CN115220053A - 具有较长的非模糊范围的双光梳测距装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种距离测量装置，使用两个具有强度调制的光频梳来测量距离，具有高精度和高数据采集率，没有任何移动部件，也没有基于两个光频梳的传统测距所固有的长度模糊性。该距离测量装置采用调制信号进行直接的飞行时间距离测量，该调制信号具有与两个光频梳重复频率差值相同的重复频率，因此不仅避免了给定的长度模糊性，而且还拥有双光梳方法的更高精度。

Description

具有较长的非模糊范围的双光梳测距装置和方法
技术领域
本发明涉及测量系统，更具体地，涉及一种测距装置，该测距装置利用两个调制的光频梳去测量距离。该测距装置具有高精度和高数据采集率的优点，且没有任何移动部件，并且具有不再由两个光频梳的重复频率确定，而是由调制频率确定的长度模糊性。
背景技术
现有的测距技术大多基于飞行时间测量，即将激光发射到目标并测量其飞行时间。图1为飞行时间测量的原理图。图1中，具有强度调制轮廓(profile)的激光被传输到目标和参考。检测来自目标和参考的反射信号。检测到的来自目标和参考的反射信号的强度分布的时间偏移反映了飞行时间的差异。由于到参考的距离Lref是已知的，因此可以基于检测到的来自目标的反射信号和来自参考的反射信号的强度分布的时间偏移来确定到目标的距离L。这里，最小长度分辨率由光电检测器的时间分辨率(几ps)给出决定，对应于mm级的最小长度分辨率。在这种测量中，需要快速光电检测器。然而，这些快速光电检测器缺乏许多高精度测距应用所需的分辨率。
确定物体绝对距离的系统和方法在大型建筑、远程工程、空间和军事行动等应用中非常重要。特别是，基于双光梳的测距一直是科学和工程领域的热门话题(Coddington，Swann，Nenadovic，和Newbury，2009年)。与现有的飞行时间技术相比，双光梳测距方法的精度与frep,2/Δfrep成比例。这里，frep,2是用于距离测量的光频梳的重复频率，Δfrep是两个光频梳的重复频率(frep,1,frep,2)的差值。
在双光梳测距方法中，一个光频梳被发射到目标和参考，目标和参考的反射信号与另一个光频梳合束。两者的跳动产生两个移位的干涉图，一个目标干涉图和一个参考干涉图。图2示出了双光梳测距的原理和两个干涉图的产生过程。如图2所示，光频梳comb-1具有重复频率frep,1，光频梳comb-2具有重复频率frep,2，Δfrep是光频梳comb-1和comb-2的重复频率的差值。由于重复频率的差异，两个光频梳的脉冲会互相移动，直到时间T＝1/Δfrep，两个光频梳的脉冲再次重合。两个光频梳的空间重叠表现为光学拍频，可以通过光电检测器测量为干涉图。如果使用光频梳comb-1进行采样，使用光频梳comb-2进行测量，则目标干涉图和参考干涉图之间的时间差可用于非常精确的距离测量。
然而，这种高精度是以使用两相稳定频率梳为代价的，并导致测量中的模糊范围。如图3所示，在单次测量中，只有长度达到c/frep,2的长度才能被明确测量。如图3所示，测量信号2从测量信号1向后移动正好一个重复周期，测量信号3从测量信号1向前移动正好一个重复周期。因此，三个不同的测量信号将产生相同的结果。因此，只有长度达到c/frep,2才能在单次测量中被明确测量。
标准距离测量方法，例如零差法或外差法，基于连续波长(CW)激光，通过累积干涉相位进行评估，以实现高精度(Bobroff，1993)。这些方法需要连续监测干涉相位；任何干扰都会使这些方法毫无用处。
此外，还有基于光频梳的测量方法。在测距应用中使用两个光频梳以提高测量精度的想法并不新鲜。然而，由于实验的复杂性和环境稳定的光频梳的可用性，实际应用大多受到阻碍(Newbury，2011年)。前几年在这个领域已经做了大量的工作(Lee等人，2013年；Li等人，2020年；Lin等人，2017年；T.-A.Liu、Newbury和Coddington，2011年；Shi等人，2018年；Wu等人，2018年；Hongyuan Zhang,Wei，Wu，Yang，和Li，2014a，2014b；Zhou，Xiong，Zhu，和Wu，2019年；Zhu，Ni，Zhou，和Wu；2019年)。常见的挑战仍然是上述的模糊范围，强制进行两个独立的测量(游标效应)和/或在大多数情况下，必须提供两个相位稳定的激光器和/或依靠高反射目标提供大量的反射光子来测量弱边带或通过二次谐波生成来产生测量信号。
因此，鉴于上述挑战，长期以来一直需要一种距离测量系统和方法，它使用两个光频梳来测量距离(达几百公里)，具有高精度(几十微米)和高数据采集率(大于100Hz)，没有任何移动部件，并改善了基于两个光频梳的传统测距所固有的模糊范围。
发明内容
为了解决上述问题，一个实施例提议使用单腔双光梳(Fellinger等人，2019年)，以避免在两个单独的光频梳之间需要相位稳定的链路。此外，单腔双光梳的脉冲序列包括由腔内脉冲碰撞引起的调制信号。该调制信号的重复频率为Δfrep，与两个光频梳之间的重复频率的差值相同。一个实施例使用该调制信号来进行直接的飞行时间长度测量，从而在拥有双光梳方法的更高精度的同时，避免具有给定的模糊范围。
本发明的一个实施例使得能够以潜在的低成本、高精度和高重复频率进行测量，这是由于所需的主动稳定度最小。对于汽车传感器，初步结果表明，一个实施例可以测量0.02m/s的速度差异，200Hz对应于每5毫秒测量一次。可以预期，一些实施例可以操作各种波长，最显著的是对人眼安全的大约1.5μm的波长。根据本发明的各种实施例的系统的性能可以很容易地通过优化一些系统操作参数而得到改善。
本发明的一个实施例提供了一种距离测量装置，包括：一个或多个激光源，被配置为产生双光梳脉冲串，所述双光梳脉冲串包括具有第一重复频率的第一光频梳和具有第二重复频率的第二光频梳，所述第二重复频率与第一重复频率不同，并且单个脉冲串的强度由调制信号调制，该调制信号具有等于所述第一重复频率和所述第二重复频率之差的调制频率；光学元件，被配置为将所述第二光频梳传输到目标和参考，并接收来自所述目标的反射目标信号和来自所述参考的反射参考信号；一个或多个检测器，被配置为检测由所述第一光频梳采样的反射目标信号以创建目标干涉图，检测由所述第一光频梳采样的反射参考信号以创建参考干涉图，及检测反射目标信号和反射参考信号；以及处理器，被配置为基于反射目标信号的强度调制和反射参考信号的强度调制之间的时间差来确定所述目标和参考之间的飞行时间，并且基于检测到的目标干涉图和参考干涉图之间的时间差以及基于确定的飞行时间来确定所述目标和参考之间的距离。
本发明的一个实施例提供了一种距离测量方法，包括：产生双光梳脉冲串，所述双光梳脉冲串包括具有第一重复频率的第一光频梳和具有第二重复频率的第二光频梳，所述第二重复频率与所述第一重复频率不同，并且单个脉冲串的强度由调制信号调制，该调制信号具有等于所述第一重复频率和所述第二重复频率之差的调制频率；将所述第二光频梳传输到目标和参考；接收来自所述目标的反射目标信号和来自所述参考的反射参考信号；通过所述第一光频梳对反射目标信号进行采样以创建目标干涉图；通过所述第一光频梳对反射参考信号进行采样以创建参考干涉图；基于反射目标信号的强度调制和反射参考信号的强度调制之间的时间差确定所述目标和参考之间的飞行时间；以及基于所述目标干涉图和所述参考干涉图之间的时间差以及基于确定的飞行时间来确定所述目标和参考之间的距离。
附图说明
图1示出了飞行时间测量的原理。
图2示出了双光梳测距的原理和干涉图的生成过程。
图3示出了双光梳测距方法中测量的长度模糊性。
图4示出了单腔双光梳激光源的示意图。
图5示出了对两个激光源产生的两个光频梳的强度调制。
图6示出了根据本发明一实施例的双光梳测距系统的示意图。
图7示出了根据本发明一实施例的双光梳测距系统获得的长度测量信号。
具体实施方式
根据本发明原理的说明性实施例的描述旨在结合附图阅读，附图被视为整个书面描述的一部分。在本文所公开的发明实施例的描述中，任何对方向或定向的提及只是为了描述的方便，而不是以任何方式限制本发明的范围。诸如“下方”、“上方”、“水平的”、“垂直的”、“在……之上”、“在……之下”、“向上”、“向下”、“顶部”和“底部”等相对术语以及它们的派生词(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)应被解释为指当时所描述的或在所讨论的图中所示的定向。这些相关术语仅为便于描述，除非明确指出，否则不要求装置以特定定向构造或操作。诸如“附着”、“附接”、“连接”、“耦接”、“互连”等术语是指通过中间结构直接或间接地将结构固定或连接在一起的关系，以及可移动或刚性的连接或关系，除非另有明确说明。此外，本发明的特征和优点通过参考示例性实施例来说明。因此，本发明不应明确地限于这样的示例性实施例，这些示例性实施例说明了可能单独存在或以其它特征组合存在的一些可能的非限制性特征组合；本发明的范围由本文所附的权利要求定义。
本公开描述了目前设想的实施本发明的最佳模式。该描述并非旨在以限制性的意义来理解，而是提供了本发明的示例，其通过参考附图仅出于说明性目的而提出，以向本领域的普通技术人员建议本发明的优点和构造。在附图的各种视图中，相似的附图标记表示相似或相似的部分。
本发明的一个实施例提供了组合飞行时间测量和基于单个激光源的经典双光梳距离测量的优点。在一个实施例中，双光梳基于单腔光源。调制是由两个光频梳的腔内脉冲碰撞产生的。单腔方法具有消除共模噪声的优点；因此，两个光频梳之间不需要相位锁定。飞行时间测量和双光梳测量的独特组合使得非模糊长度测量范围可达c/Δfrep，测量速度在毫秒范围内。
图4示出了一个示例性实施例，示例地，单腔双色激光器用作双光梳光源。应当理解，双光梳光源还可以有多种，例如，基于偏振复用、双向激光操作、双波长操作或通过双折射来分支光路的单腔双光梳激光器。
在另一个实施例中，双光梳基于两个激光源，每个激光源产生一个光频梳，并且强度调制是通过在非线性介质中重叠来自两个光频梳的脉冲产生的，非线性介质例如包括光纤波导、半导体波导、光学晶体、玻璃、非线性表面或其他交叉相位调制装置。图5示出了一个示例性实施例，示例地，两个单独的激光器用作双光梳光源。例如，在交叉相位调制介质或装置中，当两个光频梳相互作用时，就会发生强度调制。
其他没有这种调制信号的双光梳测距方法是依靠游标效应来增加非模糊范围。为了解决长度测量中的模糊性，这些方法需要切换信号和参考路径的作用，这会增加测量时间并引入移动部件(Coddington等人，2009年)，或者需要引入额外的(依赖于功率和耗电的)非线性光学器件来实现同时测量(H Zhang、Wu、Wei和Li，2015年)。这会增加测量时间或(和)引入移动部件。
一种高精度测距方法依赖于使用单个光频梳和电光调制器(Electro-opticalmodulator，EOM)(Li等人，2020)。该方法测量精度高、距离远，但依赖于弱边带的测量，对目标的反射率要求较高。这可能使其不适合在实验室环境之外使用。
根据一个实施例，前述的单腔双光梳激光器用于执行飞行时间测量和双光梳测距。配置单腔双光梳激光器以产生并输出双光梳脉冲串。双光梳脉冲串包括具有第一重复频率(frep,1)的第一光频梳和具有第二重复频率(frep,2)的第二光频梳。当以双光梳模式运行时，该单腔双光梳激光器产生两个相互相干的光频梳和一个周期性出现的调制信号，该调制信号的频率为Δfrep。
根据一个实施例的改进技术是使用两个光频梳，如图6所示。图6示出了基于两个相位稳定的光频梳的双光梳测距的工作原理。光频梳1用于对光频梳2进行采样，并为光电检测器1(PD1)提供参考。光电检测器2(PD2)提供实际测量信号。时间延迟Δtc用于粗略的长度测量，干涉图之间的时间延迟Δti用于精确的双光梳测距。
这里，一个光频梳(图6中的光频梳1)用于对另一个光频梳(图6中的光频梳2)进行采样。光频梳2用于测量距离L。与现有的飞行时间技术相比，双光梳测距方法的精度与frep/Δfrep成比例，其中frep是用于实际测距的光频梳的重复频率(图6中的frep,2)，Δfrep是光频梳1和光频梳2之间的重复频率之差。这种高精度对应于测量中的长度模糊性。只有长度达到c/frep,2才能被明确测量。
在图6所示的示例性实施例中，第一光频梳101和第二光频梳102由一个或多个光学元件(未示出)在空间上分离，并且每个光频梳通过相应的偏振分束器(PBS)103、104。在PBS 103之后，第一光频梳101被反射镜106反射到分束器108，然后到光电检测器113。第一光频梳用于对返回的目标信号进行采样以生成目标干涉图，并用于对返回的参考信号进行采样以生成参考干涉图。
在PBS 104之后，第二光频梳102通过分束器107，然后通过PBS 108。然后，第二光频梳102被传输到参考109和目标110。四分之一波片112被插入到目标的路径中。请注意，图6说明了如何在实验设置中扩展目标距离。
参考和目标反射的信号被PBS 108反射到光电检测器113中，并与第一光频梳合束，产生目标干涉图和参考干涉图。目标反射的信号一部分被分束器105反射到光电检测器114中，并且来自参考的部分反射信号被分束器107反射到光电检测器115中。校准光电检测器114和115以考虑到参考臂的路径长度的微小差异。例如，可以通过向两个光电检测器发送参考光束来轻松实现校准。如示波器输出116所示，飞行时间Δttof可以从来自目标和参考的反射信号的强度分布之间的时间偏移获得。请注意，基于目标信号的强度调制和参考信号的强度调制之间的时间差的飞行时间提供了大于c/frep的非模糊测量范围，在本例中，非模糊测量范围是c/Δfrep。如示波器输出117所示，可以基于参考干涉图和信号干涉图之间的时间差，以及由强度调制的飞行时间测量确定的非模糊测量范围，来准确地获得目标距离。请注意，图6中所示的光学元件及其布置只是一种示例实现方式。可以预期，技术人员可以使用具有相同、更多、更少和/或不同光学元件的替代布置来修改图6所示的布置，以用于传送光信号，而不偏离本发明实施例的工作原理。
示例性测量见图7。调制信号的时延Δtc用于粗略的长度计算，干涉图之间的时延Δti用于精确的双光梳测距。测量显示1/Δfrep的完整扫描，对应于最小测量时间。
两个调制信号之间的时间延迟Δtc用于以较低分辨率来测量距离，参考干涉图和目标干涉图之间的时间延迟Δti给出了高精度的长度测量。
根据一个实施例，两个光频梳用于高精度测距(分辨率为100μm或更高)，并且用于飞行时间测量的频率为Δfrep的调制信号用于将非模糊范围增加到c/Δfrep。在本实施例中，c/Δfrep大约为几百公里。根据实施例的方法是独特的，因为它提供双光梳测距的高精度并且不依赖于两个单独的测量(Coddington等人，2009年)，它不依赖于大量的返回功率(Li et等人,2020年)并且不需要两个单独的光源来生成光频梳。
本发明的实施例与现有系统相比具有许多优点。例如，与现有系统中的米级相比，非模糊范围增加到大于100km；它仅使用一个稳定性很小的单个激光器(frep,1需要稳定或连续测量)，而不是两个相互相位稳定(锁定)的光频梳；它可以与其他单腔双光梳方法相结合，例如生产双光梳MIXEL的成本可能较低(Link，Maas，Waldburger和Keller，2017年)；并且它不需要许多反射光子返回传感器，在我们的实验中，μW级的反射功率就足够了。
根据本发明的实施例，具有调制周期＝1/Δfrep的的中等重复频率稳定性的自由运行或稳定的双光频梳有多种实现方式，并且强度调制用于飞行时间(TOF)测距，然后将双光梳用于高精度测距(DC测距)。可能的实现包括：EO梳、具有周期模式结构的微谐振器、锁模光纤激光器、固体锁模激光器、半导体锁模激光器，强度调制可通过在非线性介质(如光波导(光纤或半导体)、光学晶体、玻璃、非线性表面)中重叠来自两个光频梳的脉冲产生的，强度调制可通过有源光学设备(如EOM或声光调制器AOM(Acousto-optic modulator))产生，强度调制可以是双侧的，也可以是单侧的。在一个实施例中，强度调制信号是周期性的。周期性强度调制可用于跟踪Δfrep和校准双光梳测距。
请注意，上述的单腔双光梳可以用腔内无源强度调制(如通过腔内的非线性效应)来实现，也可以用腔内有源调制(如通过EOM、AOM或其他类似的调制器)强度调制来实现，频率为Δfrep。
虽然本发明已经用一定的篇幅和一些特殊性描述了几个实施例，但是本发明并不限于任何这样的细节或实施例或任何特定的实施例，而是应参考所附权利要求来解释，以便提供最广泛的根据现有技术对这些权利要求的可能解释，因此，有效地包括本发明的预期范围。此外，前述内容根据发明人所预见的实施例描述了本发明，尽管目前尚未预见到的对本发明的非实质性修改仍然可以表示其等同形式。
参考文献
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Claims (10)

1.一种距离测量装置，包括：
一个或多个激光源，被配置为产生双光梳脉冲串，所述双光梳脉冲串包括具有第一重复频率的第一光频梳和具有第二重复频率的第二光频梳，所述第二重复频率与所述第一重复频率不同，并且单个脉冲串的强度由调制信号调制，该调制信号具有等于所述第一重复频率和所述第二重复频率之差的调制频率；
光学元件，被配置为将所述第二光频梳传输到目标和参考，并接收来自所述目标的反射目标信号和来自所述参考的反射参考信号；
一个或多个检测器，被配置为检测由所述第一光频梳采样的反射目标信号以创建目标干涉图，检测由所述第一光频梳采样的反射参考信号以创建参考干涉图，及检测反射目标信号和反射参考信号；以及
处理器，被配置为基于反射目标信号的强度调制和反射参考信号的强度调制之间的时间差来确定所述目标和所述参考之间的飞行时间，并且基于检测到的所述目标干涉图和所述参考干涉图之间的时间差以及基于确定的飞行时间来确定所述目标和所述参考之间的距离。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述一个或多个激光源被配置为通过电光相位调制产生所述双光梳。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述一个或多个激光源包括具有周期模式结构的微谐振器。
4.根据权利要求1所述的装置，还包括：其中所述一个或多个激光源包括锁模光纤激光器、固体锁模激光器或半导体锁模激光器。
5.根据权利要求1所述的装置，所述强度调制是通过在非线性介质中重叠来自两个光频梳的脉冲产生的，所述非线性介质选自包括光纤波导、半导体波导、光学晶体、玻璃或非线性表面的组。
6.根据权利要求1所述的装置，所述强度调制由有源光学装置产生，所述有源光学装置是电光调制器或声光调制器。
7.根据权利要求1所述的装置，所述强度调制是双侧的或单侧的。
8.根据权利要求1所述的装置，所述强度调制是周期性的，并且周期性的强度调制用于跟踪所述第一重复频率和所述第二重复频率之间的差异并校准距离测量。
9.根据权利要求1所述的装置，所述一个或多个激光源包括基于偏振复用、双向激光操作、双波长操作或通过双折射来分支光路的单腔双光梳激光器。
10.一种测距方法，包括：
产生双光梳脉冲串，所述双光梳脉冲串包括具有第一重复频率的第一光频梳和具有第二重复频率的第二光频梳，所述第二重复频率与所述第一重复频率不同，并且单个脉冲串的强度由调制信号调制，该调制信号具有等于所述第一重复频率和所述第二重复频率之差的调制频率；
将所述第二光频梳传输到目标和参考；
接收并引导来自所述目标的反射目标信号和来自所述参考的反射参考信号；
通过所述第一光频梳对反射目标信号进行采样以创建目标干涉图；
通过所述第一光频梳对反射参考信号进行采样以创建参考干涉图；
基于反射目标信号的强度调制和反射参考信号的强度调制之间的时间差确定所述目标和所述参考之间的飞行时间；以及
基于所述目标干涉图和所述参考干涉图之间的时间差以及基于确定的飞行时间来确定所述目标和参考之间的距离。
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