CN209979850U - 基于oeo快速切换的大量程、高精度绝对距离测量仪器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于OEO快速切换的大量程、高精度绝对距离测量仪器，包括仪器内部延时模块和环路切换模块，所述仪器内部延时模块与环路切换模块之间通过光纤和电缆连接成一个双腔切换的光电振荡器结构。本实用新型有益效果：利用OEO将积累放大原理应用于大量程绝对距离长度的测量方案，可以进行大范围的绝对距离测量（km量级），可以达到很高的测量精度（mm量级）；操作简单易行，可广泛应用于工业测控，精密仪器制造等领域，此外由于本测距系统抗干扰能力强，隐蔽性好，在军事领域也有极好的应用前景。

Description

基于OEO快速切换的大量程、高精度绝对距离测量仪器

技术领域

本实用新型涉及光载微波测距系统，具体来说，涉及一种基于OEO快速切换的大量程、高精度绝对距离测量仪器。

背景技术

测量技术的发展是所有科学和技术发展的前提和基础，长度作为7个基础物理量之一，它和角度测量构成了所有几何量测量的基础，其发展决定了人类认识世界和改造世界的能力，也是衡量一个国家的测量技术水平的标志。

尽管目前采用激光干涉仪的办法已可以在几十米的范围内达到nm的测量精度，但是只能测量距离的相对变化(又称为相对距离测量)，这样就要求有一个比被测物体大的精密导轨，而这个导轨的测量和加工就是个问题，况且在很多场合下，根本无法安置导轨，能够直接测量两点距离的测量技术就非常重要了，又称作绝对距离测量。

而近年来随着科学、技术的发展，科学研究、生产建设对大量程、高精度的距离测量提出了越来越迫切的需求，如：大型设备、构件的生产、装配和运行监控；地球重力场研究；我国空间探索、导航等领域的需要等等。

传统的激光测距原理共分为3类：脉冲飞行时间法、相位法和干涉法，其中，脉冲飞行时间法测距是激光在测距领域的最早应用，利用了激光脉冲持续时间极短、瞬时功率很大的特点，有着很大的测试范围，但其测试精度与分辨率却很低，限制了其发展应用；相位法激光测距是利用发射的调制光和被测目标反射的接收光之间的相位差包含的距离信息，来实现对被测目标距离的测量，其测试精度受到调制频率高低和鉴相精度的影响，而且存在模糊距离，需要采用多频率调制的办法来扩展测量的范围；干涉法测距是经典的精密测距方法，原则上它也是一种相位法测距，但它不是通过测量激光调制信号的相位差，而是测量光波本身的相位干涉来测距，但传统的干涉法在测量时只能得到距离的相对变化，无法获取真实的距离信息，在大量程绝对距离测量中需要采用多个波长测量的方法，即合成波长法或者调频光源法。

最近，飞秒锁模激光器的高速发展为高精度长距离绝对距离测量提供了更多的选择方案，利用频率梳在线宽和绝对频率位置方面的独特优势，可以提高干涉测量技术的测量精度与测量范围，然而，这种方法很大程度的依赖脉冲重复速率的稳定性和对脉冲包络相位的检测精度。

目前对大距离高精度绝对长度的测量方法主要将距离的测量转换为时间的测量(飞行时间法)或相位的测量(相位测量法和干涉法)，通过不断提高测量分辨率得到更加精确的测量结果，测试分辨率的要求越高，技术难度也越大，对于其它干扰因素的敏感性也就越高。

事实上，还有一种行之有效的测量方法，通过将被测量放大后进行测量，则可用相对较低分辨率的测试方法得到很高精度的测量结果，即积累放大原理，如经典钟摆周期测试，通过多周期的摆动时间测试，即使采用普通秒表，仍旧可以得到极高精度的测试结果。

针对大距离、高精度绝对距离测量，可以采用如下的思路：由被测距离构成谐振腔，形成谐振后，腔长(即被测长度)决定了谐振腔的基频f_b，此时基频的检测精度就是长度测量精度。考虑到基频是信号在腔内往返时间的倒数，这意味着基频测量实际上与飞行时间法的难度是一样的，例如，在500m长度(基频300kHz)上要达到1μm的精度，频率检测精度要达到0.0006Hz。但当谐振腔振荡在高次谐波时，实际谐振频率f_N＝N×f_b，则基频的变化就被放大了N倍，同样在500m长度达到1μm的精度，当谐振频率振荡在30GHz时(N＝10⁵)，频率的测量精度只需60Hz即可。要实现上面的设想，对谐振腔有两个个要求：

(1)因为被测距离构成了腔长的一部分，所以对于大量程测量来讲，腔长要足够长；

(2)能振荡在足够高的高次谐波上，以保障足够的放大系数；

光电振荡器(OEO)是近年来发展起来的一种新型振荡器，它需要一个长谐振腔以提供高的储能；一般振荡在十几到几十GHz的频率上，其输出的谱纯度非常高，可达mHz量级，完全满足以上的两个要求。

通常来讲，为了求得待测距离的长度，也即精确求得f_N及f_b的值，要求系统稳定单模起振；由于OEO系统采用的是长度较长的光纤(通常在km量级)储能，腔长容易受到环境温度及应力的影响而发生改变，由此为了保证测量精度的准确性，通常需要采用锁相环控制压电陶瓷光纤拉伸器的方法对参考环路进行腔长控制，腔长的理论控制精度需要达到um量级，需要多个拉伸量和精度不同的压电陶瓷光纤拉伸器以及复杂的控制算法，增加了系统的复杂性。

此外，为了保证整个系统的单模起振，通常需要采用偏振双环或者波长双环的系统结构拟制边模，极大的增加了整个系统的成本以及复杂性。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

实用新型内容

针对相关技术中的上述技术问题，本实用新型提出基于OEO快速切换的大量程、高精度绝对距离测量仪器，能够进行大范围的绝对距离测量，达到很高的测量精度。

为实现上述技术目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种基于OEO快速切换的大量程、高精度绝对距离测量仪器，包括仪器内部延时模块和环路切换模块，所述仪器内部延时模块与环路切换模块之间通过光纤和电缆连接成一个双腔切换的光电振荡器结构。

进一步地，所述仪器内部延时模块包括激光器，所述激光器通过偏振控制器与电光调制器相连接；所述环路切换模块包括光开关，所述光开关分别与测试反射镜和至少一个第一准直器相连接，所述第一准直器与第一测量反射镜相对应；所述电光调制器通过光环形器分别与光开关和光放大器相连接，所述光放大器通过光电探测器与微波放大器相连接，所述微波放大器通过微波滤波器与微波功率分束器相连接，所述微波功率分束器通过第一微波功率分束器输出端口与电光调制器的射频输入端口连接。

进一步地，所述光环形器包括第一光环形器端口、第二光环形器端口和第三光环形器端口，所述光开关包括光开关输入端口、测试光开关输出端口和第一测量光开关输出端口，其中，所述光电振荡器由第二光环形器端口与光开关输入端口相连接而成。

进一步地，所述第一光环形器端口与电光调制器相连接，第三光环形器端口与光放大器相连接。

进一步地，所述测试光开关输出端口与测试反射镜相连接，所述第一测量光开关输出端口与第一准直器相连接。

进一步地，所述激光器为半导体激光器或光纤激光器。

进一步地，所述电光调制器为铌酸锂强度调制器、铌酸锂相位调制器或半导体结构的电吸收调制器。

进一步地，所述光放大器为掺饵光纤放大器、掺镱光纤放大器、掺铥光纤放大器或半导体光放大器。

本实用新型的有益效果：

1.本用OEO将积累放大原理应用于大量程绝对距离长度的测量，利用了OEO长谐振腔、高谱纯度和谐振频率高的特点，将被测量的变化放大了10⁵～10⁶倍，从而用普通的测量仪器可以进行大范围的绝对距离测量(km量级)，达到很高的测量精度(μm)；

2.尽管采用谐振可以有效提高测试精度，但由于被测量距离和仪器自身共同构成了谐振腔，当二者发生漂移时，均会引起谐振频率的变化。所以单纯的一个谐振腔无法区分仪器自身的漂移和被测距离的变化，而考虑到OEO本身的长储能光纤结构更加剧了测量仪器本身的漂移对测试精度的影响；采用超高速切换OEO的结构，由测距仪内部的时延构成一个OEO作为测试OEO，测距仪内部的时延和不同的待测距离构成另一些测量OEO，测试OEO和测量OEO的切换起振，当切换频率达到kHz量级时，ms时间内测距仪内部的时延可以视为不变，排除了环境变化对测距仪内部时延的稳定性的影响，保证了测量精度；

3.操作简单易行，基于上述优点，广泛应用于工业测控及精密仪器制造等领域，该测距系统抗干扰能力强，隐蔽性好，在军事领域也有着极好的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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的附图。

图1是根据本实用新型实施例所述的基于OEO快速切换的大量程、高精度绝对距离测量仪器的示意图之一；

图2是根据本实用新型实施例所述的基于OEO快速切换的大量程、高精度绝对距离测量仪器的示意图之二。

图中：1、仪器内部延时模块；2、环路切换模块；3、激光器；4、偏振控制器；5、电光调制器；6、光环形器；6a、第一光环形器端口；6b、第二光环形器端口；6c、第三光环形器端口；7、光放大器；8、光电探测器；9、微波放大器；10、微波滤波器；11、微波功率分束器；11a、第一微波功率分束器输出端口；11b、第二微波功率分束器输出端口；12、光开关；12a、光开关输入端口；12b0、测试光开关输出端口；12b1、第一测量光开关输出端口；12bn、第n+1光开关输出端口；131、第一准直器；13n、第n准直器；140、测试反射镜；141、第一测量反射镜；14n、第n+1测量反射镜。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1和图2所示，根据本实用新型实施例所述的一种基于OEO快速切换的大量程、高精度绝对距离测量仪器，包括仪器内部延时模块1和环路切换模块2，其中，仪器内部延时模块1包括：激光器3、偏振控制器4、电光调制器5、光环形器6、光放大器7、光电探测器8、微波放大器9、微波滤波器10以及微波功率分束器11；环路切换模块2包括1×n光开关12、第一准直器131、……第n准直器13n、测试反射镜140、第一测量反射镜141、……第n+1测量反射镜14n，其中，测试反射镜140和第一测量反射镜141为具有光场反射和一定的透射特性的器件或结构，可以是由光环形器6和耦合器共同构成的反射镜，可以是由非3dB光纤耦合器构成的萨格纳克环结构的反射镜，也可以是具有一定透射作用的光纤端面镀膜的光纤反射镜，还可以是法拉第旋光镜；光放大器7为对光信号有放大作用的器件，可以是掺饵光纤放大器，可以是掺镱光纤放大器，可以是掺铥光纤放大器，也可以是半导体光放大器；仪器内部延时模块1和环路切换模块2通过光纤和电缆连接成一个多腔切换的光电反馈结构，随着光开关12在12b0与12b1之间、12b0与12b2之间、……12b0与12bn之间快速切换，其谐振腔的长度仪器内部固有长度以及仪器内部固有长度与各待测距离的和之间快速切换。

OEO的谐振频率由两个因素决定：1)环路时延决定的振荡模式；2)选模器件；把待测距离作为OEO振荡环路的一部分，由谐振频率的测量即可推出待测距离量。

OEO振荡环路起振模式的间隔也即基频f_b由环路对光信号的延时决定，即：

f_b＝1/τ (1)

式(1)中，τ为延时量。

延时量又可以分为两部分，由电路和固定光纤构成的固定时延τ₀，以及由待测距离L决定的时延量τ_L＝nL/c，其中n为折射率，c为真空中的光速。于是，可得：

由于振荡器中f_b的整数倍频均能满足OEO的振荡条件，OEO的实际谐振频率f_N通过微波滤波器选模得到，满足：

f_N＝Nf_b (3)

式(3)中，N为自然数，可见，实际谐振频率f_N为基频f_b的N倍，例如：在500m长度(基频300kHz)上要达到1μm的精度，对于基频f_b的频率检测精度要达到0.0006Hz；在30GHz的条件下，则N值在10⁵数量级，通过这一关系距离导致的基频变化量便被放大了N倍(1μm的变化会导致谐振频率60Hz的变化)，可以看出：在相同的观测条件和测试精度前提下，直接测量f_b的值远不如测量f_N和N再反求f_b所得到的精度高，测量误差被大大的减小，这样，待测距离L可以由下式得到：

这样，待测距离L的测量精度事实上取决于两个因素：f_N的精度和N值的正确性，其中，f_N的理论精度(假设测试精度足够高)取决于振荡器输出频率的谱纯度，相应的研究工作已表明，采用OEO结构可以得到谱纯度为mHz的高质量微波源输出。由式(4)可知，待测距离和f_N的相关性。理论上，只要保证N的正确性，就可以得到L的精确测量值。

N值的测量可以通过粗测f_b的方法得到：

式(5)中，

符号表示四舍五入取整运算，f_b ^*表示的是基频，f_b的粗略测量值。

通过测得的f_N及f_b ^*的值，可以求出对应的N的值，进而求出f_b精确的值，获得环长信息，实现了对距离的高精度测量。

实施例一

如图1所示，该基于OEO快速切换的大量程、高精度绝对距离测量仪器，包括仪器内部延时模块1和环路切换模块2，其中仪器内部延时模块1包括：激光器3、偏振控制器4、电光调制器5、三端口光环形器6、光放大器7、光电探测器8、微波放大器9、微波滤波器10以及微波功率分束器11，激光器3与偏振控制器4连接、偏振控制器4与电光调制器5连接、电光调制器5与第一光环形器端口6a连接、第三光环形器端口6c与光放大器7连接、光放大器7与光电探测器8连接、光电探测器8与微波放大器9连接、微波放大器9与微波滤波器10连接、微波滤波器10与微波功率分束器11连接、第一微波功率分束器输出端口11a与电光调制器射频输入端口连接、第二微波功率分束器输出端口11b为信号输出端口；环路切换模块2包括光开关12、第一准直器131、测试反射镜140、第一测量反射镜141，第三光环形器端口6c与光开关输入端口12a连接，测试光开关输出端口12b0与测试反射镜140连接、第一测量光开关输出端口12b1与第一准直器131连接、第一准直器131透过待测距离A1与第一测量反射镜141对齐，其中，光开关12为1×2光开关；光开关输入端口12a为1×2光开关输入端口；测试光开关输出端口12b0为1×2测试光开关输出端口；第一测量光开关输出端口12b1为1×2第一测量光开关输出端口；激光器3为光纤激光器；电光调制器5为铌酸锂强度调制器；光放大器7为半导体光放大器；光开关11为1×2声光开关；测试反射镜140、……、第n+1测量反射镜14n均为法拉第旋光镜；

具体使用时，将激光器3发出光信号经过偏振控制器4进入到电光调制器5，被调制的光信号经过第一光环形器端口6a进入到光环形器6后由第二光环形器端口6b输出进入光开关12；当光开关12接通其测试光开关输出端口12b0时，光信号直接注入到与测试光开关输出端口12b0直接相连接的测试光反射镜140上，然后被反射回测试光开关输出端口12b0，通过光开关12后由第二光环形器端口6b进入到光环形器6后，由第三光环形器端口6c输出后进入光放大器7；

当光开关12接通其第一测量光开关输出端口12b1时，光信号通过待测距离A1后注入到第一测量反射镜141上然后被反射回第一测量光开关输出端口12b1，通过光开关12后由第二光环形器端口6b进入到光环形器6后，由第三光环形器端口6c输出后进入光放大器7，经过光放大器7放大后的光信号被注入到光电探测器8，光信号经过光电探测器8后被转换为微波信号后经过微波放大器9以及微波滤波器10后，被微波功率分束器11分成两份，即第一微波功率分束器输出端口11a和第二微波功率分束器输出端口11b，第一微波功率分束器输出端口11a作为调制器的调制信号驱动电光调制器5形成闭合的反馈回路，第二微波功率分束器输出端口11b作为输出信号输出；当光开关12接通其测试光开关输出端口12b0时，所述的反馈回路形成一个OEO，定义为测试OEO，此时输出信号为f_N0，用来计算测试OEO的腔长L₀；当所述光开关12接通其第一测量光开关输出端口12b1时，所述的反馈回路形成一个OEO，定义为测量OEO，此时输出信号为f_N1，用来计算第一测量OEO的腔长L₁，其中待测距离的长度为L₁-L₀。

实施例二

如图2所示，基于OEO快速切换的大量程、高精度绝对距离测量仪器，包括仪器内部延时模块1和环路切换模块2，其中仪器内部延时模块1包括：激光器3、偏振控制器4、电光调制器5、光环形器6、光放大器7、光电探测器8、微波放大器9、微波滤波器10以及微波功率分束器11，激光器3与偏振控制器4连接、偏振控制器4与电光调制器5连接、电光调制器5与第一光环形器端口6a连接、第三光环形器端口6c与光放大器7连接、光放大器7与光电探测器8连接、光电探测器8与微波放大器9连接、微波放大器9与微波滤波器10连接、微波滤波器10与微波功率分束器11连接、第一微波功率分束器输出端口11a与电光调制器射频输入端口连接、第二微波功率分束器输出端口11b为信号输出端口；环路切换模块2包括光开关12、第一准直器131、……第n准直器13n、测试反射镜140、第一测量反射镜141、……第n+1测量反射镜14n，第三光环形器端口6c与光开关输入端口12a连接、测试光开关输出端口12b0与测试反射镜140连接、第一测量光开关输出端口12b1与第一准直器131连接、……第n+1光开关输出端口12bn与第n准直器13n连接、第一准直器131透过第一待测距离A1与第一测量反射镜141对齐、第n准直器13n透过第n待测距离An与第n+1测量反射镜14n对齐；其中，光开关12为1×n光开关；光开关输入端口12a为1×n光开关输入端口；测试光开关输出端口12b0为1×n测试光开关输出端口；第一测量光开关输出端口12b1为1×n第一测量光开关输出端口；第n+1光开关输出端口12bn为1×n第n+1光开关输出端口12bn，激光器3为布拉格反馈式半导体激光器；电光调制器5为铌酸锂强度调制器；光放大器7为掺铒光纤放大器；光开关12为1×n磁光开关；测试反射镜140、……、第n+1测量反射镜14n均为法拉第旋光镜。

具体使用时，将激光器3发出光信号经过偏振控制器4进入到电光调制器5，被调制的光信号经过第一光环形器端口6a进入到光环形器6后由第二光环形器端口6b输出进入光开关12；当光开关12接通其测试光开关输出端口12b0时，光信号直接注入到与测试光开关输出端口12b0直接相连接的测试光反射镜140上，然后被反射回测试光开关输出端口12b0，通过光开关12后由第二光环形器端口6b进入到光环形器6后由第三光环形器端口6c输出后进入光放大器7；当光开关12接通其第一测量光开关输出端口12b1时，光信号通过第一段空间待测距离A1后注入到第一测量反射镜141上，然后被反射回第一测量光开关输出端口12b1，通过光开关12后由第二光环形器端口6b进入到光环形器6后，由第三光环形器端口6c输出后进入光放大器7；当光开关12接通其第n+1光开关输出端口12bn时，光信号通过第n段空间待测距离An后注入到第n+1测量反射镜14n上然后被反射回第n+1光开关输出端口12bn，通过光开关12后由第二光环形器端口6b进入到光环形器6后，由第三光环形器端口6c输出后进入光放大器7，经过光放大器7放大后的光信号被注入到光电探测器8；光信号经过光电探测器8后被转换为微波信号后经过微波放大器9以及微波滤波器10后被微波功率分束器11分成两份，即第一微波功率分束器输出端口11a和第二微波功率分束器输出端口11b，第一微波功率分束器输出端口11a作为调制器的调制信号驱动电光调制器5形成闭合的反馈回路，第二微波功率分束器输出端口11b作为输出信号输出；当光开关12接通其测试光开关输出端口12b0时，所述的反馈回路形成一个OEO，定义为测试OEO，此时输出信号为f_N1，用来计算测试OEO的腔长L₁；当所述光开关12接通其输出端口12a1时，所述的反馈回路形成一个OEO，定义为第一测量OEO，此时输出信号为f_N2，用来计算第一测量OEO的腔长L₂，其中第一段空间待测距离的长度为L₂-L₁；当所述光开关12接通其第n+1光开关输出端口12bn时，所述的反馈回路形成一个OEO，定义为第n测量OEO，此时输出信号为f_Nn，用来计算第n测量OEO的腔长L_n，其中第n段空间待测距离的长度为L_n-L₁。

综上所述，借助于本实用新型的上述技术方案，利用了OEO长谐振腔、高谱纯度和谐振频率高的特点，将被测量的变化放大了10⁵～10⁶倍，从而用普通的测量仪器可以进行大范围的绝对距离测量(km量级)，可以达到很高的测量精度(μm)；采用超高速切换OEO的结构，由测距仪器内部的时延构成一个OEO作为测试OEO，测距仪器内部的时延和不同的待测距离构成另一些测量OEO，测试OEO和测量OEO的切换起振，当切换频率达到kHz量级时，ms时间内测距仪器内部的时延可以视为不变，这样就排除了环境变化对测距仪内部时延的稳定性的影响，保证了测量精度。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于OEO快速切换的大量程、高精度绝对距离测量仪器，其特征在于，包括仪器内部延时模块(1)和环路切换模块(2)，所述仪器内部延时模块(1)与环路切换模块(2)之间通过光纤和电缆连接成一个双腔切换的光电振荡器结构；所述仪器内部延时模块(1)包括激光器(3)，所述激光器(3)通过偏振控制器(4)与电光调制器(5)相连接；所述环路切换模块(2)包括光开关(12)，所述光开关(12)分别与测试反射镜(140)和至少一个第一准直器(131)相连接，所述第一准直器(131)与第一测量反射镜(141)相对应；所述电光调制器(5)通过光环形器(6)分别与所述光开关(12)和光放大器(7)相连接，所述光放大器(7)通过光电探测器(8)与微波放大器(9)相连接，所述微波放大器(9)通过微波滤波器(10)与微波功率分束器(11)相连接，所述微波功率分束器(11)通过第一微波功率分束器输出端口(11a)与电光调制器(5)的射频输入端口连接；所述光环形器(6)包括第一光环形器端口(6a)、第二光环形器端口(6b)和第三光环形器端口(6c)，所述光开关(12)包括光开关输入端口(12a)、测试光开关输出端口(12b0)和与第一准直器(131)相对应的第一测量光开关输出端口(12b1)，其中，所述光电振荡器由第二光环形器端口(6b)与光开关输入端口(12a)相连接而成。

2.根据权利要求1所述的一种基于OEO快速切换的大量程、高精度绝对距离测量仪器，其特征在于，所述第一光环形器端口(6a)与电光调制器(5)相连接，第三光环形器端口(6c)与光放大器(7)相连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于OEO快速切换的大量程、高精度绝对距离测量仪器，其特征在于，所述测试光开关输出端口(12b0)与测试反射镜(140)相连接，所述第一测量光开关输出端口(12b1)与第一准直器(131)相连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于OEO快速切换的大量程、高精度绝对距离测量仪器，其特征在于，所述激光器(3)为半导体激光器或光纤激光器。

5.根据权利要求1所述的一种基于OEO快速切换的大量程、高精度绝对距离测量仪器，其特征在于，所述电光调制器(5)为铌酸锂强度调制器、铌酸锂相位调制器或半导体结构的电吸收调制器。

6.根据权利要求1-5任一项所述的基于OEO快速切换的大量程、高精度绝对距离测量仪器，其特征在于，所述光放大器(7)为掺饵光纤放大器、掺镱光纤放大器、掺铥光纤放大器或半导体光放大器。

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