CN115201842A - 一种光频梳色散干涉多路并行绝对测距系统及方法 - Google Patents

一种光频梳色散干涉多路并行绝对测距系统及方法 Download PDF

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CN115201842A CN202210830674.9A CN202210830674A CN115201842A CN 115201842 A CN115201842 A CN 115201842A CN 202210830674 A CN202210830674 A CN 202210830674A CN 115201842 A CN115201842 A CN 115201842A
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杨凌辉
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Abstract

本发明公开一种光频梳色散干涉多路并行绝对测距系统及方法，包括飞秒光频梳、光纤环形器、光纤分束器、第一多通道光纤波分复用器、光谱仪、光纤后向反射模块、多个测距模块和数据采集模块；所述飞秒光频梳为高重频光频梳，确保数据采集模块内的光谱仪能采集到单根梳齿的干涉信号；由所述飞秒光频梳输出的飞秒脉冲光经所述光纤环形器后由光纤分束器一分为二，一路光直接射向光纤后向反射模块作为参考光，另一路光射向所述第一多通道光纤波分复用器，光源被分割为多通道子光源，各通道测量光束分别经测距模块后分别与参考光在环形器处发生干涉，传输至数据采集模块进行数据采集和处理以及实时显示。

Description

一种光频梳色散干涉多路并行绝对测距系统及方法
技术领域
本发明属于激光几何量测量技术领域，具体涉及一种光频梳色散干涉多路并行绝对测距系统及方法。
背景技术
长度作为七个基本物理单位之一，是科学研究和工业应用的先导和基础，直接影响着先进装备制造、空天探测技术、引力波探测等前沿领域的发展。随着科学技术和工业应用发展，在诸多测量场景下，单路测距已经无法满足对多维几何量测量的需求，例如：三维空间定位(需至少四路测距)、大型零部件位姿测量(需至少六路测距)、粒子加速器形变监测(几十路、上百路测距)等。为实现多路测距，现有测距方法例如：单频激光干涉测距、强度调制连续波测距、光频扫描干涉测距，均需在单路测距系统基础上，成倍添加光学器件和探测器进行多通道拓展，这使得系统整体结构复杂，成本成倍增长，光路结构调整难度大，多套系统的稳定性、精度难以保证。因此考虑采用复用技术进行测距，由同一个解调系统来对多路测距信息进行统一处理，用于简化系统的复杂程度、且能够保证测量精度和可靠性。
CN113805189A公开一种多轴全光纤双光梳大尺寸绝对测距系统，利用光开关将一路测距扩展为多路测距，但分时测量的方式同步性较差。CN112394338A公开了一种基于片上孤子频梳的无机械扫描的激光扫描装置及方法，利用孤子光梳单根梳齿作为光源，基于光频扫描干涉原理进行多通道并行绝对测距，但测量原理和本专利所述测距原理有着本质的区别，且极大的依赖孤子光梳这一特殊光源。CN105445749A公开了一种基于波长分割的多脉冲激光测距系统和方法，利用波长分割器和波长解复用器实现多脉冲测距，测距原理属于脉冲飞行时间激光测距，测距精度较低，难以应用到工业测量场景。
因此，需要一种系统结构简单、灵活、易拓展的多通道并行高精度绝对测距系统及方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种光频梳色散干涉多路并行绝对测距系统及方法，本发明利用飞秒光频梳的离散、宽光谱频域特性，配合多通道光纤波分复用器，将光源分割为不同光谱范围的多个子光源，各测量通道可共同与起始全带宽参考光谱干涉，并由单个光谱仪进行接收，最终单光源、单探测器，实现多通道并行的高精度绝对测距。
一种光频梳色散干涉多路并行绝对测距系统，包括：飞秒光频梳、光纤环形器、光纤分束器、第一多通道光纤波分复用器、光谱仪、光纤后向反射模块、多个测距模块和数据采集模块；
所述飞秒光频梳为高重频光频梳，使数据采集模块中的光谱仪能采集到单根梳齿的干涉信号；
所述飞秒光频梳的输出端连接所述光纤环形器的输入端，所述光纤环形器一端口输出飞秒测量光至光纤分束器的输入端，另一端口输出返回的飞秒测量光至所述数据采集模块；所述光纤分束器的一路输出端连接所述光纤后向反射模块作为参考光，另一路输出端连接第一多通道光纤波分复用器的输入端，所述第一多通道光纤波分复用器的多个输出端分别连接对应的测距模块；
所述测距模块，包括光纤准直器、目标角锥镜和环境参数传感器；所述光纤准直器的输入端分别连接所述第一多通道光纤波分复用器的输出端，光纤准直器的输出端指向目标角锥镜；所述环境参数传感器设置在测量光所经过的路径；
所述数据采集模块包括光谱仪和计算机，用于采集所述测距模块获取的测量信号并根据预先编写的程序解算各测量通道的绝对距离和实时显示；
由所述飞秒光频梳输出的飞秒脉冲光经所述光纤环形器后由光纤分束器一分为二，一路光直接射向光纤后向反射模块作为参考光，另一路光射向所述第一多通道光纤波分复用器，在所述波分复用器的光谱分割作用下，光源被分割为对应不同光谱带宽的多通道子光源，各通道测量光束分别经光纤准直器后各自射向自由空间的目标角锥镜，各路测量光束经目标角锥镜反射后原路返回，多路测量光束分别与参考光在光纤环形器处发生干涉，传输至数据采集模块进行数据采集和处理以及实时显示。
进一步的，所述数据采集模块的数据采集和处理以及实时显示过程如下：
使用光谱仪采集自光纤环形器输出的干涉信号，获取的光谱干涉图样按照各通道光谱带宽进行数据分割，使用光谱干涉方法对所述光谱仪采集的干涉信号进行傅里叶变换、峰值提取后，获得各测量通道的绝对距离，并在计算机上进行实时显示，其中所述绝对距离是指光纤准直器至目标角锥镜的距离。
进一步的，所述光纤后向反射模块为一个光纤后向反射器用于产生一个参考光，各路测量光束经目标角锥镜反射后原路返回，多路测量光束分别与同一参考光在光纤环形器处发生干涉。
进一步的，所述光纤后向反射模块包括一个第二多通道光纤波分复用器和多个光纤后向反射器，所述光纤分束器的一路光射向一第二多通道光纤波分复用器，在所述第二多通道波分复用器的光谱分割作用下，光源被分割为多通道子光源，各通道子光源作为参考光束分别抵达各自的光纤后向反射器产生多个参考光；各路测量光束经目标角锥镜反射后原路返回，多路测量光束分别与各自的参考光在光纤环形器处发生干涉；其中所述光纤后向反射器的数量与所述第一多通道光纤波分复用器的通道数量相同。
进一步的，光谱仪的单像元获取所述飞秒光频梳的单根梳齿，并实施单波长条纹计数测距，因此最终数据处理获得的绝对距离测量结果溯源至单波长精度。
进一步的，所述第一多通道光纤波分复用器工作带宽与所述飞秒光频梳光源光谱对应，通道数量和各通道光谱宽度可根据实际需求进行调整，且其通道数量与所述测距模块数量相同。
进一步的，所述光栅光谱仪由衍射光栅和线阵CCD组成。
进一步的，所述飞秒光频梳光源选自克尔微腔光频梳或电光调制光频梳。
进一步的，所述环境参数传感器用于获取测量路径中的温度、压强、相对湿度和二氧化碳浓度，用于对大气折射率进行补偿。
一种基于光频梳频分复用色散干涉的多路并行绝对测距系统的测距方法，具体包括以下步骤：
步骤一：由飞秒光频梳发射的超短脉冲序列依次经光纤环形器、光纤分束器后一分为二，一部分射入光纤后向反射镜作为参考光束，一部分射入第一多通道光纤波分复用器作为测量光束；
步骤二：经所述第一多通道光纤波分复用器的光束，按照所述第一多通道波分复用器带宽宽度和数量，分割为多个测距通道，经光纤准直器后射向空间中的目标角锥镜；
步骤三：多路测距光束经各自目标角锥镜反射后，与同一参考光在光纤分束器位置重合并发生干涉形成干涉信号，因参考臂具备全带宽光谱，各测量通道光将会与同一参考光同时发生干涉，但各测量光因光谱带宽互相分离，不会发生干涉；
步骤四：干涉信号经所述光纤环形器传输至光谱仪并由其采样，按照波分复用器带宽对采集到的光谱信号进行分割，并由计算机进行数据处理，经傅里叶变换，确定各干涉峰位置进行峰值提取，进而实现各测量通道的绝对距离解算。
进一步，所述步骤三中的干涉信号可表示为：
Figure BDA0003748196040000031
其中，v为光频梳纵模频率，R为各测量通道的反射系数，S(v)为各测量通道的光源功率谱密度，i＝1…N表示波分复用器的通道数量，τ＝2nL/c表示各测量通道相对参考通道的脉冲延时，L为待测距离，n和c分别表示空气折射率和光速。
进一步，所述步骤四中干涉信号傅里叶变换结果表示为：
Figure BDA0003748196040000032
其中，G(t)为S(v)的傅里叶变换结果，
Figure BDA0003748196040000033
和δ(t)分别表示卷积函数和脉冲函数；各测量通道测距原理相同，通过获取正半轴干涉峰信号的峰值位置来解算绝对距离，表示为：
Figure BDA0003748196040000041
其中，Lpp＝c/(frepng)表示光频梳脉冲序列中的脉冲间距，由光频梳重频frep确定；ng表示空气的群折射率；m表示测量脉冲与参考脉冲之间的序数差。
本发明有益效果在于：
使用高重频光频梳作为探测光源，确保进行色散干涉时，光频梳重频与光谱仪采样光频匹配，可实现无测量盲区绝对测距；
借助光纤波分复用器来对光频梳的宽光谱进行分割，分割后的各子光谱可作为新的光源进行绝对测距，并且多路测量信号可与同一参考光进行干涉，多路干涉信号由单光谱仪进行接收，极大的简化了多路测距系统的结构，便于仪器化；
本发明的结构简单，使用单光源、单探测器，便可实现快速、高精度，多路并行绝对测距。
附图说明
图1为本发明实施例1中的光频梳色散干涉多路并行绝对测距系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中的多路并行绝对测距系统采集到的多通道色散干涉图样示意图；
图3为本发明实施例2的光频梳色散干涉多路并行绝对测距系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述，所描述的具体的实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
实施例1
如图1所示，一种光频梳色散干涉多路并行绝对测距系统，包括：飞秒光频梳，所述飞秒光频梳的输出端连接一光纤环形器，所述光纤环形器为三端口环形器，一端口输入飞秒测量光，一端口输出飞秒测量光至光纤分束器的输入端，第三端口输出返回的飞秒测量光至所述光谱仪，所述光谱仪连接一计算机；所述光纤分束器的一路输出端连接一光纤后向反射器，另一路输出端连接第一多通道光纤波分复用器的输入端，所述第一多通道光纤波分复用器的多个输出端分别连接对应的光纤准直器的输入端，各光纤准直器的输出端指向目标角锥镜。
所述飞秒光频梳，作为光源用于产生飞秒脉冲激光；其具有较宽的光谱范围和较高的重复频率，例如：克尔微腔光频梳、电光调制光频梳，重复频率应达到几十GHz，确保使用普通的光栅光谱仪进行采样时，光谱仪的单像元能采集到单根梳齿的干涉信号；光源有效带宽至少达到几个THz。
所述光纤分束器为50:50分束器，用于将经过环形器的光信号一分为二；所述第一多通道光纤波分复用器用于将光源光谱分割为多通道子光源。
所述光栅光谱仪为简单的光栅光谱仪，由衍射光栅和线阵CCD组成，其高速的干涉图样采集速度保证了各通道测距的动态性能和精度。所述衍射光栅用于将多频率复合的单光束分离为按不同频率依次展开的多光束，线阵CCD将采集的数据传输至计算机。
测量光所经过的路径布设环境参数传感器，用于测量温度、湿度、气压来修正大气折射率，经目标角锥镜反射后的多通道测量光与同一参考光共同干涉，干涉信号经光纤环形器后由光谱仪进行接收和采样，采集到的多路测距干涉信号，配合环境参数最终由数据处理模块进行距离解算和实时显示。
由所述飞秒光频梳输出的飞秒脉冲光经所述光纤环形器后由光纤分束器一分为二，一路光直接射向光纤后向反射器作为参考光，另一路光射向一第一多通道光纤波分复用器，在所述波分复用器的光谱分割作用下，起始光源被分割为对应不同光谱带宽的三通道子光源，各通道测量光束分别经光纤准直器后各自射向自由空间的目标角锥镜，各路测量光束经目标角锥镜反射后原路返回，与参考光在光纤环形器处发生干涉，传输至光谱仪，干涉信号由所述光谱仪采集后传送至计算机进行数据处理。实际使用时，所述第一多通道光纤波分复用器工作带宽与所述飞秒光频梳光源光谱对应，通道数量和各通道光谱宽度可根据实际需求进行调整。
一种基于光频梳色散干涉多路并行绝对测距系统的测距方法，具体包括以下步骤：
步骤一：由飞秒光频梳发射的超短脉冲序列依次经光纤环形器、光纤分束器后一分为二，一部分射入光纤后向反射镜作为参考光束，一部分射入第一多通道光纤波分复用器作为测量光束；
步骤二：经所述第一多通道光纤波分复用器的光束，按照所述第一多通道波分复用器带宽宽度和数量，分割为多个测距通道，经光纤准直器后射向空间中的目标角锥镜；
步骤三：多路测距光束经各自目标角锥镜反射后，与同一参考光在光纤分束器位置重合并发生干涉形成干涉信号，因参考臂具备全带宽光谱，各测量通道光将会与同一参考光同时发生干涉，但各测量光因光谱带宽互相分离，不会发生干涉；
图1中(a)表示所述飞秒光频梳的起始光谱，这里光源光谱的形状默认为高斯型，在实际应用时，光谱形状任意，不受限制；(b)为经过光纤波分复用器分割后的三通道光谱，(c)则表示由光谱仪采集到的三测量通道的干涉信号，可表示为：
Figure BDA0003748196040000061
其中，v为光频梳纵模频率，R为各测量通道的反射系数，S(v)为各测量通道的光源功率谱密度，τ＝2nL/c表示各测量通道相对参考通道的脉冲延时，L为待测距离，n和c分别表示空气折射率和光速。
步骤四：干涉信号经所述光纤环形器传输至光谱仪并由其采样，按照波分复用器带宽对采集到的光谱信号进行分割，并由计算机进行数据处理。
所述计算机根据预先编写的程序解算各测量通道的绝对距离，各所述测量通道均由光纤准直器和目标角锥镜组成，所述绝对距离为由光纤准直器至目标角锥镜的距离。各测量通道测距原理相同，均基于色散干涉方法进行距离计算，即对各通道干涉信号进行傅里叶变换，可表示为：
Figure BDA0003748196040000062
其中，G(t)为S(v)的傅里叶变换结果，
Figure BDA0003748196040000063
和δ(t)分别表示卷积函数和脉冲函数。在傅里叶域共出现3个干涉峰，中括号内的第一项为位于原点的直流峰，第二项、第三项表示含有脉冲延时信息的干涉峰，获取傅里叶域下正半轴上干涉峰信号的峰值位置来解算绝对距离，可表示为：
Figure BDA0003748196040000064
其中，Lpp＝c/(frepng)表示光频梳脉冲序列中的脉冲间距，由光频梳重频frep确定；ng表示空气的群折射率；m表示测量脉冲与参考脉冲之间的序数差。
图2(a)为实际光谱仪采集到的三通道并行测距干涉信号图样，图2(b)-2(d)则为三通道干涉信号分别对应的傅里叶变换信号结果。因光谱干涉方法的测距精度可达到微米乃至亚微米，足以区分单波长干涉的非模糊周期，光频梳的单根梳齿又可由光谱仪的单像元获取，并可实施单波长条纹计数测距，因此最终测距结果可溯源至单波长精度。
为简化系统结构，本实施例提及的多通道并行测距系统，多测量通道共用同一参考臂，这种结构更加简单，使用单光源、单探测器、单参考臂，实现多通道并行的高精度绝对测距。
其实也可以各测量通道搭建各自的参考臂来进行多路测距，但系统会稍显复杂，本专利中并没有描述此种系统结构，但设计核心思想与本专利相同，均在本专利保护范围之内。
实施例2
实施例2的结构与实施例1结构类似，只是所述光纤后向反射模块有区别，以下只描述区别部分，相同部分不再赘述。实施例1使用单参考臂进行绝对测距，本实施例的各测量通道分别搭建各自的参考臂来进行多路测距。
如图3所示，所述光纤后向反射模块包括一个第二多通道光纤波分复用器和多个光纤后向反射器，光纤分束器的一路输出端连接所述第二多通道光纤波分复用器，所述第二多通道光纤波分复用器的多个输出端分别指向多个光纤后向反射器用于产生多路参考光。
由所述飞秒光频梳输出的飞秒脉冲光经所述光纤环形器后由光纤分束器一分为二，一路光直接射向第二多通道光纤波分复用器，在所述第二多通道波分复用器的光谱分割作用下，光源被分割为三通道子光源，各通道子光源作为参考光束分别抵达各自的光纤后向反射器产生三路参考光；光纤分束器的另一路光射向一第一多通道光纤波分复用器，在所述波分复用器的光谱分割作用下，起始光源被分割为对应不同光谱带宽的三通道子光源，各通道测量光束分别经光纤准直器后各自射向自由空间的目标角锥镜，各路测量光束经目标角锥镜反射后原路返回，多路测量光束分别与各自的参考光在光纤环形器处发生干涉，传输至光谱仪，干涉信号由所述光谱仪采集后传送至计算机进行数据处理。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，只要涉及利用光频梳色散干涉频分复用能力，并配合多角锥镜构成多长度测量方法，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光频梳色散干涉多路并行绝对测距系统，其特征在于，包括：飞秒光频梳、光纤环形器、光纤分束器、第一多通道光纤波分复用器、光谱仪、光纤后向反射模块、多个测距模块和数据采集模块；
所述飞秒光频梳为高重频光频梳，使数据采集模块内的光谱仪能采集到单根梳齿的干涉信号；
所述飞秒光频梳的输出端连接所述光纤环形器的输入端，所述光纤环形器一端口输出飞秒测量光至光纤分束器的输入端，另一端口输出返回的飞秒测量光至所述数据采集模块；所述光纤分束器的一路输出端连接所述光纤后向反射模块作为参考光，另一路输出端连接第一多通道光纤波分复用器的输入端，所述第一多通道光纤波分复用器的多个输出端分别连接对应的测距模块；
所述测距模块，包括光纤准直器、目标角锥镜和环境参数传感器；所述光纤准直器的输入端分别连接所述第一多通道光纤波分复用器的输出端，光纤准直器的输出端连接目标角锥镜；所述环境参数传感器设置在测量光所经过的路径；
所述数据采集模块包括光谱仪和计算机，用于采集所述测距模块获取的测量信号并根据预先编写的程序解算各测量通道的绝对距离和实时显示；
由所述飞秒光频梳输出的飞秒脉冲光经所述光纤环形器后由光纤分束器一分为二，一路光直接射向光纤后向反射模块作为参考光，另一路光射向所述第一多通道光纤波分复用器，在所述波分复用器的光谱分割作用下，光源被分割为对应不同光谱带宽的多通道子光源，各通道测量光束分别经光纤准直器后各自射向自由空间的目标角锥镜，各路测量光束经目标角锥镜反射后原路返回，多路测量光束分别与参考光在环形器处发生干涉，传输至数据采集模块进行数据采集和处理以及实时显示。
2.根据权利要求1所述的光频梳色散干涉多路并行绝对测距系统，其特征在于，所述数据采集模块的数据采集和处理以及实时显示过程如下：
使用光谱仪采集自环形器输出的干涉信号，获取的光谱干涉图样按照各通道光谱带宽进行数据分割，使用光谱干涉方法对所述光谱仪采集的干涉信号进行傅里叶变换、峰值提取后，获得各测量通道的绝对距离，并在计算机上进行实时显示，其中所述绝对距离是指光纤准直器至目标角锥镜的距离。
3.根据权利要求2所述的光频梳色散干涉多路并行绝对测距系统，其特征在于所述光谱仪的单像元获取所述飞秒光频梳的单根梳齿干涉信号，并实施单波长条纹计数测距，确保最终数据处理获得的绝对距离测量结果溯源至单波长精度。
4.根据权利要求2所述的光频梳色散干涉多路并行绝对测距系统，其特征在于，所述光纤后向反射模块为一个光纤后向反射器用于产生一个参考光，各路测量光束经目标角锥镜反射后原路返回，多路测量光束分别与同一参考光在光纤环形器处发生干涉。
5.根据权利要求2所述的光频梳色散干涉多路并行绝对测距系统，其特征在于，所述光纤后向反射模块包括一个第二多通道光纤波分复用器和多个光纤后向反射器，所述光纤分束器的一路光射向一第二多通道光纤波分复用器，在所述第二多通道波分复用器的光谱分割作用下，光源被分割为多通道子光源，各通道子光源作为参考光束分别抵达各自的光纤后向反射器产生多个参考光；各路测量光束经目标角锥镜反射后原路返回，多路测量光束分别与各自的参考光在光纤环形器处发生干涉；其中所述光纤后向反射器的数量与所述第一多通道光纤波分复用器的通道数量相同。
6.根据权利要求1所述的光频梳色散干涉多路并行绝对测距系统，其特征在于，所述第一多通道光纤波分复用器工作带宽与所述飞秒光频梳光源光谱对应，通道数量和各通道光谱宽度可根据实际需求进行调整，且其通道数量与所述测距模块数量相同。
7.根据权利要求1所述的光频梳色散干涉多路并行绝对测距系统，其特征在于，所述光栅光谱仪由衍射光栅和线阵CCD组成。
8.根据权利要求1所述的光频梳色散干涉多路并行绝对测距系统，其特征在于，所述飞秒光频梳光源选自克尔微腔光频梳或电光调制光频梳。
9.根据权利要求1所述的光频梳色散干涉多路并行绝对测距系统，其特征在于，所述环境参数传感器用于获取测量路径中的温度、压强、相对湿度和二氧化碳浓度，用于对大气折射率进行补偿。
10.利用如权利要求4所述光频梳色散干涉多路并行绝对测距系统的多路并行绝对测距方法，具体包括以下步骤：
步骤一：由飞秒光频梳发射的超短脉冲序列依次经光纤环形器、光纤分束器后一分为二，一部分射入光纤后向反射镜作为参考光束，一部分射入第一多通道光纤波分复用器作为测量光束；
步骤二：经所述第一多通道光纤波分复用器的光束，按照所述第一多通道波分复用器带宽宽度和数量，分割为多个测距通道，经光纤准直器后射向空间中的目标角锥镜；
步骤三：多路测距光束经各自目标角锥镜反射后，与同一参考光在光纤分束器位置重合并发生干涉形成干涉信号，因参考臂具备全带宽光谱，各测量通道光将会与同一参考光同时发生干涉，但各测量光因光谱带宽互相分离，不会发生干涉；
步骤四：干涉信号经所述光纤环形器传输至光谱仪并由其采样，按照波分复用器带宽对采集到的光谱信号进行分割，并由计算机进行数据处理，经傅里叶变换，确定各干涉峰位置进行峰值提取，进而实现各测量通道的绝对距离解算。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115657059A (zh) * 2022-12-26 2023-01-31 中国科学院西安光学精密机械研究所 一种天基空间碎片测距方法与系统
CN116047535A (zh) * 2022-12-30 2023-05-02 电子科技大学 基于色散傅里叶变换的双光学频率梳飞行时间法测距系统

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