动态偏频锁定式正弦频率扫描干涉绝对测距装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种动态偏频锁定式正弦频率扫描干涉绝对测距装置和方法。用高频电光相位调制器对锁定至飞秒光频梳的参考激光进行调制，产生等间隔的激光边带；第六阶边带与扫频激光进行拍频，拍频信号与扫频信号源下混频产生差频信号，通过数字鉴相器与PID控制器将差频信号锁定至参考时钟；闭环控制下扫频激光动态偏频锁定至参考激光，并与扫频信号源同步地进行正弦频率扫描；将锁定后的激光用于绝对距离测量得到干涉信号，根据正弦频率扫描的特性求得相位，根据合成波长过渡理论求得待测距离。本发明专利技术解决了频率扫描法中激光频率难以精确控制、频率扫描量难以精确测量等问题，提高了绝对距离测量精度与效率，可以广泛应用于干涉测量技术领域。

Dynamic Bias Locking Sinusoidal Frequency Scanning Interferometry Absolute Ranging Device and Method

【技术实现步骤摘要】
动态偏频锁定式正弦频率扫描干涉绝对测距装置和方法
本专利技术属于激光干涉测量
，特别是一种动态偏频锁定式正弦频率扫描干涉绝对测距方法。
技术介绍
激光频率扫描干涉法因测量范围大、相对精度高等优点，被广泛应用于绝对距离干涉测量领域。频率扫描干涉法的关键技术是激光频率扫描的控制与测量。传统方法主要通过对激光二极管的电流进行开环的线性调制来实现激光频率的线性扫描，这种方法频率扫描精度较低。因此，在频率扫描时还需要通过额外的标准具(参考干涉干涉仪、FP干涉仪)来测量频率扫描量，这些方法中的标准具容易受到环境温度等外界因素的影响，导致频率扫描量的测量精度不够高进而导致绝对距离测量精度难以提高。后来发展出了无需标准具的频率扫描外差干涉仪，这种干涉仪容易受到偏振泄露的影响而存在非线性误差并且需要极大的激光频率扫描范围。此外，由于激光频率与电流并非严格地满足线性关系，频率扫描也并非严格的线性扫描，也会带来一定的测量误差。飞秒光频梳作为新一代的频率参考，可在几十THz的范围内提供间隔为几十至几百MHz的连续频率参考，广泛应用于激光频率的标定。基于飞秒光频梳的频率扫描法需要先将激光频率预锁定至特定梳齿，解锁后再启动频率扫描，频率扫描结束时需要再次锁定至另一梳齿，频率扫描量由两次锁定时的梳齿间隔来确定，但频繁地进行锁定与解锁对偏频锁定系统要求极高，并且在解锁与锁定瞬间，激光频率容易抖动，进而带来额外的测量误差。上述这些方法的频率扫描量都比较大，要求达到百GHz量级甚至THz量级，对应的频率扫描时间长达几十秒，测量效率低。所以，控制激光器精确地进行频率扫描、精确地测量频率扫描量以及提高测量效率都是需要解决的关键技术问题。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术公开了一种动态偏频锁定式正弦频率扫描干涉绝对测距方法，本专利技术解决了频率扫描干涉仪中频率扫描难以精确控制、频率扫描量难以精确测量以及测量效率低的问题。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一、一种动态偏频锁定式正弦频率扫描干涉绝对测距装置：装置包括参考激光器、第一光纤分束器、光纤合束器、高频电光相位调制器、正交光纤合束器、耦合器、锁定控制器、飞秒光频梳、第一高频放大器、高频时钟源、高频光电探测器、第二高频放大器、混频器、第三高频放大器、扫频信号源、数字鉴相器、PID控制器、扫频激光器、第二光纤分束器；参考激光器的输出端经第一光纤分束器分别连接到锁定控制器的一个输入端、高频电光相位调制器的输入端和正交光纤合束器的一个输入端，锁定控制器的另一个输入端连接飞秒光频梳的输出端，锁定控制器的输出端连接到参考激光器的电流控制端，高频时钟源经第一高频放大器连接到高频电光相位调制器的调制控制端，高频电光相位调制器的输出端连接到光纤合束器的一个输入端；扫频激光器的输出端经第二光纤分束器分别连接到光纤合束器的另一个输入端和正交光纤合束器的另一个输入端，光纤合束器的输出端连接到高频光电探测器，高频光电探测器的输出端经第二高频放大器连接到混频器的一个输入端，扫频信号源经第三高频放大器连接到混频器的另一个输入端，混频器的输出端经数字鉴相器、PID控制器后连接到扫频激光器的电流控制端；正交光纤合束器的输出端经耦合器连接到迈克尔逊干涉仪。参考激光器发出的激光经第一光纤分束器分为功率比为70::的三束激光，其中第一光纤分束器输出的功率比为10％的一束激光与飞秒光频梳输出的激光共同进入锁定控制器，锁定控制器产生反馈控制信号到参考激光器，将参考激光器的激光频率锁定至飞秒光频梳；扫频激光器发出的激光经第二光纤分束器分为功率比为90:10的两束激光，第二光纤分束器输出的功率比为10％的一束激光与高频电光相位调制器调制产生的激光边带共同进入光纤合束器合束，合束后被高频光电探测器接收产生拍频信号，拍频信号经第二高频放大器进行放大后输入到混频器；同时，扫频信号源产生可扫频的高频正弦信号，经第三高频放大器放大后与经第二高频放大器放大后的拍频信号进入混频器进行下混频得到差频信号；差频信号输入到数字鉴相器，数字鉴相器计算差频信号与参考时钟之间的相位误差，相位误差经PID控制器处理后得到反馈控制信号，反馈控制信号输入到扫频激光器的电流控制端进行闭环的激光频率控制。还包括原子钟，所述的锁定控制器、飞秒光频梳、高频时钟源、扫频信号源、数字鉴相器均连接到同一原子钟。所述的迈克尔逊干涉仪包括参考角锥棱镜7、第一低频电光相位调制器8、第二低频电光相位调制器9、分光棱镜、测量角锥棱镜、偏振分光棱镜、第一光电探测器、第二光电探测器、第二模数转换器、第一模数转换器、现场可编程门阵列信号处理器(FPGA)；正交光纤合束器的输出端经分光棱镜后分为透射的测量光与反射的参考光：测量光经测量角锥棱镜反射后平行地返回分光棱镜，形成测量光路；参考光经第一低频电光相位调制器与第二低频电光相位调制器调制后输入到参考角锥棱镜，经参考角锥棱镜反射后平行地返回分光棱镜，形成参考光路；返回到分光棱镜的测量光和参考光合光后经偏振分光棱镜分为透射的P偏振态和反射的S偏振态的两束光，P偏振态的光照射到第一光电探测器被探测接收，S偏振态的光照射到第二光电探测器被探测接收；第一光电探测器和第二光电探测器的输出端分别经第一模数转换器与第二模数转换器连接到现场可编程们阵列信号处理器(FPGA)进行数据处理。所述的第一光纤分束器输出的功率比为70％的一束激光和第二光纤分束器输出的功率比为10％的一束激光一起输入到正交光纤合束器中，正交光纤合束器将第一光纤分束器输出功率比为70％的参考激光与第二光纤分束器输出功率比为90％的扫频激光分别按照P偏振态与S偏振态合为一束正交光；正交光经耦合器后转换为空间光，空间光入射至由分光棱镜、参考角锥棱镜与测量角锥棱镜组成的迈克尔逊干涉仪进行绝对距离测量；空间光经分光棱镜后分为透射的测量光与反射的参考光：测量光经测量角锥棱镜反射后平行地返回分光棱镜，形成测量光路；参考光经第一低频电光相位调制器与第二低频电光相位调制器调制后输入到参考角锥棱镜，经参考角锥棱镜反射后平行地返回分光棱镜，形成参考光路；返回到分光棱镜的测量光和参考光合光后经偏振分光棱镜分为透射的P偏振态和反射的S偏振态的两束光，P偏振态的光照射到第一光电探测器后产生干涉信号S1(t)，S偏振态的光照射到第二光电探测器后产生干涉信号S2(t)。两个干涉信号S1(t)、S2(t)分别经第一模数转换器与第二模数转换器采样后进入现场可编程们阵列信号处理器(FPGA)进行数据处理。所述的第一低频电光相位调制器8与第二低频电光相位调制器相垂直放置。二、一种动态偏频锁定式正弦频率扫描干涉绝对测距方法：方法包括如下步骤：1)通过锁定控制器将参考激光器锁定至飞秒光频梳，高频电光相位调制器对参考激光器输出的激光进行高频正弦相位调制，产生等频率间隔的激光边带，表示如下：fEOM＝f1+Nfr其中，f1表示参考激光器的激光频率，fr表示高频电光相位调制器调制信号的频率，N表示调制产生的激光边带的阶数(N＝0,±1,±2,……)；2)扫频激光器输出的激光与参考激光器经高频电光相位调制器调制后输出的激光边带进行拍频，由高频光电探测器测得拍频信号并进行放大，其中与参考激光器的第六阶激光边带的拍频本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种动态偏频锁定式正弦频率扫描干涉绝对测距装置，其特征在于：包括参考激光器(1)、第一光纤分束器(2)、光纤合束器(3)、高频电光相位调制器(4)、正交光纤合束器(5)、耦合器(6)、锁定控制器(12)、飞秒光频梳(13)、第一高频放大器(14)、高频时钟源(15)、高频光电探测器(16)、第二高频放大器(17)、混频器(18)、第三高频放大器(19)、扫频信号源(20)、数字鉴相器(21)、PID控制器(22)、扫频激光器(24)、第二光纤分束器(25)；参考激光器(1)的输出端经第一光纤分束器(2)分别连接到锁定控制器(12)的一个输入端、高频电光相位调制器(4)的输入端和正交光纤合束器(5)的一个输入端，锁定控制器(12)的另一个输入端连接飞秒光频梳(13)的输出端，锁定控制器(12)的输出端连接到参考激光器(1)的电流控制端，高频时钟源(15)经第一高频放大器(14)连接到高频电光相位调制器(4)的调制控制端，高频电光相位调制器(4)的输出端连接到光纤合束器(3)的一个输入端；扫频激光器(24)的输出端经第二光纤分束器(25)分别连接到光纤合束器(3)的另一个输入端和正交光纤合束器(5)的另一个输入端，光纤合束器(3)的输出端连接到高频光电探测器(16)，高频光电探测器(16)的输出端经第二高频放大器(17)连接到混频器(18)的一个输入端，扫频信号源(20)经第三高频放大器(19)连接到混频器(18)的另一个输入端，混频器(18)的输出端经数字鉴相器(21)、PID控制器(22)后连接到扫频激光器(24)的电流控制端；正交光纤合束器(5)的输出端经耦合器(6)连接到迈克尔逊干涉仪。...

【技术特征摘要】
1.一种动态偏频锁定式正弦频率扫描干涉绝对测距装置，其特征在于：包括参考激光器(1)、第一光纤分束器(2)、光纤合束器(3)、高频电光相位调制器(4)、正交光纤合束器(5)、耦合器(6)、锁定控制器(12)、飞秒光频梳(13)、第一高频放大器(14)、高频时钟源(15)、高频光电探测器(16)、第二高频放大器(17)、混频器(18)、第三高频放大器(19)、扫频信号源(20)、数字鉴相器(21)、PID控制器(22)、扫频激光器(24)、第二光纤分束器(25)；参考激光器(1)的输出端经第一光纤分束器(2)分别连接到锁定控制器(12)的一个输入端、高频电光相位调制器(4)的输入端和正交光纤合束器(5)的一个输入端，锁定控制器(12)的另一个输入端连接飞秒光频梳(13)的输出端，锁定控制器(12)的输出端连接到参考激光器(1)的电流控制端，高频时钟源(15)经第一高频放大器(14)连接到高频电光相位调制器(4)的调制控制端，高频电光相位调制器(4)的输出端连接到光纤合束器(3)的一个输入端；扫频激光器(24)的输出端经第二光纤分束器(25)分别连接到光纤合束器(3)的另一个输入端和正交光纤合束器(5)的另一个输入端，光纤合束器(3)的输出端连接到高频光电探测器(16)，高频光电探测器(16)的输出端经第二高频放大器(17)连接到混频器(18)的一个输入端，扫频信号源(20)经第三高频放大器(19)连接到混频器(18)的另一个输入端，混频器(18)的输出端经数字鉴相器(21)、PID控制器(22)后连接到扫频激光器(24)的电流控制端；正交光纤合束器(5)的输出端经耦合器(6)连接到迈克尔逊干涉仪。2.根据权利要求1所述的一种动态偏频锁定式正弦频率扫描干涉绝对测距装置，其特征在于：参考激光器(1)发出的激光经第一光纤分束器(2)分为功率比为70:(20):(10)的三束激光，其中第一光纤分束器(2)输出的功率比为10％的一束激光与飞秒光频梳(13)输出的激光共同进入锁定控制器(12)，锁定控制器(12)产生反馈控制信号到参考激光器(1)，将参考激光器(1)的激光频率锁定至飞秒光频梳(13)；扫频激光器(24)发出的激光经第二光纤分束器(25)分为功率比为90:10的两束激光，第二光纤分束器(25)输出的功率比为10％的一束激光与高频电光相位调制器(4)调制产生的激光边带共同进入光纤合束器(3)合束，合束后被高频光电探测器(16)接收产生拍频信号，拍频信号经第二高频放大器(17)进行放大后输入到混频器(18)；同时，扫频信号源(20)产生可扫频的高频正弦信号，经第三高频放大器(19)放大后与经第二高频放大器(17)放大后的拍频信号进入混频器(18)进行下混频得到差频信号；差频信号输入到数字鉴相器(21)，数字鉴相器(21)计算差频信号与参考时钟之间的相位误差，相位误差经PID控制器(22)处理后得到反馈控制信号，反馈控制信号输入到扫频激光器(24)的电流控制端进行闭环的激光频率控制。3.根据权利要求1所述的一种动态偏频锁定式正弦频率扫描干涉绝对测距装置，其特征在于：还包括原子钟(23)，所述的锁定控制器(12)、飞秒光频梳(13)、高频时钟源(15)、扫频信号源(20)、数字鉴相器(21)均连接到同一原子钟(23)。4.根据权利要求1所述的一种动态偏频锁定式正弦频率扫描干涉绝对测距装置，其特征在于：所述的迈克尔逊干涉仪包括参考角锥棱镜7、第一低频电光相位调制器8、第二低频电光相位调制器9、分光棱镜(10)、测量角锥棱镜(11)、偏振分光棱镜(26)、第一光电探测器(27)、第二光电探测器(28)、第二模数转换器(29)、第一模数转换器(30)、现场可编程门阵列信号处理器(FPGA)(31)；正交光纤合束器(5)的输出端经分光棱镜(10)后分为透射的测量光与反射的参考光：测量光经测量角锥棱镜(11)反射后平行地返回分光棱镜(10)，形成测量光路；参考光经第一低频电光相位调制器8与第二低频电光相位调制器9调制后输入到参考角锥棱镜7，经参考角锥棱镜7反射后平行地返回分光棱镜(10)，形成参考光路；返回到分光棱镜(10)的测量光和参考光合光后经偏振分光棱镜(26)分为透射的P偏振态和反射的S偏振态的两束光，P偏振态的光照射到第一光电探测器(27)被探测接收，S偏振态的光照射到第二光电探测器(28)被探测接收；第一光电探测器(27)和第二光电探测器(28)的输出端分别经第一模数转换器(30)与第二模数转换器(29)连接到现场可编程们阵列信号处理器(FPGA)(31)进行数据处理。5.根据权利要求4所述的一种动态偏频锁定式正弦频率扫描干涉绝对测距装置，其特征在于：所述的第一光纤分束器(2)输出的功率比为70％的一束激光和第二光纤分束器(25)输出的功率比为10％的一束激光一起输入到正交光纤合束器(5)中，正交光纤合束器(5)将第一光纤分束器(2)输出功率比为70％的参考激光与第二光纤分束器(25)输出功率比为90％的扫频激光分别按照P偏振态与S偏振态合为一束正交...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈本永，谢建东，严利平，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33