CN114236560A - 一种全光纤大尺寸高精度飞秒激光绝对测距系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种全光纤大尺寸高精度飞秒激光绝对测距系统，属于激光测距领域。本发明包括第一全光纤飞秒激光器、第二全光纤飞秒激光器、光纤分束器、第一光纤环形器、波分复用器、消色差光纤准直器、第一光纤合束器、第二光纤合束器、半导体激光器、第二光纤环形器、第一光电探测器、第二光电探测器以及数据采集与处理模块。本发明采用双飞秒激光测距技术与相位激光测距技术相结合的方式，实现大尺寸高精度绝对距离测量；本发明采用全光纤结构，消色差大光束准直器共路传输两种测量光，提高系统的稳定性，解决传统双飞秒激光测距系统需要调整重频才能完成绝对距离测量的弊端。本发明具有测量精度高、更新速度快、测量方法简单等优点。

Description

一种全光纤大尺寸高精度飞秒激光绝对测距系统
技术领域
本发明属于激光测距领域，涉及一种全光纤大尺寸高精度飞秒激光绝对测距系统。
背景技术
飞秒脉冲激光具有宽光谱、窄脉冲、峰值能量高等特性，将飞秒脉冲的重复频率和载波包络相位同时锁定到高稳定的外部参考铷钟上，大大提高了飞秒脉冲时域和频域上的稳定性，形成飞秒光学频率梳。飞秒光学频率梳的出现，为高精度绝对距离测量提供了新的技术手段。例如，主要有结合非相干原理和相干原理的测距法、时间飞行测距法、多波长干涉测距法、光谱干涉法、互相关测距法、合成波长测距法及双飞秒激光测距法。以上方法都有自己的优势和潜在的应用价值。
双飞秒激光测距法，具有测量精度高，速度快，无测量死区等优势，可以解决传统激光测距方法中不能同时实现高精度与绝对距离测量的矛盾，在大尺寸计量校准、远距离测绘及大型装备装配等领域具有潜在的应用前景。但是传统的双飞秒激光测距法不能通过一次测量实现绝对距离测量，需要调整飞秒激光器的重复频率再次测量，才能计算出绝对距离，测量过程复杂，不利于实现工程应用。
发明内容
为了克服上述技术存在的缺点，本发明的目的是提供一种全光纤大尺寸高精度飞秒激光绝对测距系统，结合双飞秒激光测距技术与相位测距技术的优势，具备100m以上的测量量程、亚μm级的测距精度、kHz的测量速度，能够实现快速绝对距离测量。本发明具有测量精度高、更新速度快、测量方法简单等优点。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
本发明公开的一种全光纤大尺寸高精度飞秒激光绝对测距系统，双飞秒激光测距单元具有测量精度高、测量速度快的优点，相位激光测距单元具有远距离测量及测量光人眼可见的优点，采用双飞秒激光测距技术与相位激光测距技术相结合的方式，实现大尺寸高精度绝对距离测量。
本发明公开的一种全光纤大尺寸高精度飞秒激光绝对测距系统，包括第一全光纤飞秒激光器、第二全光纤飞秒激光器、光纤分束器、第一光纤环形器、波分复用器、消色差光纤准直器、第一光纤合束器、第二光纤合束器、半导体激光器、第二光纤环形器、第一光电探测器、第二光电探测器以及数据采集与处理模块。
第一全光纤飞秒激光器、第二全光纤飞秒激光器，作用是发出双飞秒测距单元所用飞秒脉冲激光；第一全光纤飞秒激光器与第二全光纤飞秒激光器具有微小重频差，且第一全光纤飞秒激光器重频大于第二全光纤飞秒激光器，中心波长相同。所述微小重频差根据测量速度而定。
作为优选，第一全光纤飞秒激光器与第二全光纤飞秒激光器，中心波长都为1560nm。
半导体激光器，作用是发出相位测距单元所用激光，半导体激光器输出的激光中心波长为人眼可见激光，并通过柱透镜或非球面耦合进光纤。
作为优选，半导体激光器输出的激光中心波长为635nm，并通过柱透镜或非球面耦合进光纤。
光纤分束器，作用是将第一全光纤飞秒激光器发出的飞秒脉冲激光分成两束，一束作为参考光，另一束作为测量光。
第一光纤环形器，为三端口环形器，作用是1端口输入飞秒测量光，2端口输出飞秒测量光，3端口输出返回的飞秒测量光。
波分复用器，作用是实现双飞秒测距测量光与相位测距测量光的合束与分束，波分复用器有三个工作端口。
作为优选，波分复用器三个工作端口分别为1560nm端、635nm端、公共端。
消色差光纤准直器，作用是实现发射双飞秒测距测量光与相位测距测量光共路传输，并接收返回光，消色差光纤准直器的工作波段为第一全光纤飞秒激光器的中心波长与半导体激光器输出的激光中心波长。
作为优选，消色差光纤准直器的工作波段为1560nm与635nm。
第一光纤合束器，作用是将第一全光纤飞秒激光器发出的参考光与返回的测量光进行合束。
第二光纤合束器，作用是将第二全光纤飞秒激光器发出的飞秒脉冲激光与第一全光纤飞秒激光器发出的参考光、返回的测量光进行合束。
第二光纤环形器，为三端口环形器，作用是1端口输入相位测距测量光，2端口发射相位测距测量光，3端口输出返回的相位测距测量光。
第一光电探测器，作用是探测双飞米激光测距信号，进行光电转换。
第二光电探测器，作用是探测相位测距信号，进行光电转换。
数据采集与处理模块，作用是对测距信号进行采集与处理，并显示测量距离。
本发明公开的一种全光纤大尺寸高精度飞秒激光绝对测距系统的工作方法为：
第一全光纤飞秒激光器发出飞秒脉冲激光，进入光纤分束器，光纤分束器将该飞秒脉冲激光分成两束，一束作为作为参考光，另一束作为测量光，该测量光进入第一光纤环形器的1端口，由第一光纤环形器的2端口出射，输入到波分复用器的1560nm端口，由波分复用器的公共端输出到消色差光纤准直器，由消色差光纤准直器输出的光照射到测量目标，经测量目标反射的测量光，被消色差光纤准直器接收并返回到波分复用器的公共端，通过波分复用器、第一光纤环形器，由第一光纤环形器的3端口输出反射回的测量光，该测量光与参考光经第一光纤合束器合束输出，第二全光纤飞秒激光器发出中心波长为1560nm的飞秒脉冲激光，作为扫描光，其重复频率略小于第一全光纤飞秒激光器的重复频率，第一光纤合束器合束输出的参考光与测量光，与第二全光纤飞秒激光器发出的扫描光，经第二光纤合束器合束，输出到光电探测器，光电探测器探测双飞秒激光测距信号，送入到数据采集与处理模块。
半导体激光器发出中心波长为635nm的可见连续激光，输入到第二光纤环形器的1端口，由第二光纤环形器的2端口出射，输入到波分复用器的635nm端口，由波分复用器的公共端输出到消色差光纤准直器，由消色差光纤准直器输出的光照射到测量目标，经测量目标反射的测量光，被消色差光纤准直器接收并返回到波分复用器的公共端，通过波分复用器、第二光纤环形器，由第二光纤环形器的3端口输出反射回的测量光，进入光电探测器，光电探测器探测相位测距信号，送入到数据采集与处理模块。
由数据采集与处理模块采集并处理双飞秒激光测距信号和相位测距信号，并显示绝对距离。双飞秒激光测距部分的非模糊量程受限于第一全光纤飞秒激光器的重复频率，当第一全光纤飞秒激光器的重复频率为fr；而测量速度取决于第一全光纤飞秒激光器与第二全光纤飞秒激光器的重复频率差，所述重复频率差为Δfr，则双飞秒测距部分的非模糊量程约为(cfr/2n)，测量速度为Δfr，c为光速，n为空气折射率；
则对任一距离，双飞秒测距部分得到距离为d1，精度一般为亚微米量级，d1的值小于(cfr/2n)；
半导体激光相位测距部分得到的距离为d2，精度一般为毫米量级；
对d2/(cfr/2n)向下取整得到整数N；
则最终绝对距离为:
Figure BDA0003372816460000031
即采用双飞秒激光测距技术与相位激光测距技术相结合的方式，实现大尺寸高精度绝对距离测量。
有益效果：
1、本发明公开的一种全光纤大尺寸高精度飞秒激光绝对测距系统，双飞秒激光测距单元具有测量精度高、测量速度快的优点，相位激光测距单元具有远距离测量及测量光人眼可见的优点，采用半导体可见激光相位测距法，实现低精度测量及指示功能，作为双飞秒激光测距高精度测量的有效补充，不需要调整重复频率，即能够实现大尺寸高精度绝对距离测量。本发明具备100m以上的测量量程、亚μm级的测距精度、kHz的测量速度，能够实现快速绝对距离测量。
2、本发明公开的一种全光纤大尺寸高精度飞秒激光绝对测距系统，采用消色差光纤准直器共路传输两种测量光，实现飞秒激光与可见激光共路发射、传输和接收，提高系统的稳定性，解决传统双飞秒激光测距系统需要调整重频才能完成绝对距离测量的弊端，同时，避免空间光合束引起的测量误差，测量精度高。
3、本发明公开的一种全光纤大尺寸高精度飞秒激光绝对测距系统，采用全光纤结构，不需要调试，提高测距系统的可靠性与实用性。
附图说明
图1是本发明公开的一种全光纤大尺寸高精度飞秒激光绝对测距系统的示意图。
其中：1-第一全光纤飞秒激光器，2-第二全光纤飞秒激光器，3-光纤分束器，4-第一光纤环形器，5-波分复用器，6-消色差光纤准直器，7-第一光纤合束器，8-半导体激光器，9-第二光纤环形器，10-第二光纤合束器，11-第一光电探测器，12-第二光电探测器，13-数据采集与处理模块。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
如图1所示，本实施例公开的一种全光纤大尺寸高精度飞秒激光绝对测距装置，包括第一全光纤飞秒激光器1、第二全光纤飞秒激光器2、光纤分束器3、第一光纤环形器4、波分复用器5、消色差光纤准直器6、第一光纤合束器7、半导体激光器8、第二光纤环形器9、第二光纤合束器10、第一光电探测器11、第二光电探测器12以及数据采集与处理模块13。图中，各光纤器件之间通过光纤法兰盘或光纤熔接方式连接，光电探测器与数据采集与处理模块之间通过BNC信号线连接。
本实施例公开的一种全光纤大尺寸高精度飞秒激光绝对测距系统的工作方法为：
第一全光纤飞秒激光器1发出中心波长为1560nm的飞秒脉冲激光，进入光纤分束器3，光纤分束器3将该飞秒脉冲激光分成两束，分数比为10％/90％，其中10％的光作为参考光，90％的光作为测量光，该测量光进入第一光纤环形器4的1端口，由第一光纤环形器4的2端口出射，输入到波分复用器5的1560nm端口，由波分复用器5的公共端输出到消色差光纤准直器6，由消色差光纤准直器6输出的光照射到测量目标，经测量目标反射的测量光，被消色差光纤准直器6接收并返回到波分复用器5的公共端，通过波分复用器5、第一光纤环形器4，由第一光纤环形器4的3端口输出反射回的测量光，该测量光与参考光经第一光纤合束器7合束输出，第二全光纤飞秒激光器2发出中心波长为1560nm的飞秒脉冲激光，作为扫描光，其重复频率略小于第一全光纤飞秒激光器1的重复频率，第一光纤合束器7合束输出的参考光与测量光，与第二全光纤飞秒激光器2发出的扫描光，经第二光纤合束器10合束，输出到光电探测器12，光电探测器12探测双飞秒激光测距信号，送入到数据采集与处理模块13。
半导体激光器8发出中心波长为635nm的可见连续激光，输入到第二光纤环形器9的1端口，由第二光纤环形器的2端口出射，输入到波分复用器5的635nm端口，由波分复用器5的公共端输出到消色差光纤准直器6，由消色差光纤准直器6输出的光照射到测量目标，经测量目标反射的测量光，被消色差光纤准直器6接收并返回到波分复用器5的公共端，通过波分复用器5、第二光纤环形器，由第二光纤环形器9的3端口输出反射回的测量光，进入光电探测器11，光电探测器11探测相位测距信号，送入到数据采集与处理模块13。
由数据采集与处理模块13采集并处理双飞秒激光测距信号和相位测距信号，并显示绝对距离。双飞秒激光测距部分的非模糊量程受限于第一全光纤飞秒激光器1的重复频率，其重复频率为fr；而测量速度取决于第一全光纤飞秒激光器1与第二全光纤飞秒激光器2的重复频率差，其重复频率差为Δfr，则双飞秒测距部分的非模糊量程约为(cfr/2n)，测量速度为Δfr，c为光速，n为空气折射率；
则对任一距离，双飞秒测距部分得到距离为d1，精度一般为亚微米量级，d1的值小于(cfr/2n)；
半导体激光相位测距部分得到的距离为d2，精度一般为毫米量级；
对d2/(cfr/2n)向下取整得到整数N；
则最终绝对距离为:
Figure BDA0003372816460000051
即采用双飞秒激光测距技术与相位激光测距技术相结合的方式，实现大尺寸高精度绝对距离测量。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种全光纤大尺寸高精度飞秒激光绝对测距系统，其特征在于：双飞秒激光测距单元具有测量精度高、测量速度快的优点，相位激光测距单元具有远距离测量及测量光人眼可见的优点，采用双飞秒激光测距技术与相位激光测距技术相结合的方式，实现大尺寸高精度绝对距离测量。
2.如权利要求1所述的一种全光纤大尺寸高精度飞秒激光绝对测距系统，其特征在于：包括第一全光纤飞秒激光器、第二全光纤飞秒激光器、光纤分束器、第一光纤环形器、波分复用器、消色差光纤准直器、第一光纤合束器、第二光纤合束器、半导体激光器、第二光纤环形器、第一光电探测器、第二光电探测器以及数据采集与处理模块；
第一全光纤飞秒激光器、第二全光纤飞秒激光器，作用是发出双飞秒测距单元所用飞秒脉冲激光；第一全光纤飞秒激光器与第二全光纤飞秒激光器具有微小重频差，且第一全光纤飞秒激光器重频大于第二全光纤飞秒激光器，中心波长相同；所述微小重频差根据测量速度而定；
半导体激光器，作用是发出相位测距单元所用激光，半导体激光器输出的激光中心波长为人眼可见激光，并通过柱透镜或非球面耦合进光纤；
光纤分束器，作用是将第一全光纤飞秒激光器发出的飞秒脉冲激光分成两束，一束作为参考光，另一束作为测量光；
第一光纤环形器，为三端口环形器，作用是1端口输入飞秒测量光，2端口输出飞秒测量光，3端口输出返回的飞秒测量光；
波分复用器，作用是实现双飞秒测距测量光与相位测距测量光的合束与分束，波分复用器有三个工作端口；
消色差光纤准直器，作用是实现发射双飞秒测距测量光与相位测距测量光共路传输，并接收返回光，消色差光纤准直器的工作波段为第一全光纤飞秒激光器的中心波长与半导体激光器输出的激光中心波长；
第一光纤合束器，作用是将第一全光纤飞秒激光器发出的参考光与返回的测量光进行合束；
第二光纤合束器，作用是将第二全光纤飞秒激光器发出的飞秒脉冲激光与第一全光纤飞秒激光器发出的参考光、返回的测量光进行合束；
第二光纤环形器，为三端口环形器，作用是1端口输入相位测距测量光，2端口发射相位测距测量光，3端口输出返回的相位测距测量光；
第一光电探测器，作用是探测双飞米激光测距信号，进行光电转换；
第二光电探测器，作用是探测相位测距信号，进行光电转换；
数据采集与处理模块，作用是对测距信号进行采集与处理，并显示测量距离。
3.如权利要求2所述的一种全光纤大尺寸高精度飞秒激光绝对测距系统，其特征在于：
第一全光纤飞秒激光器与第二全光纤飞秒激光器，中心波长都为1560nm；
半导体激光器输出的激光中心波长为635nm，并通过柱透镜或非球面耦合进光纤；
波分复用器三个工作端口分别为1560nm端、635nm端、公共端；
消色差光纤准直器的工作波段为1560nm与635nm。
4.如权利要求2或3所述的一种全光纤大尺寸高精度飞秒激光绝对测距系统，其特征在于：工作方法为，
第一全光纤飞秒激光器发出飞秒脉冲激光，进入光纤分束器，光纤分束器将该飞秒脉冲激光分成两束，一束作为作为参考光，另一束作为测量光，该测量光进入第一光纤环形器的1端口，由第一光纤环形器的2端口出射，输入到波分复用器的1560nm端口，由波分复用器的公共端输出到消色差光纤准直器，由消色差光纤准直器输出的光照射到测量目标，经测量目标反射的测量光，被消色差光纤准直器接收并返回到波分复用器的公共端，通过波分复用器、第一光纤环形器，由第一光纤环形器的3端口输出反射回的测量光，该测量光与参考光经第一光纤合束器合束输出，第二全光纤飞秒激光器发出中心波长为1560nm的飞秒脉冲激光，作为扫描光，其重复频率略小于第一全光纤飞秒激光器的重复频率，第一光纤合束器合束输出的参考光与测量光，与第二全光纤飞秒激光器发出的扫描光，经第二光纤合束器合束，输出到光电探测器，光电探测器探测双飞秒激光测距信号，送入到数据采集与处理模块；
半导体激光器发出中心波长为635nm的可见连续激光，输入到第二光纤环形器的1端口，由第二光纤环形器的2端口出射，输入到波分复用器的635nm端口，由波分复用器的公共端输出到消色差光纤准直器，由消色差光纤准直器输出的光照射到测量目标，经测量目标反射的测量光，被消色差光纤准直器接收并返回到波分复用器的公共端，通过波分复用器、第二光纤环形器，由第二光纤环形器的3端口输出反射回的测量光，进入光电探测器，光电探测器探测相位测距信号，送入到数据采集与处理模块；
由数据采集与处理模块采集并处理双飞秒激光测距信号和相位测距信号，并显示绝对距离；双飞秒激光测距部分的非模糊量程受限于第一全光纤飞秒激光器的重复频率，当第一全光纤飞秒激光器的重复频率为fr；而测量速度取决于第一全光纤飞秒激光器与第二全光纤飞秒激光器的重复频率差，所述重复频率差为Δfr，则双飞秒测距部分的非模糊量程约为(cfr/2n)，测量速度为Δfr，c为光速，n为空气折射率；
则对任一距离，双飞秒测距部分得到距离为d1，精度一般为亚微米量级，d1的值小于(cfr/2n)；
半导体激光相位测距部分得到的距离为d2，精度一般为毫米量级；
对d2/(cfr/2n)向下取整得到整数N；
则最终绝对距离为:
Figure FDA0003372816450000031
即采用双飞秒激光测距技术与相位激光测距技术相结合的方式，实现大尺寸高精度绝对距离测量。
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