基于时域扫描的全光纤双向锁模飞秒激光测距装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于时域扫描的全光纤双向锁模飞秒激光测距装置及方法，属于激光测距领域。光源发出的正向脉冲通过迈克尔逊干涉单元分成一束参考光脉冲和一束测量光脉冲；光源发出的反向脉冲通过脉冲扫描单元扫描迈克尔逊干涉单元发出的参考光脉冲和测量光脉冲，产生测距信号；数据采集与处理装置根据测距信号和频率计数器测得的重频值即能够得到待测距离值。相比于双光梳测距装置，该装置使用一台产生双向脉冲的激光器代替双光梳，并且不需要调整重复频率，测量结构得到优化，大大减少了测量辅助设备，缩小了测距装置体积，节省了成本，提高了稳定性。

All fiber bidirectional mode locked femtosecond laser ranging device and method based on time domain scanning

The invention relates to an all fiber bidirectional mode locked femtosecond laser ranging device and a method based on time domain scanning, belonging to the field of laser ranging. The forward pulse emitted by the light source is divided into a beam of reference light pulses and a beam of measured light pulses through the Michelson interference unit. The reverse pulse emitted by the light source scanning the reference light pulse and measuring light pulse generated by the Michelson interference unit to produce ranging signals; the data acquisition and processing device is based on distance measurement. The measured value of the repetition frequency of the signal and frequency counter means that the distance to be measured can be obtained. Compared to the double light comb range finder, the device uses a two way pulse laser to replace the double light comb, and does not need to adjust the repetition frequency. The measurement structure is optimized. The measuring auxiliary equipment is greatly reduced, the volume of the distance measuring device is reduced, the cost is saved and the stability is improved.

【技术实现步骤摘要】
基于时域扫描的全光纤双向锁模飞秒激光测距装置及方法
本专利技术涉及一种基于时域扫描的全光纤双向锁模飞秒激光测距装置及方法，属于激光测距领域。
技术介绍
典型的距离测量一般分为两种方法。第一种方法是时间飞行方法。时间飞行方法的原理是通过测量脉冲的往返时间间隔实现的。时间飞行方法具有距离测量范围广的优点，一般能够测量几米到几百千米，但是，探测器的时间分辨率只能到皮秒量级，所以测量精度和分辨力是有限的。第二种方法是激光干涉法。激光干涉法使用连续激光器作为光源，通过测量条纹的移动数量来确定距离变化量，因而具有亚波长的分辨力。通过条纹细分技术，其分辨力能够达到几十纳米；但是，由于两点之间的位移测量需要测量目标连续的移动，容易受到外界环境影响而出现断点，不适合用于绝对距离测量。飞秒脉冲激光具有宽光谱、窄脉冲等特性，时域上飞秒脉冲是一系列稳定的等间隔的脉冲序列，而频域上飞秒脉冲可以提供从微波频率到光频的一系列等间隔的频率分布。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。利用这些优势，可以实现高精度绝对距离测量。2009年，Coddington等使用两台相位锁定的飞秒光频梳，在1.5m范围内实现了5kHz更新速率下3μm的测距精度。该方法具有测量速度快，测量精度高，量程大的特点，但是扩展量程需调换双梳的位置，操作较麻烦；2010年，Lee等人使用平衡光学互相关技术的飞秒脉冲时间飞行方法，该方法的测量范围达到了0.7km，在5ms的采样时间下，阿伦方差达到了117nm，当平均时间增加到1s时，阿伦方差减小到7nm。该方法后期处理简单，精度高，并且没有周期性不确定度和测量距离中的相干性限制。对于一定的待测距离，该方法需要相位锁定两个重复频率，而重复频率的调整范围有限，所以该方法不适用于近距离测量，存在测量死区。2014年，清华大学李岩等提出了一种基于双光梳非线性异步光学采样绝对距离测量方法。实验中使用重复频率有微小差异的两台光学频率梳实现时域光学扫描，利用基于第二类相位匹配的倍频技术实现峰值的提取从而得到飞行时间。当平均时间为0.5ms时，标准差为1.48μm，平均时间为500ms时，标准差为82.9nm。
技术实现思路
为了克服上述技术存在的缺点，本专利技术目的提供一种基于时域扫描的全光纤双向锁模飞秒激光测距装置及方法。为了实现上述目的，本专利技术采取的技术方案是：基于时域扫描的全光纤双向锁模飞秒激光测距装置，包括光源、光学测量装置以及数据采集与处理装置。所述光学测量装置由迈克尔逊干涉单元和脉冲扫描单元；光源发出的正向脉冲通过迈克尔逊干涉单元分成一束参考光脉冲和一束测量光脉冲；光源发出的反向脉冲通过脉冲扫描单元扫描迈克尔逊干涉单元发出的参考光脉冲和测量光脉冲，产生测距信号；数据采集与处理装置根据测距信号和频率计数器测得的重频值即能够得到待测距离值。所述脉冲扫描单元包括：第二二分之一波片13，第三二分之一波片10，第二偏振分光棱镜14，第一凸透镜15，第二凸透镜17，二类匹配倍频晶体16和分色镜18；第二二分之一波片13，第三二分之一波片10的作用是调整线偏振光的偏振角度。迈克尔逊干涉单元产生的参考光脉冲和测量光脉冲的合束光经第三二分之一波片10入射到第二偏振分光棱镜14，在第二偏振分光棱镜14处与光源发出的反向脉冲汇合，得到汇合光束；汇合光束依次经过第一凸透镜15，二类匹配倍频晶体16，第二凸透镜17和分色镜18后被数据采集与处理装置采集并处理；所述光源为自由运转的全光纤双向被动锁模环形飞秒激光器；所述迈克尔逊干涉单元包括：第一二分之一波片3，第一偏振分光棱镜6，第一四分之一波片5，第二四分之一波片7，反射镜4，扩束镜8，角锥反射镜9。光源发出的正向脉冲经过第一二分之一波片3后，在第一偏振分光棱镜6处分成两束偏振垂直的光。第一二分之一波片3的作用是调节光源发出的光脉冲的偏振态，以改变被第一偏振分光棱镜6处分成两束偏振垂直光的强度比例。经第一四分之一波片5后入射到反射镜4后被反射，作为参考光脉冲；另一束经过第二四分之一波片7和扩束镜8扩束，入射到角锥反射镜9后被反射，作为测量光脉冲。第一四分之一波片5、第二四分之一波片7的作用是使返回的参考光脉冲和测量光脉冲的偏振旋转90°。两束反射回光在第一偏振分光棱镜6处汇合。光源为自由运转的全光纤双向被动锁模环形飞秒激光器。通常，为了减少杂散腔反射和降低自启动锁模阈值，被动锁模光纤激光器要运用光隔离器.但是，这类锁模光纤激光器是单向环形，只能产生单方向锁模脉冲。该全光纤双向被动锁模环形飞秒激光器运用碳纳米管/聚合物复合材料内嵌入光纤连接器中，用作饱和吸收以实现双向锁模，由波分复用器、掺铒光纤、光耦合器、碳纳米管、单模光纤和偏振控制器组成。激光器中没有隔离器，可以同时产生微小重频差的稳定的双向锁模脉冲，一个正向，另一个反向。双向脉冲分别经过掺铒光纤放大器和色散补偿光纤进行功率放大和脉冲压缩。由于扫描光脉冲与参考光脉冲、测量光脉冲具有微小的重频差，即在时域上有微小时间差，所以，参考光脉冲、测量光脉冲相当于被扫描光脉冲扫描。二类匹配倍频晶体16的特征是当两束偏振垂直的光入射到倍频晶体中，并且两束光脉冲在时域上重合时，产生倍频光。参考光脉冲与扫描光脉冲产生一束倍频光，测量光脉冲与扫描光产生另一束倍频光。两束倍频光被分色镜18滤波后，被探测器探测，分别为参考信号和测量信号。使用参考到铷钟的频率计数器测量光源产生的双向脉冲的重复频率值，重复频率的值输入到数据采集与处理装置。采集测距信号，经数据读取、数据滤波、峰值查找、峰值优化、峰值拟合及距离计算等环节，使用寻峰技术得出脉冲飞行时间，得出待测距离值。有益效果1、本专利技术提供一种测量精度高，更新速度快，并且无测量盲区的绝对距离测量方法。2、本专利技术使用一台自由运转的全光纤双向被动锁模环形飞秒激光器，相比于双飞秒光梳测距法，节省了成本，提高了稳定性。3、本专利技术不需要锁定重复频率和偏移频率，不需要调整重复频率，大大减少了辅助测量设备，缩小了测距装置体积。附图说明图1是基于时域扫描的全光纤双向锁模飞秒激光测距装置图；图2是基于时域扫描的全光纤双向锁模飞秒激光测距原理图；图3是脉冲时域扫描示意图；图4是测距信号图。其中，1—第一掺铒光纤放大器、2—第一色散补偿光纤、3—第一二分之一波片、4—反射镜、5—第一四分之一波片、6—第一偏振分光棱镜、7—第二四分之一波片、8—扩束镜、9—角锥反射镜、10—第三二分之一波片、11—第二掺铒光纤放大器、12—第二色散补偿光纤、13—第二二分之一波片、14—第二偏振分光棱镜、15—第一凸透镜、16—晶体、17—第二凸透镜、18—分色镜具体实施方式下面结合附图和实施例详细说明本专利技术的实施方式。如图1所示，基于时域扫描的全光纤双向锁模飞秒激光测距装置，包括光源、光学测量装置以及数据采集与处理装置。如图2所示，光源为自由运转的全光纤双向被动锁模环形飞秒激光器，发出具有微小重频差的双向脉冲，其中，正向脉冲的重复频率为fr，反向脉冲的重复频率为(fr+Δfr)。正向脉冲经掺铒光纤放大器1和色散补偿光纤2进行功率放大和脉冲压缩。光脉冲经过第一二分之一波片3后，在第一偏振分光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于时域扫描的全光纤双向锁模飞秒激光测距装置，其特征在于：包括光源、光学测量装置以及数据采集与处理装置；所述光学测量装置由迈克尔逊干涉单元和脉冲扫描单元；光源发出的正向脉冲通过迈克尔逊干涉单元分成一束参考光脉冲和一束测量光脉冲；光源发出的反向脉冲通过脉冲扫描单元扫描迈克尔逊干涉单元发出的参考光脉冲和测量光脉冲，产生测距信号；数据采集与处理装置根据测距信号和频率计数器测得的重频值即能够得到待测距离值。

【技术特征摘要】
1.基于时域扫描的全光纤双向锁模飞秒激光测距装置，其特征在于：包括光源、光学测量装置以及数据采集与处理装置；所述光学测量装置由迈克尔逊干涉单元和脉冲扫描单元；光源发出的正向脉冲通过迈克尔逊干涉单元分成一束参考光脉冲和一束测量光脉冲；光源发出的反向脉冲通过脉冲扫描单元扫描迈克尔逊干涉单元发出的参考光脉冲和测量光脉冲，产生测距信号；数据采集与处理装置根据测距信号和频率计数器测得的重频值即能够得到待测距离值。2.如权利要求1所述的基于时域扫描的全光纤双向锁模飞秒激光测距装置，其特征在于：所述脉冲扫描单元包括：第二二分之一波片，第三二分之一波片,第二偏振分光棱镜，第一凸透镜，第二凸透镜，二类匹配倍频晶体和分色镜；迈克尔逊干涉单元产生的参考光脉冲和测量光脉冲的合束光经第三二分之一波片入射到第二偏振分光棱镜，在第二偏振...

【专利技术属性】
技术研发人员：武腾飞，韩继博，梁志国，邢帅，张磊，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11