CN113805189B - 一种多轴全光纤双光梳大尺寸绝对测距系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种多轴全光纤双光梳大尺寸绝对测距系统，涉及大尺寸精密测量领域。该多轴全光纤双光梳大尺寸绝对测距系统包括光梳光源模块，光梳光源模块用于提供探测脉冲和本振脉冲；异步采样光路模块，异步采样光路模块用于获得测量信号和参考信号，通过本振脉冲对探测脉冲中的测量脉冲和参考脉冲进行异步采样；信号获取模块，信号获取模块用于对获取的光信号经滤波等后处理转换为电信号；多轴光路模块，多轴光路模块用于将测距光路多轴化，利用光开关进行分别探测，可以通过增加测量路径拓展其应用场景。本发明提供的多轴全光纤双光梳大尺寸绝对测距系统可以提高实用性与灵活性，能有效避免混叠盲区，且能够压缩测量成本。

Description

一种多轴全光纤双光梳大尺寸绝对测距系统

技术领域

本发明涉及大尺寸精密测量领域，具体而言，涉及一种多轴全光纤双光梳大尺寸绝对测距系统。

背景技术

长度量作为七个基本物理量之一，其作用在前沿基础科学和先进技术应用中的重大意义不言而喻，特别是在高端设备制造以及航空航天工程中，精准的大尺寸计量至关重要。随着飞秒光学频率梳的出现，开始逐步应用于绝对距离测量。由于能够将光频域和射频域进行链接，通过锁定至原子钟等频率标准能够使大尺寸测距的现场量值溯源成为可能。飞秒光学频率梳是一系列等间隔分布、高相干的光学纵模构成的宽光谱光源，相对于传统的连续激光、脉冲激光和白光光源等具有独特的优势。

其中双飞秒光学频率梳(双光梳)系统可以实现大量程、高精度、高速率的绝对距离测量。双光梳系统在测量过程中的关键技术是作为本振的光梳对另一个作为信号的光梳进行时域采样，以获得计算距离的异步光学采样信号。与传统的飞行时间法测量方法相比，该方法通过异步采样光路将超快光脉冲向下转换到更低带宽的射频域，对光电探测器带宽的要求大大放宽。与仅适用于位移测量的传统激光干涉仪相比，无需机械延迟扫描装置即可实现绝对距离测量，且不受测量中的断光影响。

然而当探测光梳的参考脉冲和测量脉冲与本振光梳在同一时刻发生相干时，传统的基于单探测器探测的空间双光梳测距系统将会周期性存在测量的混叠盲区，即测量信号与参考信号恰好在时域上重叠从而影响测量结果。并且，空间探测的异步采样光路结构复杂且不便于集成，在需要紧凑型设计的工业场景中将严重限制测量装置的灵活性。

发明内容

本发明的目的包括，例如，提供一种多轴全光纤双光梳大尺寸绝对测距系统，其可以提高实用性与灵活性，能有效避免混叠盲区，且能够压缩测量成本。

本发明的实施例可以这样实现：

本发明实施例提供一种多轴全光纤双光梳大尺寸绝对测距系统，包括：

光梳光源模块，所述光梳光源模块用于提供探测脉冲和本振脉冲；

异步采样光路模块，所述异步采样光路模块用于获得测量信号和参考信号，并通过本振脉冲对所述探测脉冲中的测量脉冲和所述参考脉冲进行异步采样；

信号获取模块，所述信号获取模块用于对获取的光信号经滤波等后处理后通过光电探测器接收；

多轴光路模块，所述多轴光路模块用于将测距光路多轴化。

进一步地，在可选的实施例中，所述光梳光源模块包括探测光梳和本振光梳，所述探测光梳用于提供探测脉冲，所述本振光梳用于提供本振脉冲。

进一步地，在可选的实施例中，所述异步采样光路模块包括第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、第四光纤耦合器、第一环形器、第二环形器、第一准直器、光纤反射器和测量角锥棱镜；

所述第一光纤耦合器位于所述探测光梳后，所述第一环形器和所述第二环形器均位于所述第一光纤耦合器后；所述光纤反射器位于所述第一环形器后，以使所述探测光梳、所述第一光纤耦合器、所述第一环形器和所述光纤反射器形成参考光路；所述第一准直器、所述测量角锥棱镜依次布置于所述第二环形器后，以使所述探测光梳、所述第一光纤耦合器、所述第二环形器、所述第一准直器和所述测量角锥棱镜形成测量光路；

所述第二光纤耦合器位于所述本振光梳后，所述第三光纤耦合器和所述第四光纤耦合器均位于所述第二光纤耦合器后，所述信号获取模块分别布置于所述第三光纤耦合器和所述第四光纤耦合器后。

进一步地，在可选的实施例中，所述信号获取模块包括第二准直器、第三准直器、第一滤光片、第二滤光片、第一凸透镜、第二凸透镜、第一光电探测器和第二光电探测器；

所述第二准直器、所述第一滤光片、所述第一凸透镜、所述第一光电探测器依次布置于所述第三光纤耦合器后，以使所述本振光梳、所述第二光纤耦合器、所述第三光纤耦合器、所述第二准直器、所述第一滤光片、所述第一凸透镜和所述第一光电探测器形成参考信号探测光路；

所述第三准直器、所述第二滤光片、所述第二凸透镜和所述第二光电探测器依次布置与所述第四光纤耦合器后，以使所述本振光梳、所述第二光纤耦合器、所述第四光纤耦合器、所述第三准直器、所述第二滤光片、所述第二凸透镜和所述第二光电探测器形成测量信号探测光路。

进一步地，在可选的实施例中，所述多轴光路模块包括多路光纤分束器、第二环形器、第一准直器、测量角锥棱镜以及多路光开关；

所述多路光纤分束器用于将光纤分成多路，所述第二环形器、所述第一准直器和所述测量角锥棱镜依次布置，且包括多组，分别与经所述多路光纤分束器分成的光束对应，所述多路光开关分别与多个所述第二环形器和所述第四光纤耦合器连接，用于将多个所述第二环形器通过所述多路光开关后与所述第四光纤耦合器连接。

进一步地，在可选的实施例中，所述多路光纤分束器用于将光纤分成多路，所述第二环形器、所述第一准直器和所述测量角锥棱镜依次布置为多组。

进一步地，在可选的实施例中，所述第一准直器可以用望远镜或者扩束器减小激光发散角，拓展测量量程。

进一步地，在可选的实施例中，所述第一滤光片和第二滤光片均为窄带滤光片。

本发明提供的一种多轴全光纤双光梳大尺寸绝对测距系统具有以下有益效果：本发明在空间双光梳异步采样光路的基础上进行了优化与全光纤化，将大量昂贵、沉重且需要熟练操作才能使用的光学器件替换成了经济、轻便且拆装便携的光纤，将双光梳异步采样光路系统高度简化，方便拆卸和搬运，便于对比和校验，降低了对使用人员专业程度的要求，提高了实用性与经济性。通过光纤耦合器将测量光路与参考光路分开，使本振光梳可对其进行扫描而不会相互干扰，最后使用了两个光电探测器分别接收测量脉冲与参考脉冲，从而避免了混叠盲区的产生。通过布置光纤分束器和高速光开关控制系统实现多目标绝对距离的探测与解耦，该方法将进一步打破单一维度绝对测距的应用限制，为三维空间坐标测量的场景提供高速、高精度、无盲区的多轴绝对测距方法，有效避免了传统采用多台仪器组合的测量模式，通过单一光源测量并采用同一长度标准，极大地压缩了测量成本。本发明实施例可以提高实用性与经济性，能有效避免混叠盲区，且能够压缩测量成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明具体实施例所述的多轴全光纤双光梳大尺寸绝对测距系统的结构示意图；

图2为本发明具体实施例所述的多轴测距拓展模块的示意图。

图标：1-探测光梳；2-本振光梳；3-第一光纤耦合器；4-第二光纤耦合器；5-第三光纤耦合器；6-第四光纤耦合器；7-第一环形器；8-第二环形器；9-第一准直器；10-第二准直器；11-第三准直器；12-第一滤光片；13-第二滤光片；14-第一凸透镜；15-第二凸透镜；16-光纤反射器；17-测量角锥棱镜；18-第一光电探测器；19-第二光电探测器；20-参考光路；21-测量光路；22-多路光纤分束器；23-多路光开关。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

同时，还需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。

请参阅图1和图2，本实施例提供了一种多轴全光纤双光梳大尺寸绝对测距系统，其可以提高实用性与灵活性，能有效避免混叠盲区，且能够压缩测量成本。

在本发明实施例中，多轴全光纤双光梳大尺寸绝对测距系统包括光梳光源模块、异步采样光路模块、信号获取模块和多轴光路模块。光梳光源模块用于提供探测脉冲和本振脉冲；异步采样光路模块用于获得测量信号和参考信号，并通过本振脉冲对测量脉冲和参考脉冲进行异步采样；信号获取模块用于对获取的光信号经滤波等后处理接收转换为电信号；多轴光路模块用于将测距光路多轴化。

在可选的实施例中，光梳光源模块包括探测光梳1和本振光梳2，探测光梳1用于提供探测脉冲，本振光梳2用于提供本振脉冲。

在可选的实施例中，异步采样光路模块包括第一光纤耦合器3、第二光纤耦合器4、第三光纤耦合器5、第四光纤耦合器6、第一环形器7、第二环形器8、第一准直器9、光纤反射器16和测量角锥棱镜17；第一光纤耦合器3位于探测光梳1后，第一环形器7和第二环形器8均位于第一光纤耦合器3后；光纤反射器16位于第一环形器7后，以使探测光梳1、第一光纤耦合器3、第一环形器7和光纤反射器16形成参考光路；第一准直器9、测量角锥棱镜17依次布置于第二环形器8后，以使探测光梳1、第一光纤耦合器3、第二环形器8、第一准直器9和测量角锥棱镜17形成测量光路；第二光纤耦合器4位于本振光梳2后，第三光纤耦合器5和第四光纤耦合器6均位于第二光纤耦合器4后，信号获取模块分别布置于第三光纤耦合器5和第四光纤耦合器6后。

在可选的实施例中，信号获取模块包括第二准直器10、第三准直器11、第一滤光片12、第二滤光片13、第一凸透镜14、第二凸透镜15、第一光电探测器18和第二光电探测器19；第二准直器10、第一滤光片12、第一凸透镜14、第一光电探测器18依次布置于第三光纤耦合器5后，以使本振光梳2、第二光纤耦合器4、第三光纤耦合器5、第二准直器10、第一滤光片12、第一凸透镜14和第一光电探测器18形成参考信号探测光路；第三准直器11、第二滤光片13、第二凸透镜15和第二光电探测器19依次布置与第四光纤耦合器6后，以使本振光梳2、第二光纤耦合器4、第四光纤耦合器6、第三准直器11、第二滤光片13、第二凸透镜15和第二光电探测器19形成测量信号探测光路。

在可选的实施例中，多轴光路模块包括多路光纤分束器22、第二环形器8、第一准直器9、测量角锥棱镜17以及多路光开关23；多路光纤分束器22用于将光纤分成多路，第二环形器8、第一准直器9和测量角锥棱镜17依次布置，且包括多组，分别与经多路光纤分束器22分成的光束对应，多路光开关23分别与多个第二环形器8和第四光纤耦合器6连接，用于将多个第二环形器8中的一者与第四光纤耦合器6连接。

在本实施例中，多路光纤分束器用于将光纤分成三路，第二环形器8、第一准直器9和测量角锥棱镜17依次布置为三组。如图2所示，其中，标号8-1、8-2、8-3均为第二环形器8，表示第二环形器8的数量为三个；标号9-1、9-2、9-3均为第一准直器9，表示第一准直器9的数量为三个；标号17-1、17-2、17-3均为测量角锥棱镜17，表示测量角锥棱镜17的数量为三个。

需要指出的是，在本发明中，多路光纤分束器还可以将光纤分成多路，包括但不限于三路、四路，应当理解的是，凡是多轴的全光纤异步光学采样光路设计均在本申请技术方案范围之内。

可选地，在本发明实施例中，第一准直器9可以用望远镜或者扩束器拓展测量量程。采用望远镜或者扩束器准直可以使光脉冲的准直发散角更小，能够提升测量目标的回光效率。

可选地，在本发明实施例中，第一滤光片12和第二滤光片13均为窄带滤光片。

光梳光源部分包括探测光梳1和本振光梳2，这部分的作用是提供探测飞秒激光脉冲与本振飞秒激光脉冲。光学频率梳简称光梳源于飞秒激光，在时域上看，它是一系列脉宽在飞秒量级的超窄脉冲，每一个脉冲包络的时间周期是一致的，周期的倒数我们称之为光梳的重复频率，载波与脉冲包络之间也存在一个固定的偏移，称之为载波包络偏移，该频率称之为偏移频率。从频域上看，每个频率纵模之间存在固定的频率差，对应光梳时域上的重复频率，而最小的频率纵模相对零点也存在一个固定偏差，对应的是光梳的偏移频率，由公式f＝nf_rep+f_ceo可得，当重复频率和偏移频率都能被精确的锁定时，此时该飞秒激光的状态被完全确定。探测光梳1发射的探测光脉冲通过光纤分束器进入异步采样光路部分，本振光梳2发射的本振光脉冲通过光纤分束器进入异步采样光路部分。其优势是通过光纤分束器将测量光路21与参考光路20分开，使本振光梳2可对其进行扫描而不会相互干扰，最后使用了两个光电探测器分别接收测量信号与参考信号，从而避免了混叠盲区。

异步采样光路部分包括光纤耦合器，环形器，准直器，光纤反射器16，测量角锥棱镜17，这部分的作用是分别获得测量信号与参考信号，并通过本振脉冲对其进行异步采样。该部分将探测飞秒激光脉冲由光纤分束器分成两路光脉冲，其中测量光占比较多，参考光占比较少，分配不同光占比的原因是测量光路21在大尺寸测距时随着距离的增大回光强度会相应减弱，因此在开始分配光强时考虑分配给测量光路21更多的光强来避免回光强度过低。本系统中光纤反射器16起到了参考臂与参考镜的作用。光纤反射器16在光纤中集成了反射棱镜，它可以将入射到光纤中的光脉冲原路返回，其优势在于小巧便携且无需准直，由于本身集成在光纤中，对后续的光纤光路可以直接连接，无需像空间光路考虑回射光对于光纤的耦合。本系统的测量光路21采用可以采用望远镜进行准直，相比于普通的光纤准直器可以使光脉冲的准直发散角更小，能够提升测量目标的回光效率。

需要指出的是，本发明实施例中，采用的光纤反射器配合全光纤异步光学采样光路设计极大地简化了测量系统的复杂程度、提高了测量系统的灵活性，应当理解的是，使用类似光纤反射器的分束探测的异步采样测量方案均在本申请请求保护的范围之内。

参考光路20的回光与测量光路21的回光将分别进入环形器的出射口，并在回射口中返回，分别与本振光脉冲通过光纤分束器分束的两路本振光脉冲在光纤耦合器中合束形成双光梳的异步采样。探测光梳1的重复频率f_r1与本振光梳2的重复频率f_r2有一个微小的重频差Δf_r，它们的采样步长Δt＝1/f_r1–1/(f_r1+Δf_r)，本振光梳2以Δt的采样步长逐渐与探测光梳1接近再分离，其周期是重频差的倒数，与此同时信号光脉冲的周期t也被放大为τ＝t·γ＝t·f_r1/Δf_r(其中γ为放大系数)，将光脉冲干涉谱转换为射频域干涉谱，在时域上看是一个具有高频载波的低频包络信号，解决了光电探测器的时间分辨力不足的问题。测量和参考的信号分别经过本振光脉冲扫描后由两个耦合器分别传输至准直器处出射，通过窄带滤光片处进行滤波。光滤光片的作用主要是限制干涉所得的光信号带宽，其作用类似于带通滤波器，满足测量的奈奎斯特采样定律，其带宽选择公式有Δv_comb＝c/λ₁-c/λ₂。由滤光片滤光后的测量光脉冲信号和参考光脉冲信号通过凸透镜聚焦由光电探测器分别接收，其作用在于增加光电探测器接收的光强。此时待测的绝对距离L可以通过L＝((ΔφΔf_r)/2π+N)·c/2f_r1n_g计算，其中Δφ为测量光脉冲与参考光脉冲的相位差，c为光速，n_g为空气群折射率。

多轴光路测距系统的关键点是通过多路光纤分束器22将测量光路21分为多轴光路，通过多路光开关23分时复用光电探测器接收光脉冲信号。多路光开关23有多个可以连接光纤的通道，它允许其中一路通道接收光脉冲并通过编程对其操控改变其中光通道的状态在其他通道中的任意一通道连通并出射接收的光脉冲。光开关的位置设置在测量光路21单路的第二环形器8和第四光纤耦合器6之间。本专利采用的基于光开关的多轴光路测距系统相比于普通多轴光路测距系统来说通过多路光开关23我们可以实现在仅有一个输入光源的情况下实现多光路的探测，大大改善了多轴光路的复杂性和成本。

本实施例中采用的光电探测器为空间形式，也可以用光纤光电探测器替代，另外，带通滤光片也可以通过光纤布拉格光栅或者光纤滤光器进行替代，上述替换形式均在本申请请求保护的范围之内。

本实施例提供的一种多轴全光纤双光梳大尺寸绝对测距系统：在空间双光梳异步采样光路的基础上进行了优化与全光纤化，将大量昂贵、沉重且需要熟练操作才能使用的光学器件替换成了经济、轻便且拆装便携的光纤，将双光梳异步采样光路系统高度简化，方便拆卸和搬运，便于对比和校验，降低了对使用人员专业程度的要求，提高了实用性与经济性。通过光纤耦合器将测量光路21与参考光路20分开，使本振光梳2可对其进行扫描而不会相互干扰，最后使用了两个光电探测器分别接收测量信号与参考信号，从而避免了混叠盲区的产生。通过布置光纤分束器和高速光开关控制系统实现多目标绝对距离的探测与解耦，该方法将进一步打破单一维度绝对测距的应用限制，为三维空间的大尺寸绝对多边定位场景提供高速、高精度、无盲区的多轴绝对测距方法，有效避免了采用多台仪器组合的测量模式，通过单一光源测量并采用同一长度标准，极大地压缩了测量成本。本发明实施例可以提高实用性与经济性，能有效避免混叠盲区，且能够压缩测量成本。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (6)

1.一种多轴全光纤双光梳大尺寸绝对测距系统，其特征在于，包括：

光梳光源模块，所述光梳光源模块用于提供探测脉冲和本振脉冲；

异步采样光路模块，所述异步采样光路模块用于获得测量信号和参考信号，并通过所述本振脉冲对所述探测脉冲中的测量脉冲和参考脉冲进行异步采样；

信号获取模块，所述信号获取模块用于对获取的光信号进行处理，并在处理后通过光电探测器接收；

多轴光路模块，所述多轴光路模块用于将测距光路多轴化；

所述光梳光源模块包括探测光梳(1)和本振光梳(2)，所述探测光梳(1)用于提供探测脉冲，所述探测脉冲包括测量脉冲和参考脉冲，所述本振光梳(2)用于提供本振脉冲；

所述异步采样光路模块包括第一光纤耦合器(3)、第二光纤耦合器(4)、第三光纤耦合器(5)、第四光纤耦合器(6)、第一环形器(7)、第二环形器(8)、第一准直器(9)、光纤反射器(16)和测量角锥棱镜(17)；

所述第一光纤耦合器(3)位于所述探测光梳(1)后，所述第一环形器(7)和所述第二环形器(8)均位于所述第一光纤耦合器(3)后；所述光纤反射器(16)位于所述第一环形器(7)后，以使所述探测光梳(1)、所述第一光纤耦合器(3)、所述第一环形器(7)和所述光纤反射器(16)形成参考光路；所述第一准直器(9)、所述测量角锥棱镜(17)依次布置于所述第二环形器(8)后，以使所述探测光梳(1)、所述第一光纤耦合器(3)、所述第二环形器(8)、所述第一准直器(9)和所述测量角锥棱镜(17)形成测量光路；

所述第二光纤耦合器(4)位于所述本振光梳(2)后，所述第三光纤耦合器(5)和所述第四光纤耦合器(6)均位于所述第二光纤耦合器(4)后，所述信号获取模块分别布置于所述第三光纤耦合器(5)和所述第四光纤耦合器(6)后。

2.根据权利要求1所述的多轴全光纤双光梳大尺寸绝对测距系统，其特征在于，所述信号获取模块包括第二准直器(10)、第三准直器(11)、第一滤光片(12)、第二滤光片(13)、第一凸透镜(14)、第二凸透镜(15)、第一光电探测器(18)和第二光电探测器(19)；

所述第二准直器(10)、所述第一滤光片(12)、所述第一凸透镜(14)、所述第一光电探测器(18)依次布置于所述第三光纤耦合器(5)后，以使所述本振光梳(2)、所述第二光纤耦合器(4)、所述第三光纤耦合器(5)、所述第二准直器(10)、所述第一滤光片(12)、所述第一凸透镜(14)和所述第一光电探测器(18)形成参考信号探测光路；

所述第三准直器(11)、所述第二滤光片(13)、所述第二凸透镜(15)和所述第二光电探测器(19)依次布置与所述第四光纤耦合器(6)后，以使所述本振光梳(2)、所述第二光纤耦合器(4)、所述第四光纤耦合器(6)、所述第三准直器(11)、所述第二滤光片(13)、所述第二凸透镜(15)和所述第二光电探测器(19)形成测量信号探测光路。

3.根据权利要求2所述的多轴全光纤双光梳大尺寸绝对测距系统，其特征在于，所述多轴光路模块包括多路光纤分束器(22)、第二环形器(8)、第一准直器(9)、测量角锥棱镜(17)以及多路光开关(23)；

所述多路光纤分束器(22)用于将光纤分成多路，所述第二环形器(8)、所述第一准直器(9)和所述测量角锥棱镜(17)依次布置，且包括多组，分别与经所述多路光纤分束器(22)分成的光束对应，所述多路光开关分别与多个所述第二环形器(8)和所述第四光纤耦合器(6)连接，用于将多个所述第二环形器(8)通过所述多路光开关(23)后与所述第四光纤耦合器(6)连接。

4.根据权利要求3所述的多轴全光纤双光梳大尺寸绝对测距系统，其特征在于，所述多路光纤分束器(22)用于将光纤分成多路，所述第二环形器(8)、所述第一准直器(9)和所述测量角锥棱镜(17)依次布置为多组。

5.根据权利要求2所述的多轴全光纤双光梳大尺寸绝对测距系统，其特征在于，所述第一准直器(9)为望远镜或者扩束器，以减小激光发散角、拓展测量量程。

6.根据权利要求2所述的多轴全光纤双光梳大尺寸绝对测距系统，其特征在于，所述第一滤光片(12)和第二滤光片(13)均为窄带滤光片。

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