CN112241014A - 一种消除双光梳频谱混叠的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种消除双光梳频谱混叠的激光测距方法及系统，该系统包括第一光梳，所述第一光梳发出信号光脉冲经第一分光镜后一束光入射到参考镜，另一束光入射到测量镜，参考镜和测量镜反射的光经第一分光镜出射到第二分光镜；第二光梳，所述第二光梳发出本振光脉冲入射到第二分光镜并与经第一分光镜出射的光进行干涉；第一带通滤波片，用于获取经第二分光镜出射的一部分光在某一频率范围内的频率分量；第二带通滤波片，用于获取经第二分光镜出射的另一部分光在另一频率范围内的频率分量；信号处理器，用于对获取的频率分量信号进行处理完成距离测量。

Description

一种消除双光梳频谱混叠的方法及系统

技术领域

本发明是关于一种消除双光梳频谱混叠的方法及系统，涉及光学精密计量技术领域。

背景技术

绝对距离测量在大型精密机械制造、航空航天领域中具有重要应用。传统的脉冲激光测距或干涉测距技术无法适用于大量程、高精度、高速率的绝对距离测量。本世纪诞生的新型激光光源——飞秒激光频率梳，简称光频梳或光梳，具有宽光谱、多纵模、高相干性、窄线宽等特性。光频梳的出现促进了精密计量技术的快速发展。作为时域和频域的精密光尺，光频梳在光学计量领域有着广泛的应用，其中绝对距离测量是其主要的应用方向之一。双光梳测距技术是基于光频梳的一种测距方法。该方法使用两台具有微小重复频率之差(重频差)的相干光梳作为光源，可以兼顾数米非模糊距离、亚微米的测量精度和高测距速率。

双光梳测距系统的精度与光源频率稳定性直接相关，因此通常要求测量过程中保持两台光频梳的重复频率(重频)恒定，并锁定到频率基准上。但是激光器的腔长通常受到环境温度、应力等因素的影响，这就需要不断测量光频梳重频，将其与标准频率源比较，产生的差频作为误差信号输入PID控制器产生反馈信号。反馈信号通过温控装置以及压电陶瓷(PZT)调节激光器腔长，实现重频的精密锁定，但是这种方法由于系统复杂、成本高且容易失锁，调节精度又受PID反馈带宽限制，导致其在很多应用场景不适用。

近年来也出现了无需频率锁定自由运行的双光梳系统，它采用自由运行的光频梳作为光源，无需锁定重频，只需测量重频，然后对测距结果进行修正，就能够实现与重频锁定的双光梳相类似的测量精度。与重频锁定的双光梳相比，自由运行的双光梳系统成本低，对使用环境的要求宽松，在绝对距离测量、光谱测量领域都有着广泛的应用。双光梳测距系统的两个光梳纵模频率可以分别表示为ν₁＝n₁f_r1+f_ceo1和v₂＝n₂f_r2+f_ceo2，其中，f_r和f_ceo分别为光频梳的重频和载波包络偏移频率(偏频)，两台光梳纵模之间发生多模外差干涉，产生一系列的频率范围在射频域的外差信号。多模外差信号经过低通滤波器(0～f_r2/2)之后产生频率范围在0～f_r2/2之间的子频率梳。子频率梳纵模频率可以表示为

其中，

在双光梳测距系统中，被测距离是通过计算子频率梳相位-频率的斜率(相频斜率)的方法得到的。在重频和偏频不锁定的情况下，射频信号中的n₁Δf_r和

都会随时间不断变化。当其变化使得子频率梳的频谱范围包含0或f_r2/2时，部分频率区间内会出现两组具有不同相位规律的射频谱线，这两组谱线之间会发生混叠，使得相频斜率无法被正确地计算，导致无法得到可用的测距结果。需要注意的是纵模频率中的重频项由于被系数n₁放大，其相对于偏频变化而言影响更大。容易发生频谱混叠是自由运行双光梳系统在工业现场不可用的主要原因。另外，对于只锁定重频而不锁定偏频的双光梳系统，混叠现象使得该系统不具备在工业现场环境下长时间稳定测量的能力；对于重频和偏频锁定的双光梳系统来说，这种混叠现象限制了重频和偏频的可调节范围，使双光梳系统不能根据需要任意地调整光梳重频和偏频。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种消除双光梳频谱混叠的方法及系统，能够保证系统中总存在不发生混叠的子频率梳信号。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

本发明的第一方面提供一种消除双光梳频谱混叠的激光测距系统，该系统包括；

第一光梳，所述第一光梳发出信号光脉冲经第一分光镜后一束光入射到参考镜，另一束光入射到测量镜，参考镜和测量镜反射的光经第一分光镜出射到第二分光镜；

第二光梳，所述第二光梳发出本振光脉冲入射到第二分光镜并与经第一分光镜出射的光进行干涉；

第一带通滤波片，用于获取经第二分光镜出射的一部分光在某一频率范围内的频率分量；

第二带通滤波片，用于获取经第二分光镜出射的另一部分光在另一频率范围内的频率分量；

信号处理器，用于对获取的频率分量信号进行处理完成距离测量。

进一步地，两带通滤波片的通带宽Δf₁和Δf₂应满足：

式中，Δf_r为重频差。

进一步地，两带通滤波片中心频率之差满足条件：

式中，Δf_c表示两带通滤波片中心频率之差，Δf表示两带通滤波片的平均通带宽度，mod是取余运算，f_r1和f_r2分别为两光频梳的重频。

进一步地，还包括有两个低通滤波器，探测的频率分量信号分别经相应低通滤波器处理后发送到信号处理器。

本发明的第二方面提供一种消除双光梳频谱混叠的激光测距方法，包括以下内容：

第一光梳发出信号光脉冲经第一分光镜后一束光入射到参考镜，另一束光入射到测量镜，经参考镜和测量镜反射的光经过第一分光镜出射到第二分光镜；

第二光梳发出本振光脉冲入射到第二分光镜并与经第一分光镜出射的光进行干涉；

经第二分光镜出射的一部分光经第一带通滤波片获取在某一频率范围内的频率分量；经第二分光镜出射的另一部分光经第二带通滤波片获取在另外一个频率范围内的频率分量；

探测得到的频率分量信号经处理获得距离测量值。

进一步地，两带通滤波片的通带宽Δf₁和Δf₂应满足：

式中，Δf_r为重频差。

进一步地，两带通滤波片中心频率之差满足条件：

式中，Δf_c表示两带通滤波片中心频率之差，Δf表示两带通滤波片的平均通带宽度，mod是取余运算，f_r1和f_r2分别为两光频梳的重频。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明提出的双波段滤波方法，采用两个不同中心频率的光学滤波片，分别对同一对光频梳进行滤波，可以根据实际应用时大致的重频、重频差、光频梳中心波长，事先设计两滤波片的中心波长之差及通带宽度，使得总有一个波段内产生的射频信号不发生混叠，保证自由运行的双光梳系统能够实现连续测量，进一步降低系统对使用环境的要求。

2、当本发明的双波段滤波法光路设计用于重频锁定的双光梳测距系统时，在长时间测量的情况下，可以避免由于偏频缓慢变化导致射频干涉信号落入混叠区域的情况，提高双光梳系统在复杂环境下长时间稳定测量的能力。

3、当本发明的双波段滤波法光路设计应用于重频偏频都锁定的双光梳系统时，可以容许重频、偏频在满足通带宽度条件的前提下连续调节，避免了重频和偏频调节的死区。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例的双光梳测距原理示意图；

图2为本发明实施例的光纵模干涉示意图；

图3为本发明实施例的频谱混叠示意图，其中，图3(a)为混叠区的相频斜率示意图，图3(b)为非混叠区的相频斜率示意图；

图4为本发明实施例的双波段滤波法系统结构图；

图5为本发明实施例的滤波片通带要求示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

双光梳法测距是采用两个重频有微小差别的光频梳，对光在干涉仪两臂之间产生的飞行时间差进行放大，进而使用光电传感器件进行测量。通过研究发现对于双光梳法测距，随着两光频梳重频的变化，当射频域上子频率梳的频谱范围跨过0Hz或f_r2/2时，子频率梳的不同频谱之间会产生混叠，即相同或相近的射频频率由不同的两组光频做拍产生。对于重频锁定的双光梳，可以控制重频使得子频率梳的频谱范围不跨过0Hz或f_r2/2，而自由运行双光梳具有重频不锁定的特性，导致在某些重复频率下不能完成测量。

如图1所示，两列光脉冲分别称为信号光S和本振光LO。两个光频梳的重频分别表示为f_r1和f_r2，其重频差为Δf_r＝f_r1-f_r2。在每一本振光周期，信号光与本振光相干涉得到一个干涉采样，这些采样形成的子频率梳可以视做信号光脉冲按时间放大因子N＝f_r1/Δf_r延伸后的结果，相应地，若信号光中存在测量光与参考光两组脉冲，由于双光梳采样，测量脉冲和参考脉冲之间的脉冲间隔也得到了相应的放大，最终的测量结果L可表示为：

其中，Δt表示参考干涉信号与测量干涉信号的时间延迟，ΔΦ表示两个干涉信号之间的相位差，f_itf表示干涉信号的频谱，v_g表示脉冲的群速度。

如图2所示的非限制性实施例，三个黑色方框可以代表光频域上三种不同的混叠区域，图中，k₁,k₂,k₃是正整数，表示特定纵模的序号，且k₁<k₂<k₃,E和I分别表示光纵模的电场强度和子频率梳的电信号强度，f_OPT和f_RF分别表示光频域和射频域上的频率，二者尺度不同。两光梳在一定的光谱范围内发生干涉，相邻的光频域纵模间形成拍频，拍频排列在射频域上，跨过一定的频谱范围，形成一个位于射频域上的子频率梳。

当子频率梳频谱的范围跨过频率0，则如图2中的混叠区1所示，谱线中存在频率为负的谱线，记某一频率为f_itf的谱线相位为ΔΦ，且f_itf<0，由于探测器只能记录频率为正的电信号分量，因此在采集到的射频信号中，用I₀表示该纵模幅值，t表示时间，该纵模可以表示为：

I＝I₀cos[-2πf_itft+(2π-ΔΦ)]

该谱线与原本频率为正的子频率梳谱线交错或重合出现，导致无法测量子频率梳频谱整体的相频斜率，如图3(a)所示。

当子频率梳频谱的范围跨过频率f_r2/2时，则如图2中的混叠区2所示，谱线中存在频率大于本振光重复频率一半的谱线，记某一频率为f_itf的谱线相位为ΔΦ，且f_itf>f_r2/2，由于信号光每一个光频域纵模总是能与左右两个本振光纵模分别产生拍频，射频域上总存在两组频率关于f_r2/2对称的射频纵模。处在f_itf对称位置的纵模可以表示为：

I＝I₀cos[2π(f_r2-f_itf)t+(2π-ΔΦ)]

该谱线与原本频率小于本振光重频一半的子频率梳谱线交错或重合出现，导致无法测量子频率梳频谱整体的相频斜率，与混叠区1的情形相类似。

当谱线既不跨过频率0也不跨过频率f_r2/2时，则位于图2中所示的非混叠区中，不发生频谱混叠，其相频斜率如图3(b)所示。综上，为避免上述混叠对测量的影响，本实施例使用两个中心频率不同的带通滤波片将本振光与信号光进行光学滤波，分别得到两个波段，保持其在光频域上间距不变，则随着重频的微小变化，总存在一个波段的子频率梳频谱在非混叠区内，这样，用两个探测器分别读取射频域信号，就可以避免频谱混叠造成的测量盲区。

实施例1

基于上述发明构思，如图4所示，本实施例提供的消除双光梳频谱混叠的激光测距系统，包括第一光梳1、第二光梳2、参考镜3、测量镜4、第一带通滤波片5、第二带通滤波片6、第一探测器7、第二探测器8、第一低通滤波器9、第二低通滤波器10和信号处理器11。

第一光梳1发出信号光脉冲通过第一分光镜12分光后一束光入射到参考镜3，另一束光入射到测量镜4，经参考镜3和测量镜4反射的光经过第一分光镜12出射到第二分光镜13；

第二光梳2发出本振光脉冲入射到第二分光镜13并与经第一分光镜12出射的光进行干涉，经第二分光镜13出射的一部分光经过第一带通滤波片5后被第一探测器7探测；

经第二分光镜13出射的另一部分光经过第二带通滤波片6被第二探测器8探测，在一些实现中，第二分光镜13与第二带通滤波片6之间设置有反光镜；

第一探测器7和第二探测器8将探测的信号分别经过第一低通滤波器9和第二低通滤波器10滤波后发送到信号处理器11完成距离测量。

本发明的一些实施例中，第一带通滤波片5和第二带通滤波片6的设计要求为：两带通滤波片的通带范围都应包含在两光梳的频谱所覆盖的范围内，为保证双光梳干涉信号可以被正确采集，它们的通带宽Δf₁和Δf₂都应满足：

本发明的一些实施例中，如图5所示，在光频域上，两带通滤波片间隔一定距离，各自滤出一定波段内的双光梳谱线，可以认为在光频域上，存在一系列等间隔的混叠线，在图5中用一系列竖直虚线表示。当两个波段之一与任意混叠线有交叠时，意味着该频段内双光梳产生的射频子频率梳落在图2中的一个混叠区中。当光频梳光源的重频发生变化时，由于这一系列混叠线在光频域上位置的变化远大于它们之间间隔的变化，因此可以视作这一系列混叠线在随着光频梳光源重频的变化在光频域上左右平移。此时，为使得两滤波片波段内干涉形成的射频谱不会同时出现混叠，则两带通滤波片中心频率之差应满足条件：

式中，Δf_c表示两带通滤波片中心频率之差，Δf表示两带通滤波片的平均通带宽度，mod是取余运算，表示该符号前的值对其后的值取余。

实施例2

本实施例还一种消除双光梳频谱混叠的激光测距方法，包括以下内容：

第一光梳1发出信号光脉冲经第一分光镜后一束光入射到参考镜3，另一束光入射到测量镜4，经参考镜3和测量镜4反射的光经过第一分光镜12出射到第二分光镜13；

第二光梳2发出本振光脉冲入射到第二分光镜13并与经第一分光镜12出射的光进行干涉；

经第二分光镜13出射的一部分光经第一带通滤波片5获取在某一频率范围内的频率分量；经第二分光镜13出射的另一部分光经第二带通滤波片6获取在另一频率范围内的频率分量；

探测得到的频率分量信号经处理获得距离测量值。

需要说明的是，本实施例的第一带通滤波片5和第二带通滤波片6的设计要求与实施例1设计要求相同，在此不做赘述。

综上所述，本发明采用新型的双波段滤波法光路设计，通过使用两个中心频率有差异的带通滤波片分别提取两个不同区域的纵模信号，在射频域上形成的两组子频率梳，通过这种方法保持双光梳测距的子频率梳始终有一个处在非混叠区，消除自由运行双光梳运行过程中频谱混叠的影响。该设计也可以应用于重频和偏频锁定的双光梳测距系统，用于消除其重频调节过程中不可使用的频率范围，同时也解决了偏频漂移产生的频谱混叠的影响。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种消除双光梳频谱混叠的激光测距系统，其特征在于，该系统包括；

第一光梳，所述第一光梳发出信号光脉冲经第一分光镜后一束光入射到参考镜，另一束光入射到测量镜，参考镜和测量镜反射的光经第一分光镜出射到第二分光镜；

第二光梳，所述第二光梳发出本振光脉冲入射到第二分光镜并与经第一分光镜出射的光进行干涉；

第一带通滤波片，用于获取经第二分光镜出射的一部分光在某一频率范围内的频率分量；

第二带通滤波片，用于获取经第二分光镜出射的另一部分光在另一频率范围内的频率分量；

信号处理器，用于对获取的频率分量信号进行处理完成距离测量。

2.根据权利要求1所述的激光测距系统，其特征在于，两带通滤波片的通带宽Δf₁和Δf₂应满足：

式中，Δf_r为重频差，f_r1为第一光梳的重频，f_r2为第二光梳的重频。

3.根据权利要求2所述的激光测距系统，其特征在于，两带通滤波片中心频率之差满足条件：

式中，Δf_c表示两带通滤波片中心频率之差，Δf表示两带通滤波片的平均通带宽度，mod是取余运算，f_r1和f_r2分别为两光频梳的重频。

4.根据权利要求1～2所述的激光测距系统，其特征在于，还包括有两低通滤波器，探测的频率分量信号分别经相应低通滤波器处理后发送到信号处理器。

5.一种消除双光梳频谱混叠的激光测距方法，其特征在于包括以下内容：

第一光梳发出信号光脉冲经第一分光镜后一束光入射到参考镜，另一束光入射到测量镜，经参考镜和测量镜反射的光经过第一分光镜出射到第二分光镜；

第二光梳发出本振光脉冲入射到第二分光镜并与经第一分光镜出射的光进行干涉；

经第二分光镜出射的一部分光经第一带通滤波片获取在某一频率范围内的频率分量；经第二分光镜出射的另一部分光经第二带通滤波片获取在另一频率范围内的频率分量；

探测得到的频率分量信号经处理获得距离测量值。

6.根据权利要求5所述的激光测距方法，其特征在于，两带通滤波片的通带宽Δf₁和Δf₂应满足：

式中，Δf_r为重频差，f_r1为第一光梳的重频，f_r2为第二光梳的重频。

7.根据权利要求5或6所述的激光测距方法，其特征在于，两带通滤波片中心频率之差满足条件：

式中，Δf_c表示两带通滤波片中心频率之差，Δf表示两带通滤波片的平均通带宽度，mod是取余运算，f_r1为第一光梳的重频，f_r2为第二光梳的重频。

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