CN112099027A - 一种适用于卫星激光雷达的大量程绝对距离测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于卫星激光雷达的大量程绝对距离测量装置，包括三个部分，分别是入射光路、衍射光路和共路光路。其中，入射光路包括超辐射发光二极管、法布里‑珀罗标准具、光学放大器和循环器；衍射光路包括第二准直仪、固定衍射光栅、直流电机带动的旋转衍射光栅和点探测仪；共路光路包括第一准直仪、半透半反反射镜和反射镜。相比于现有方法，本发明的测量精度更高，受干扰的影响很小，提高了分辨率，扩大了可测量范围，且有效节约了成本。

Description

一种适用于卫星激光雷达的大量程绝对距离测量装置

技术领域

本发明涉及激光测距领域，具体涉及一种适用于卫星激光雷达的大量程绝对距离测量装置。

背景技术

卫星激光测距技术在监测大陆板块运动、地壳形变、地球自转，改进重力场和地心引力常数，确定地球和海洋潮汐变化规律，监测空间碎片等方面具有广阔的应用前景，因此研究卫星激光测距技术越来越重要。

目前，在激光测距研究领域，最具代表性的检测方法是脉冲法、相位法和干涉法。

脉冲法基于脉冲飞行时间，由于激光脉冲的能量相对比较集中，能够传输较远距离，适用于较远距离测距，但是受限于快速点探测仪只能分辨皮秒电子时间能力，其测量精度仅为毫米级。为提高系统测量精度，开展了激光回波信号放大技术、恒比定时鉴别技术和自动增益控制技术研究，但是其价格昂贵，数据处理非常复杂，使其检测精度受到一定的限制。

相位法是采用激光调制的方法，通过测量载波调制频率的相位，达到测量距离的目的，避免了测量非常短的时间间隔，可以达到较高的测距精度。但是它对目标激光回光波形质量要求很高，测量过程中一旦有噪声出现，会引入测距误差，很大程度上影响探测准确度。

传统干涉法测距基于光的波长良好复现性和稳定性，利用零差和外差理论的干涉测量可实现纳米位移测量，但是测量非模糊量程仅为半个激光波长，无法满足大距离测量要求，其次传统激光干涉基于目标的相对距离测量，要求测量过程中光路不能间断，测量目标需沿着良好的光学路径连续移动，使其检测范围受到一定的限制。随着激光光源技术的不断发展，频率扫描干涉法和合成波长法扩大了量程，但是合成波长和频率扫描带宽对应的等效合成波长一般只能做到毫米级，且存在相位误差放大问题，很大程度上影响检测精度。白光光谱法和多波长干涉法可实现纳米精度绝对距离测量，但是稳定的高频多波长光源不易制备，也难以实现大尺寸和快速测量的需求。

在带有衍射光栅的通用干涉仪中，光通过准直仪对准衍射光栅，然后将衍射光束通过透镜聚焦到线阵CCD上进行光谱成分检测，然而线阵CCD的长度取决于分光干涉的范围，而分光干涉的范围越大，线阵CCD越长，所需要的成本就越高。干涉仪的参数，例如波长校准和分辨率，会影响设备的运行，进而造成测量绝对距离时精度降低。色散干涉仪会因像差，标尺误差等而导致波长色散误差。因此，波长校准通常用于光谱学，例如对来自校准灯，可调激光器等的光进行波长校准，传统的波长校准方法非常困难且昂贵。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于卫星激光雷达的大量程绝对距离测量装置，用以克服现有测量装置存在的分辨率低、测量范围窄、成本高的问题。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种适用于卫星激光雷达的大量程绝对距离测量装置，包括入射光路、衍射光路以及共路光路，其中：

入射光路包括依次布设的超辐射发光二极管(superluminescent diode，SLD)、法布里-珀罗标准具、光学放大器和循环器，其中，超辐射发光二极管SLD被用作低相干光源；光源通过法布里-珀罗标准具产生多个相干光波；光学放大器将通过法布里-珀罗标准具的相干光波进行放大，放大后输出的光束进入循环器中；循环器是一种具有三个端口的非互逆装置，从光学放大器输出的光束通过第一端口进入到循环器，通过第二端口出来到达共路光路进行干涉后，通过第三端口返回到衍射光路；

所述衍射光路包括第二准直仪、固定衍射光栅、旋转衍射光栅以及点探测仪，其中，固定衍射光栅、旋转衍射光栅相对布设，旋转衍射光栅由电机驱动旋转；来自共路光路进行干涉后的光束通过循环器的第三端口出来，进入第二准直仪进行准直后，到达固定衍射光栅，固定衍射光栅将光束朝向旋转衍射光栅，衍射光栅通过单缝衍射和多缝干涉将光束分出来零级、一级、二级、三级…，即按照不同的波长分出不同颜色的光，旋转衍射光栅再将分出来的光束向点探测仪偏转，以测量光谱分量；

所述共路光路包括第一准直仪、半透半反反射镜和反射镜，其中，第一准直仪将循环器的第二端口出来的光束对准半透半反反射镜，其中一半光束被半透半反反射镜反射以形成参考臂，另一半被反射镜反射并传播以形成测量臂，参考臂与测量臂之间的距离为绝对距离。

进一步地，所述法布里-珀罗标准具通过改变它的厚度来改变测量的范围，当标准具厚度大于FSR的一半时，可以在任意范围内测量绝对距离；当标准具厚度小于FSR的一半时，只能在限定的范围内测量绝对距离。

进一步地，所述法布里-珀罗标准具的相邻频率线的间隔称为自由频谱范围(FreeSpectrum Ranges,FSR)。

进一步地，所述法布里-珀罗标准具在所需距离FSR上生成绝对条纹位置，用来测量FSR的整数倍，可以测量正负两个方向。

进一步地，所述点探测仪只测一个点的光谱分量，具有准确的独立探测空间。

进一步地，当电机转速发生变化时，由角度峰值频率f_a和时间峰值频率f_t及转速v的关系，采用角度峰值频率f_a来补偿电机的变化。

进一步地，所述绝对距离的测量方法为：

对反射镜进行定位，以使参考臂和测量臂之间的原始路径长度差x₀相对较小；

通过将反射镜以设定的步长a一步步远离半透半反反射镜移动，使用傅里叶变换计算出从x₀到x₀+A的干涉光谱的幅值，沿正负方向的相交点用于确定校准距离x_offset；

记法布里-珀罗标准具的FSR为x_r，则绝对距离x₀＝x_r-x_offset。

进一步地，所述固定衍射光栅、旋转衍射光栅用于提高装置的分辨率，扩大最大可测量距离；其中最大可测量距离x_d表示为：

两束波长为λ₁和λ₂的相干光发生干涉，λ₁和λ₂可表示为：

其中x为半透半反反射镜和反射镜之间的距离，k为整数，k＝1,2,3…；

可分辨的波长差Δλ_w的计算公式为：

与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：

本发明装置采用两个衍射光栅，可以解决脉冲法、频率扫描干涉法和合成波长法的测量精度低的缺点；该装置采用共路光路，受干扰的影响很小，可以解决相位法易受噪声影响的缺点；该装置采用法布里-珀罗标准具和两个衍射光栅，可以有效地扩展有效测量范围，解决了传统干涉法测量范围小的不足；该装置采用旋转衍射光栅和点探测仪来替代传统的固定衍射光栅和线阵CCD，而且使用法布里-珀罗标准具来校准系统，而非校准波长，大大节约了成本。

附图说明

图1为绝对距离测量装置的结构示意图；

图2为分光后的频率和距离的关系示意图；

图3为由点探测仪探测到的光谱图；

图4为对图3进行傅里叶变换得到的频谱图；

图5为在2.0mm的测量范围上以0.05mm的步长位移对应的角度峰值频率；

图6为最大可测量距离的示意图；

图中标号说明：1入射光路，11超辐射发光二极管，12法布里-珀罗标准具，13光学放大器，14循环器，2衍射光路，21第二准直仪，22固定衍射光栅，23旋转衍射光栅，24点探测仪，3共路光路，31第一准直仪，32半透半反反射镜，33反射镜，34位移传感器。

具体实施方式

参见图1，本发明公开了一种适用于卫星激光雷达的大量程绝对距离测量装置的光学布局，它包括三个部分，分别是入射光路、衍射光路和共路光路。其中，入射光路包括超辐射发光二极管、法布里-珀罗标准具、光学放大器和循环器；衍射光路包括第二准直仪、固定衍射光栅、直流电机带动的旋转衍射光栅和点探测仪；共路光路包括第一准直仪、半透半反反射镜和反射镜。

1.入射光路部分

本方案中，入射光路包括超辐射发光二极管SLD、法布里-珀罗标准具、光学放大器和循环器。

其中，SLD是绝佳的高功率宽带光源，被用作低相干光源；法布里-珀罗标准具由两个带有平坦平面的石英板组成，内表面部分涂有高反射率R的透明薄膜，并且两个平板平行，这样它们就包围了一个平行的空气板。石英板制成略呈棱柱形，以避免由于未镀膜的外表面上的反射而产生干扰效应；法布里-珀罗标准具在所需距离FSR上生成绝对条纹位置，用来测量FSR的整数倍，可以测量正负两个方向；光学放大器将通过法布里-珀罗标准具产生的相干光波进行放大；循环器是一种具有三个端口的非互逆装置，从光学放大器输出的光束通过第一端口进入到循环器，通过第二端口出来到达共路光路进行干涉后，通过第三端口返回到衍射光路。

入射光路部分的工作过程为，首先将SLD用作低相干光源，光源通过法布里-珀罗标准具产生多个相干光波，光学放大器将相干光波进行放大，从光学放大器输出的光束通过第一端口进入到循环器，通过第二端口出来到达共路光路进行干涉后，通过第三端口返回到衍射光路。

参见图2，在该图中，给出了频率和距离的关系，法布里-珀罗标准具在所需距离FSR上生成绝对条纹位置，用来测量FSR的整数倍，可以测量正负两个方向，法布里-珀罗标准具还可以通过改变它的厚度来改变测量的范围。此外，可以利用法布里-珀罗标准具得到参考傅里叶变换幅值，即峰值频率f_r，进而对系统进行校准，而非校准波长。

2.衍射光路部分

本方案中，衍射光路包括第二准直仪、固定衍射光栅、由直流电机带动的旋转衍射光栅和点探测仪。

其中，来自共路光路进行干涉后的光束通过循环器的第三端口出来，第二准直仪将其进行准直，准直之后将光束对准衍射光栅。衍射光栅是由一组等间距的无限长无限窄狭缝组成，在光学上的最重要应用是作为分光器件，当复色光通过衍射光栅后，不同波长的谱线在不同的位置出现而形成光谱，这就是衍射光栅的分光作用，光通过衍射光栅形成光谱是单缝衍射和多缝干涉的共同结果。本方案采用固定衍射光栅和由直流电机带动的旋转衍射光栅这两个衍射光栅可以提高装置的分辨率，扩大最大可测量距离。

点探测仪只测一个点的光谱分量，具有准确的独立探测空间，它的作用是用来测量光谱分量。采用点探测仪来测量光谱分量，替代传统的线阵CCD，线阵CCD的长度取决于分光干涉的范围，而分光干涉的范围越大，线阵CCD越长，所需要的成本就越高。该装置通过直流电机带动衍射光栅，将分散的光束向点探测仪偏转，不需要增大线阵CCD的长度，大大节约了成本。

衍射光路部分的工作过程为，首先来自共路光路进行干涉后的光束通过循环器的第三端口出来，第二准直仪将其进行准直，然后到达固定衍射光栅，固定衍射光栅将来自第二准直仪的光束朝向由直流电机带动的旋转衍射光栅，衍射光栅通过单缝衍射和多缝干涉将光束分出来零级、一级、二级、三级…，即按照不同的波长分出不同颜色的光，旋转衍射光栅再将分出来的光束向点探测仪偏转，以测量光谱分量，参见图3的光谱图。

采用固定衍射光栅、旋转衍射光栅提高了装置的分辨率，扩大了最大可测量距离，具体说明如下：

分辨率R定义为：

其中λ为光束的波长，Δλ是最小可分辨波长差，Δλ可通过式2求得：

其中m为衍射级数，N是超过1mm的衍射光栅的照明槽的数量。

分辨率R又可表示为：

其中W是光束的直径(mm)，NW是照明槽的总数。

两束波长为λ₁和λ₂的相干光发生干涉，λ₁和λ₂可表示为：

其中x为半透半反反射镜和反射镜之间的距离，k为整数，k＝1,2,3…。由式4，可分辨的波长差Δλ_w通过简单的算法计算：

其中x远远大于λ；从等式5可知分光干涉的可分辨的波长差Δλ_w与厚度x成反比，最大可测量距离x_d是指半透半反反射镜和反射镜之间的可测量的距离的最大值，x_d可表示为：

具体地，照明槽即衍射光栅凹槽(超过1mm)的数量N为600，衍射级数m为1，光束直径W为5mm，并且波长λ为1550nm。由式3可知，最小可分辨波长差Δλ的理论值为0.52nm。根据式6，最大可测量距离x_d，x_d<2.31mm。由式2和式6，两个衍射光栅的最大可测量距离为4.62mm，而且测量分辨率也提高了。由此可知，采用两个衍射光栅可以提高测量精度和测量分辨率，扩大最大可测量距离。

直流电机的转速变化的补偿如下：

式7是角度峰值频率f_a和时间峰值频率f_t及直流电机转速的关系，其中t为两个零级辐射之间的参考周期时间。直流电机的转速为360转/分，当转速发生变化时，可以采用角度峰值频率f_a来补偿直流电机的变化。

本方案中之所以采用由直流电机带动的旋转衍射光栅，是考虑到探测仪的成本问题，采用旋转衍射光栅，可以使用点探测仪来测量光谱分量，相较于线阵CCD，可以大大降低了成本。

3.共路光路部分

本方案中，共路光路部分包括第一准直仪、半透半反反射镜和反射镜。

其中，第一准直仪将循环器的第二端口出来的光束对准半透半反反射镜，半透半反反射镜能让一半光束通过，到达反射镜，另外一半光束则被反射回来，反射镜是一种利用反射定律工作的光学元件。

如果采用分光路，在两束光经过的光程较长时或者进行大口径元件的检测时，两支光路上往往会受到不同的外界干扰(如机械振动、温度起伏等)，致使干涉条纹不稳定，甚至严重影响测量。而本装置采用所述共路光路，参考光束和测量光束通过的是同一条光路，受到的干扰也一样，故可以较好地克服此干扰问题。

共路光路部分的工作过程为，第一准直仪将循环器的第二端口出来的光束对准半透半反反射镜，有一半光束被半透半反反射镜反射以形成参考臂，另一半被反射镜反射并传播以形成测量臂，参考臂与测量臂之间的距离为绝对距离。

原始路径长度差x₀是指参考臂与测量臂之间的初始绝对距离，它的测量思路是先大致测得x₀，然后通过一系列的计算得到精确的原始路径长度差x₀，这就是绝对距离的测量，具体地，原始路径长度差x₀的测量包括三个步骤：

首先，将反射镜安装在小型平移台上，并进行定位，用游标卡尺测量到离半透半反反射镜大约4mm处的地方为反射镜的初始位置，此时半透半反反射镜与反射镜的距离为原始路径长度差x₀。图3是由点探测仪得到的光谱图，图4是通过对图3进行傅里叶变换得到的频谱图。使用法布里-珀罗标准具来获得原始路径上的参考傅里叶变换幅值，即峰值频率f_r，由图4可知，f_r为379.2390Hz。

其次，通过将反射镜以a＝0.05mm的增量进一步远离半透半反反射镜移动，位移传感器用来测量反射镜移动的距离，使用傅里叶变换计算出从x₀到x₀+A的干涉光谱的幅值，沿正负方向的相交点用于确定校准距离x_offset；其中A的取值例如为2.0mm。图5表示对于在2.0mm的测量范围上以0.05mm的步长位移对应的角度峰值频率f_a，由图5可知，沿正负方向的相交点即校准距离x_offset为0.9948mm。

最后，法布里-珀罗标准具的FSR为x_r，本方案采用频率为30GHz的法布里-珀罗标准具，对应的FSR为4.9967mm，则原始路径长度差x₀＝x_r-x_offset＝0.9948mm。

上述是绝对距离的测量步骤，从绝对测距过程可知，本方案可以使用法布里-珀罗标准具来校准系统，而非校准波长，大大降低了成本。

最大可测量距离的测量：

通过多次实验可以知道，当标准具厚度大于FSR的一半时，可以在任意范围内测量绝对距离；当标准具厚度小于FSR的一半时，只能在限定的范围内测量绝对距离。随着参考臂与测量臂的距离越来越大时，在测量的光谱中出现越来越多的条纹，峰值频率f_a随距离的增加而减小，大量的条纹导致调制深度减小，信噪比减小，从而只能在限定的范围内测量。

图6表示的是最大可测量距离，当标准具厚度小于FSR的一半时，不能在任意范围内测量绝对距离，在任意范围内的可测量距离被限制为120mm。此外，在限定位置下的最大测量距离延长到1200mm。

以上仅对本发明的部分实施例进行了说明，凡在本发明技术方案基础上作出的同等变换，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种适用于卫星激光雷达的大量程绝对距离测量装置，其特征在于，包括入射光路、衍射光路以及共路光路，其中：

入射光路包括依次布设的超辐射发光二极管SLD、法布里-珀罗标准具、光学放大器和循环器，其中，超辐射发光二极管SLD被用作低相干光源；光源通过法布里-珀罗标准具产生多个相干光波；光学放大器将通过法布里-珀罗标准具的相干光波进行放大，放大后输出的光束进入循环器中；循环器是一种具有三个端口的非互逆装置，从光学放大器输出的光束通过第一端口进入到循环器，通过第二端口出来到达共路光路进行干涉后，通过第三端口返回到衍射光路；

所述衍射光路包括第二准直仪、固定衍射光栅、旋转衍射光栅以及点探测仪，其中，固定衍射光栅、旋转衍射光栅相对布设，旋转衍射光栅由电机驱动旋转；来自共路光路进行干涉后的光束通过循环器的第三端口出来，进入第二准直仪进行准直后，到达固定衍射光栅，固定衍射光栅将光束朝向旋转衍射光栅，衍射光栅通过单缝衍射和多缝干涉将光束分出来零级、一级、二级、三级…，即按照不同的波长分出不同颜色的光，旋转衍射光栅再将分出来的光束向点探测仪偏转，以测量光谱分量；

所述共路光路包括第一准直仪、半透半反反射镜和反射镜，其中，第一准直仪将循环器的第二端口出来的光束对准半透半反反射镜，其中一半光束被半透半反反射镜反射以形成参考臂，另一半被反射镜反射并传播以形成测量臂，参考臂与测量臂之间的距离为绝对距离。

2.根据权利要求1所述的适用于卫星激光雷达的大量程绝对距离测量装置，其特征在于，所述法布里-珀罗标准具通过改变它的厚度来改变测量的范围，当标准具厚度大于FSR的一半时，可以在任意范围内测量绝对距离；当标准具厚度小于FSR的一半时，只能在限定的范围内测量绝对距离。

3.根据权利要求1所述的适用于卫星激光雷达的大量程绝对距离测量装置，其特征在于，所述法布里-珀罗标准具在所需距离FSR上生成绝对条纹位置，用来测量FSR的整数倍，可以测量正负两个方向。

4.根据权利要求1所述的适用于卫星激光雷达的大量程绝对距离测量装置，其特征在于，所述点探测仪只测一个点的光谱分量，具有准确的独立探测空间。

5.根据权利要求1所述的适用于卫星激光雷达的大量程绝对距离测量装置，其特征在于，当电机转速发生变化时，由角度峰值频率f_a和时间峰值频率f_t及转速v的关系，采用角度峰值频率f_a来补偿电机的变化。

6.根据权利要求1所述的适用于卫星激光雷达的大量程绝对距离测量装置，其特征在于，所述绝对距离的测量方法为：

对反射镜进行定位，以使参考臂和测量臂之间的原始路径长度差x₀相对较小；

通过将反射镜以设定的步长a一步步远离半透半反反射镜移动，使用傅里叶变换计算出从x₀到x₀+A的干涉光谱的幅值，沿正负方向的相交点用于确定校准距离x_offset；

记法布里-珀罗标准具的FSR为x_r，则绝对距离x₀＝x_r-x_offset。

7.根据权利要求1所述的适用于卫星激光雷达的大量程绝对距离测量装置，其特征在于，所述固定衍射光栅、旋转衍射光栅用于提高装置的分辨率，扩大最大可测量距离；其中最大可测量距离x_d表示为：

两束波长为λ₁和λ₂的相干光发生干涉，λ₁和λ₂可表示为：

其中x为半透半反反射镜和反射镜之间的距离，k为整数，k＝1,2,3…；

可分辨的波长差Δλ_w的计算公式为：

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