本发明专利技术公开了一种基于OEO的带有自校准功能的大量程、高精度绝对距离测量系统，包括四个激光器，两个光波分复用器，电光调制器，掺铒光纤放大器，光分插复用器，长度不同的两段光纤，两个光纤拉伸器，三个光耦合器，两个光电探测器，中心频率不同的两个微波滤波器，两个微波放大器，两个微波功率分束器和一个微波合成器。本发明专利技术中的振荡环路中既包括光路部分，也包括电路/微波部分。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进行大范围的绝对距离测量(km量级)，可达到很高的测量精度(μm量级)；本发明专利技术可广泛应用于工业测控，精密仪器制造等领域，其抗干扰能力强，隐蔽性好，在军事领域也有极好的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术设及一种光载微波测距系统，尤其设及一种基于两个光电振荡器的带有自 校准功能的大量程、高精度绝对距离测量系统。
技术介绍
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。[000引尽管目前采用激光干设仪的办法已可W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），该样就要求有一个比被测物体大 的精密导轨，而该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、相位法和干设法。 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。[000引干设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设来测距。但传统的干设法在 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W提高干设测量技术的测 量精度与测量范围。然而，该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（相位测量法和干设法），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w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W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fb，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，该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300曲Z)上要达到lym的精度，频率检 测精度要达到0. 0006化。但当谐振腔振荡在高次谐波时，实际谐振频率片二NXfb，则基频 的变化就被放大了N倍，同样在500m长度达到1ym的精度，当谐振频率振荡在30GHz时（N =1〇5)，频率的测量精度只需60化即可。要实现上面的设想，对谐振腔有几个要求： (1)因为被测距离构成了腔长的一部分，所W对于大量程测量来讲，腔长要足够 长； (2)要能稳定的振荡在足够高的高次谐波上，W保障足够的放大系数； (3)谐振频率的稳定性（频谱线宽或谱纯度）应优于测量精度要求所确定的最小 频率分辨率。 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W 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。完全满足上面的3个要求。为了求得待测距离的长度，也即精确求得与及fb的值，系 统的稳定性极为重要。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、应力的影响而发生改变，由此引起的基频变化会导致OEO的高频输 出发生严重漂移甚至跳模，更无法区分测试系统自身腔长的变化和待测距离的变化。在不 加任何稳定措施的情况下是无法获得fw及fb的准确值，更无法求得待测距离的准确值。 fw的测量精度还有一个限制因素；即必须保证OEO工作在单频振荡状态下，排除fw 的边模对测试结果的干扰。事实上，如果不加额外措施，由于微波滤波器带宽的限制（通常 在lOMHz量级），在其通带内往往有多个模式起振（OEO基频在十几曲Z量级），在频率测量 中会造成相互干扰。在W前的研究中，利用偏振分束器/合束器构建的光域双环路可W提 高0E0的边模抑制比，但是由于偏振分束器/合束器的消光比有限（20地左右），两个偏振 正交的同一波长的光之间仍然存在干设带来的随机噪声，使0E0的输出信号质量恶化，该 也将对距离测量的精度产生不利的影响。
技术实现思路
[001引针对现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种基于0E0的自校准的大量程、高精 度绝对距离测量系统。利用0E0将积累放大原理应用于大量程绝对距离的测量方案，从而 用普通的测量仪器可W进行大范围的绝对距离测量（km量级），可W达到很高的测量精度 (ym量级）；采用两个0E0结构解决仪器自身的稳定问题，实现了仪器的自校准，每个0E0 都是利用光波分复用器（WDM)构建的双波长的光域双环路结构，在光波分复用系统中，由 于WDM隔离度很大，所W两束光几乎不会在两个通道内相互串扰，大大降低了由于随机干 设产生的拍噪声，提高了 0E0输出的微波信号质量。本专利技术操作简单易行，并可广泛应用于 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 域也有着极好的应用前景。 为了解决上述技术问题，本专利技术提出的一种基于0E0的自校准的大量程、高精度 绝对距离测量系统，包括四个激光器，第一光波分复用器、第二光波分复用器、电光调制器、 渗巧光纤放大器、光分插复用器、长度不同的第一段光纤和第二段光纤、第一光纤拉伸器、 第二光纤拉伸器、=个光禪合器、第一光电探测器、第二光电探测器、中屯、频率不同的第一 微波滤波器和第二微波滤波器，第一微波放大器、第二微波放大器、第一微波功率分束器、 第二微波功率分束器、微波合成器；所述=个光禪合器包括第一光禪合器、第二光禪合器和 第=光禪合器；四个激光器发出的四束光经过第一光波分复用器禪合后进入电光调制器， 四束光的波长不同、波长分别为A1、A2、A3和人4,调制后四束光经渗巧光纤放大器放大 后进入光分插复用器，所述光分插复用器将四束光分为两部分，一部分是A路，即波长为入1 和A3的两束光经过一个光开关、第一光纤和第一光纤拉伸器，另一部分是B路，即波长为 入2和^ 4的两束光经过第二光纤和第二光纤拉伸器；然后，波长为^ 1、^2、入3和^ 4的 四束光由第一光禪合器禪合后送入第二光波分复用器，并按不同的波长分开，其中；波长为 入1和A2的两束光经第二光禪合器禪本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于OEO的自校准的大量程、高精度绝对距离测量系统，其特征在于，包括四个激光器(LD1、LD2、LD3、LD4)，第一光波分复用器(11)、第二光波分复用器(12)、电光调制器(2)、掺铒光纤放大器(3)、光分插复用器(4)、长度不同的第一段光纤(61)和第二段光纤(62)、第一光纤拉伸器(71)、第二光纤拉伸器(72)、三个光耦合器、第一光电探测器(101)、第二光电探测器(102)中心频率不同的第一微波滤波器(121)和第二微波滤波器(122)，第一微波放大器(131)、第二微波放大器(132)、第一微波功率分束器(141)、第二微波功率分束器(142)、微波合成器(15)；所述三个光耦合器包括第一光耦合器(81)、第二光耦合器(82)和第三光耦合器(83)；四个激光器(LD1、LD2、LD3、LD4)发出的四束光经过第一光波分复用器(11)耦合后进入电光调制器(2)，四束光的波长不同、波长分别为λ1、λ2、λ3和λ4，调制后四束光经掺铒光纤放大器(3)放大后进入光分插复用器(4)，所述光分插复用器(4)将四束光分为两部分，一部分是A路，即波长为λ1和λ3的两束光经过一个光开关(5)、第一段光纤(61)和第一光纤拉伸器(71)，另一部分是B路，即波长为λ2和λ4的两束光经过第二段光纤(62)和第二光纤拉伸器(72)；然后，波长为λ1、λ2、λ3和λ4的四束光由第一光耦合器(81)耦合后送入第二光波分复用器(12)，并按不同的波长分开，其中：波长为λ1和λ2的两束光经第二光耦合器(82)耦合在一起后经过第一光电探测器(101)进行光/电转换，然后经过第一微波滤波器(121)和第一微波放大器(131)到达第一微波功率分束器(141)，第一微波功率分束器(141)将一部分微波信号送入所述微波合成器(15)；用光学天线(901)或微波天线(902)将待测距离引入到环路中，用光学天线(901)将待测距离引入到环路中的结构是：将所述光学天线(901)设置在所述第二光耦合器(82)与所述第一光电探测器(101)之间；用微波天线(902)将待测距离引入到环路中的结构是：将所述微波天线(902)设置在所述第一光电探测器(101)与所述第一微波滤波器(121)之间；波长为λ3和λ4的两束光经第三光耦合器(83)耦合在一起后经过第二光电探测器(102)进行光/电转换，然后经过第二微波滤波器(122)和第二微波放大器(132)到达第二微波功率分束器(142)，第二微波功率分束器(142)将一部分微波信号送入所述微波合成器(15)；所述微波合成器(15)将从第一微波功率分束器(141)和第二微波功率分束器(142)接收到的两个微波信号合成以后用以驱动所述电光调制器(2)；波长λ1和λ2所在的环路形成了一个OEO，定义为测试OEO，第一微波功率分束器(141)将其剩余部分的微波信号输出，用于分别测量所述光开关(5)导通和断开状态下该测试OEO的谐振频率为fN；波长λ3和λ4所在的环路形成了另一个OEO，定义为稳定OEO；第二微波功率分束器(142)将其剩余部分的微波信号送入一控制模块，该控制模块包括控制芯片和鉴频器，所述控制芯片采用STMicroelectronics公司的STM32F103VCT6芯片，所述鉴频器采用Hittite公司的HMC984LP4E器件，所述控制模块通过控制第一光纤拉伸器(71)和第二光纤拉伸器(72)对所述稳定OEO腔长的变化进行补偿，使稳定OEO的谐振频率稳定，从而保证所述稳定OEO腔长的稳定。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：于晋龙，王菊，谢田元，于洋，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12
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