4中与待测通道对应的光程调节通道的光程，相应光程调节通道之间的光程差为L_i。

7.图像信息处理器计算获得在光程差L_i状态下，激光成像器10所得干涉图像的条纹对比度值C_i。

8.控制器14控制多通道光程调节器4以特定步长值改变L_i，在其工作范围内进行扫描，获得相应待测通道之间一系列的条纹对比度值C_i。

9.控制器14解析一系列对比度值C_i中的最大值C_max，同时记录C_max对应的光程调节量L_cmax。

10.控制器14对脉冲环路多个L_P和连续环路的多个L_i及L_cmax进行综合分析，获得两个待测通道之间光程差的最终检测值；具体的，对多个L_P拟合曲线得到脉冲环路曲线，对多个L_i拟合曲线得到连续环路曲线，将脉冲环路曲线和连续环路曲线在拟合曲线后求交叉值，得到两个待测通道之间光程差的最终检测值。

在另一些实施例中，参照图1，所述多通道光程差检测装置，包括连续干涉图像检测和皮秒脉冲检测构成的双环路检测，具体包括脉冲激光器1、合成分路器2、窄线宽连续激光器3、多通道光程调节器4、多通道选通器5、多通道待测装置6、多通道准直发射器7、聚焦镜8、激光分路器9、激光成像器10、图像信息处理器11、激光探测器12、脉冲信号处理器13、控制器14；

脉冲激光器1用于产生检测光程差的脉冲激光信号；窄线宽连续激光器3用于产生窄线宽连续激光信号；合成分路器2用于将脉冲激光和窄线宽连续激光合成一路，然后再将合成信号均分为多路；多通道光程调节器4包括多个独立的光程控制单元，可对所在光通道的光程进行改变；多通道选通器5可根据选通控制信号，控制光通道的开启或关闭；多通道待测装置6包含多个结构相同、但光程不同的激光传输通道；多通道准直发射器7将多通道激光进行准直平行发射；聚焦镜8将多通道准直平行激光进行聚焦；激光分路器9将聚焦激光分为连续和脉冲两个检测支路；激光成像器10对连续支路形成的激光干涉图像进行探测；图像信息处理器11接收窄线宽连续激光器3的激光线宽信息，同时对干涉图像信息进行处理；激光探测器12将脉冲支路的脉冲激光信号转换为脉冲电信号；脉冲信号处理器13接收脉冲激光器1的触发信号和激光探测器12的脉冲电信号，进行相应的运算处理；控制器14对脉冲激光器1、窄线宽连续激光器3、多通道光程调节器4和多通道选通器5进行工作状态控制，同时接收图像信息处理器11和脉冲信号处理器13的信息，综合解算出多通道光程差。

脉冲激光器1采用锁模激光器，脉冲宽度小于10ps，重复频率为15MHz量级，可采用光纤耦合输出或空间输出，例如采用1.06微米波长的锁模激光器，脉冲宽度10ps，重复频率为15MHz，采用光纤耦合输出。

窄线宽连续激光器3可采用光纤激光器或固体激光器，激光谱线宽度为数十GHz量级，例如采用1.06微米波长光纤激光器，激光谱线宽度为40GHz。

合成分路器2包含双路合成单元和激光分路单元，其中双路合成单元根据脉冲激光器1和窄线宽连续激光器3的输出形式，可采用光纤合束器或棱镜合束器；激光分路单元可采用多通道光纤分路器或空间棱镜组分路。示例性的，双路合成单元采用2×1光纤合束器，激光分路单元采用1×3光纤分路器，合束器与分路器通过光纤熔接匹配连接。由此脉冲激光信号和连续激光信号都被均分为三路。

多通道光程调节器4包含多个独立的光程调节通道，每个通道可采用全光纤结构或空间位移结构，根据调节控制信号可对各通道的光程进行扫描式调节。示例性的，多通道光程调节器4包含三个独立的光程调节通道，每个通道可采用全光纤结构，根据调节控制信号对各通道的光程延时进行改变，调节精度0.1皮秒，最大调节范围330皮秒。

多通道选通器5可采用光纤结构光开关或机械式光开关，根据选通控制信号控制光通道的开启或关闭，示例性的，多通道选通器5采用三个光纤结构光开关，根据选通控制信号控制光通道的开启或关闭。

多通道待测装置6包含多个结构相同、但光程不同的光通道，每个光通道可为全光纤结构、全空间结构或光纤与空间组合结构，各通道之间的光程差均小于多通道光程调节器4的有效调节范围。示例性的，多通道待测装置6包含三个结构相同、但光程不同的光通道，每个光通道为全光纤结构。

多通道准直发射器7包含多个准直通道，每个通道由一组球面镜或非球面镜组成，各通道光束平行发射。示例性的，多通道准直发射器7包含三个准直通道，每个通道由一组球非球面镜组成，将三通道光束平行发射。

聚焦镜8可采用透射式或反射式，可采用球面镜或非球面镜。示例性的，聚焦镜8可采用透射式球面镜，对三路准直激光进行聚焦。

激光分路器9采用偏振不相关的立方体分光棱镜，分光比为50:50。将聚焦激光分为两路，一路为连续干涉图像检测环路，另一路为皮秒脉冲检测环路。

激光成像器10采用面阵CCD或COMS成像器件，感光面位于激光束聚焦平面上。示例性的，激光成像器10采用近红外面阵CCD，感光面位于激光束聚焦平面上，对连续激光干涉光斑进行成像。

图像信息处理器11可采用DSP处理电路或计算机，接收激光成像器10的图像信号，根据干涉图像的功率分布信息进行解算，获得连续干涉图像检测环路对比度信息。示例性的，图像信息处理器11采用DSP处理电路，接收CCD图像信号，根据干涉图像的功率分布信息进行解算，获得连续干涉图像检测环路的对比度信息。

激光探测器12采用高速光电二极管，具备信号预放大功能，可实现皮秒级脉冲激光的有效检测。示例性的，激光探测器12采用高速InGaAs红外探测器(InGaAs光电二极管)，具备信号预放大功能，实现皮秒级脉冲激光的有效检测。

脉冲信号处理器13采用FPGA或DSP数字处理电路，接收脉冲激光器1的触发信号和激光探测器12的脉冲电信号，解算相应通道的脉冲间隔，获得脉冲检测环路的光程差信息。示例性的，脉冲信号处理器13采用DSP数字处理电路，接收脉冲激光器1的触发信号和激光探测器12的脉冲电信号，触发信号可以是电信号也可以是光信号，通过计数标记脉冲的次序，也可以直接通过触发信号触发激光探测器12对接收到的脉冲激光束的子光束进行检测；接收脉冲激光器1解算相应通道的脉冲间隔，获得脉冲检测环路的光程差信息。

控制器14采用FPGA或DSP数字处理电路，输出控制信号对脉冲激光器1、窄线宽连续激光器3、多通道光程调节器4和多通道选通器5进行工作状态控制，同时接收图像信息处理器11的连续干涉环路信息和脉冲信号处理器13的脉冲间隔信息，综合解算出相应通道的光程差。示例性的，控制器14采用DSP数字处理电路，输出控制信号控制脉冲激光器1和窄线宽连续激光器3分时工作，分别完成脉冲和连续两个环路的检测；控制多通道选通器5开启相应的被测通道；控制多通道光程调节器4进行扫描式调节；接收图像信息处理器11的连续干涉环路对比度信息，结合光程调节控制量，解算连续环路延时量；接收脉冲信号处理器13的脉冲间隔信息，解算脉冲环路延时量，再将连续和脉冲双环路的延时量进行综合解算，从而获得相应通道的光程差。实现光程差检测精度可达0.1mm。

本实施例的优点在于：将连续干涉图像检测和皮秒脉冲检测相结合，构成的双环路结构简单，便于应用；实现了光程差的高精度数字化检测，检测精度可达亚毫米量级；适用于多个通道结构的快速检测，应用范围广泛。

综上所述，本发明所述基于双环路探测的多通道光程差检测装置及检测方法，通过将连续干涉图像检测和皮秒脉冲检测相结合，构成的双环路结构简单，通过相互参照和优化测量结果，实现了多通道激光设备中各单元激光通道之间光程差的高精度数字化检测，检测精度可达亚毫米量级；实现多通道结构光程差的快速检测，应用范围广泛。

本领域普通技术人员应该可以明白，结合本文中所公开的实施方式描述的各示例性的组成部分、系统和方法，能够以硬件、软件或者二者的结合来实现。具体究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、ROM、闪存、可擦除ROM(EROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(RF)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。

还需要说明的是，本发明中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本发明不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。

本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于双环路探测的多通道光程差检测装置，其特征在于，包括：

脉冲激光器和连续激光器，用于根据分时控制信号分时地分别产生脉冲激光束和连续激光束；

合成分路器，用于分时接收所述脉冲激光束和所述连续激光束，并将所述脉冲激光束或所述连续激光束分为设定数量的子光束；

多通道光程调节器，包括多个光程调节通道，每个所述光程调节通道用于根据光程调控信号对一路所述连续激光束的子光束进行光程调节，以及允许所述脉冲激光束的子光束通过；

多通道选通器，包括多个光通道以及对应的光开关，每个所述光通道用于接收一路子光束，并通过相应的光开关根据选通控制信号控制其开关，以使待测设备的待测通道接收到相应的脉冲激光束的子光束或光程调节后的连续激光束的子光束；

准直发射器，包括多个准直通道，每个所述准直通道用于准直发射一个所述待测通道出射的子光束，以使各所述待测通道出射的子光束平行发射；

聚焦镜，用于将平行发射的所有子光束进行聚焦；

激光分路器，用于将聚焦得到的光束分为连续光源检测支路光束和脉冲光源检测支路光束；

激光成像器，用于感测源自所述连续激光束的连续光源检测支路光束的干涉光斑的图像信号；

图像处理器，用于根据感测得到的图像信号的功率分布得到干涉光斑的条纹对比度；

激光探测器，用于将源自所述脉冲激光束的脉冲光源检测支路光束的光信号转换为电信号；

脉冲信号处理器，用于根据所述电信号计算得到两个不同所述待测通道出射的子光束之间的到达时间差，并根据所述到达时间差计算得到相应的脉冲环路光程差；

控制器，用于输出所述分时控制信号、所述光程调控信号、所述选通控制信号；并用于调整所述光程调控信号，将所述光程调控信号对应的光程差以及条纹对比度作为相应两个待测通道的连续环路光程数据；根据两个所述待测通道之间的所述连续环路光程数据和多个离散的所述脉冲环路光程差确定相应两个待测通道之间的光程差。

2.根据权利要求1所述的基于双环路探测的多通道光程差检测装置，其特征在于，所述脉冲激光器为锁模激光器，脉冲宽度小于10ps，重复频率为15MHz量级；所述连续激光器为窄线宽光纤激光器或固体激光器。

3.根据权利要求1所述的基于双环路探测的多通道光程差检测装置，其特征在于，所述合成分路器包括双路合成单元以及激光分路单元，所述双路合成单元用于将所述脉冲激光器的光路和所述连续激光器的光路合并，所述激光分路单元用于将所述脉冲激光束或所述连续激光束分为设定数量的子光束。

4.根据权利要求1所述的基于双环路探测的多通道光程差检测装置，其特征在于，所述激光分路器为偏振不相关的立方体分光棱镜，分光比为50:50。

5.根据权利要求1所述的基于双环路探测的多通道光程差检测装置，其特征在于，所述激光成像器为CCD或COMS成像器件，其感光面位于所述聚焦镜的聚焦平面上。

6.根据权利要求1所述的基于双环路探测的多通道光程差检测装置，其特征在于，所述激光探测器为皮秒级高速光电二极管。

7.根据权利要求1所述的基于双环路探测的多通道光程差检测装置，其特征在于，所述脉冲信号处理器还用于根据所述脉冲激光器发送的触发信号，标记所述脉冲激光束的脉冲次序，以检测相应次序脉冲激光束的子光束经过两个不同待测通道后触发所述激光探测器产生的所述电信号，根据所述电信号计算两个不同待测通道出射的子光束之间的所述到达时间差。

8.根据权利要求1所述的基于双环路探测的多通道光程差检测装置，其特征在于，所述脉冲信号处理器以及所述控制器为FPGA或DSP数字处理电路。

9.一种基于双环路探测的多通道光程差检测方法，其特征在于，基于权利要求1～8任意一项所述的基于双环路探测的多通道光程差检测装置，包括：

通过分时控制信号控制连续激光器产生连续激光束，将所述连续激光束分路为设定数量的子光束；

基于光程调控信号控制多通道光程调节器，调节所述连续激光束的两束子光束的光程差，并导入待测设备的两个待测通道；

基于激光成像器以及图像处理器获取所述连续激光束的两束子光束经过所述待测通道后干涉光斑的条纹对比度；

将所述光程调控信号对应的光程差以及条纹对比度作为相应两个待测通道的连续环路光程数据；

通过分时控制信号控制脉冲激光器产生脉冲激光束，将所述脉冲激光束分路为设定数量的子光束；

将所述脉冲激光束的两束子光束导入所述待测设备的两个所述待测通道；

基于激光探测器分别接收所述脉冲激光束的两束子光束并产生两个电信号，脉冲信号处理器根据所述电信号获取到达时间差，并换算相应的脉冲环路光程差；

根据两个待测通道之间的所述连续环路光程数据以及多个离散的所述脉冲环路光程差确定相应两个待测通道之间的光程差的检测值。

10.根据权利要求9所述的基于双环路探测的多通道光程差检测方法，其特征在于，根据两个待测通道之间的所述连续环路光程数据以及多个离散的所述脉冲环路光程差确定相应两个待测通道之间的光程差的检测值，包括：

根据所述连续环路光程数据，将使所述条纹对比度最大的光程调控信号对应的光程差作为相应两个待测通道的连续环路光程差；

扫描检测获得多个所述连续环路光程差以及多个所述脉冲环路光程差；

对多个所述连续环路光程差拟合曲线得到连续环路曲线；对多个所述脉冲环路光程差拟合曲线得到脉冲环路曲线；

将所述连续环路曲线与所述脉冲环路曲线的交点值作为相应待测通道的光程差的检测值；或

对所述连续环路曲线最大值点与所述脉冲环路曲线最大值点求均值作为相应待测通道的光程差的检测值。

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