一种长距离高精度测距系统及测距方法，长距离高精度测距系统包含飞秒激光测距光路和多路同步相位测量与距离解算电路。飞秒激光测距光路包含调制光源和迈克尔逊型干涉仪，光源是经过光纤电光调制器调制的飞秒激光脉冲，迈克尔逊型干涉仪作为测距光路，分别获得参考光路的参考信号和测量光路的测量信号；多路同步相位测量与距离解算电路获取测量信号和参考信号之间的相位差，并进行多路相位测距数据融合与距离解算。本发明专利技术克服传统激光测距无法同时兼顾测量距离和测量精度的缺点，以及现有飞秒激光测距光路结构复杂、需异步操作、存在测量死区的缺点。
【技术实现步骤摘要】
一种长距离高精度测距系统及测距方法
本专利技术涉及激光精密测量领域，尤其涉及一种基于电光调制飞秒光梳的长距离高精度测距系统及测距方法。
技术介绍
长距离高精度激光测距是激光雷达、卫星精密编队飞行、大尺寸精密装配等领域不可或缺的关键技术。传统激光测距方法分为非相干探测和相干探测。非相干探测利用飞行时间法，受限于计时精度，无法满足微米级高精度测距要求；相干探测利用激光干涉测量技术，尽管测量精度可达微纳米，但是测量量程不够大，且测量过程是基于目标的相对测量，不能实现绝对测距。传统激光测距技术难以满足长距离高精度测距要求，必须寻求新的测距手段，突破现有测距技术瓶颈，实现长距离高精度绝对距离测量。飞秒激光频率梳的出现提供了一种有效的方法来突破传统激光测距中的高精度和大量程之间的技术瓶颈。得益于其时间频率的高稳定性，利用飞秒光梳进行高精度绝对距离测量方案相继被提出来。2000年，日本AIST的K.Minoshima等人首次利用飞秒激光频率梳多波长干涉法，在240m的绝对距离实现了50μm的测量精度，但光路结构复杂。2004年，美国JILA实验室叶军提出非相干飞行时间和相干条纹辨析法，但长距离传播中重复频率计时跳动和脉冲载波包络相位抖动噪声会引起包络干涉条纹对比度的下降，影响测距精度。2010年，韩国KAIST的J.H.Lee等人基于互相关技术的时间飞行法测量原理，实现了对0.7km的室外目标Allan方差仅为7nm的测量，但该方法需要调谐重频至测量脉冲和参考脉冲重合，存在测量死区。综上所述，传统激光测距技术难以突破长距离和高精度测距，而现有基于飞秒光梳的测距方法尽管能满足长距离和高精度测量要求，但光路结构复杂，需异步操作(调节激光器重复频率)，信号处理流程复杂，存在测量死区。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种长距离高精度测距系统及测距方法，克服传统激光测距无法同时兼顾测量距离和测量精度的缺点，以及现有飞秒激光测距光路结构复杂、需异步操作、存在测量死区的缺点。为了达到上述目的，本专利技术提供一种长距离高精度测距系统，包含：飞秒激光测距光路和多路同步相位测量与距离解算电路；所述飞秒激光测距光路包含：调制光源和迈克尔逊型干涉仪，所述光源是经过光纤电光调制器调制的飞秒激光脉冲，所述迈克尔逊型干涉仪作为测距光路，分别获得参考光路的参考信号和测量光路的测量信号；所述多路同步相位测量与距离解算电路获取测量信号和参考信号之间的相位差，并进行多路测距数据融合与距离解算。所述调制光源中，飞秒激光器作为初始光源，原子钟作为参考频率基准，所述原子钟的一路信号经重频稳定模块锁定飞秒激光器的重复频率，所述原子钟的另一路信号经频率综合器产生频率为fm的调制信号来驱动光纤电光调制器。所述测距光路中，经光纤电光调制器调制的飞秒激光脉冲经过偏振分束器后分成两束相互垂直的线偏光，一束线偏光作为参考光进入参考光电探测器转换为参考信号，另一束线偏光通过1/4波片变成圆偏光，进入扩束系统，入射到零点位置或目标靶球后原路返回，作为测量光进入扩束系统缩束，再经1/4波片变成与原偏振方向垂直的线偏光进入测量光电探测器转换为测量信号。所述测距光路中，所述扩束系统包含凹面镜和凸面镜。所述零点位置包含置于线性平移台的反射镜，所述零点位置位于所述扩束系统和所述目标靶球之间。所述多路同步相位测量与距离解算电路包含：分别连接所述参考光电探测器输出端和所述测量光电探测器输出端的采样变换电路，以及分别连接所述采样变换电路输出端的信号处理和距离解算电路；所述采样变换电路对参考信号或测量信号进行高速模拟数字采样，并进行傅里叶变换，获取相位信息；所述信号处理和距离解算电路利用参考信号和测量信号的相位差进行多路测距数据融合与距离解算。本专利技术还提供一种长距离高精度测距方法，包含以下步骤：步骤S1、搭建长距离高精度测距系统，通过光纤电光调制器调制飞秒激光脉冲，获取低频信号fm、基频信号fr和高次谐波信号Nfr；步骤S2、将零点位置反射镜移入飞秒激光测距光路的测量光路，测量光入射到零点位置反射镜，多路同步相位测量与距离解算电路获取参考光路光电转换后的低频信号fm、基频信号fr和高次谐波信号Nfr与测量光路光电转换后的低频信号fm、基频信号fr和高次谐波信号Nfr之间的相位差，并进行多路测距数据融合与距离解算，得到零点距离D0；步骤S3、将零点位置反射镜移出飞秒激光测距光路的测量光路，测量光入射到目标靶球，多路同步相位测量与距离解算电路以与步骤S2的相同方式获取参考光路的低频信号fm、基频信号fr和高次谐波信号Nfr与测量光路光电转换后的低频信号fm、基频信号fr和高次谐波信号Nfr之间的相位差，并进行多路测距数据融合与距离解算，得到目标距离Dm；步骤S4、多路同步相位测量与距离解算电路得到绝对距离值Dabs＝Dm-D0。获取测距数据的方法包含以下步骤：低频信号fm粗测距离值基频信号fr的测距结果为高次谐波信号Nfr的精测距离结果为其中，ng为空气折射率，c为光速，参考光路的低频信号fm、基频信号fr和高次谐波信号Nfr与测量光路光电转换后的低频信号fm、基频信号fr和高次谐波信号Nfr之间的相位差分别为均在[0,2π]区间内，三个频率测尺对应的测程Dfm、Dfr、DN分别为：进行多路测距数据融合的方法包含以下步骤：首先对低频信号粗测距离值D1和基频信号的测距结果D2进行衔接，采用置中运算算法，求得利用基频信号fr测距结果整数部分floor表示向下取整，则利用基频信号fr的解模糊测距结果为D2inter＝N1·Dfr+D2；利用D2inter的测距结果与高次谐波信号Nfr的精测距离D3衔接，采用置中运算算法，求出高次谐波信号Nfr测距结果的整数部分则利用高次谐波信号Nfr的绝对距离精测值为Dfine＝N2·DN+D3。本专利技术采用光纤电光调制器(EOM)对飞秒光梳进行强度调制、高速光电探测器进行光电转换，得到低频调制信号fm以及飞秒光梳的一系列拍频信号(微波频率梳)。分别将测距光路零点位置反射镜移入和移出测距光路，通过高速AD采样以及FFT鉴别测量信号与参考信号之间低频调制信号fm、飞秒激光基频信号fr和高次谐波信号Nfr的相位差，可在长距离范围内得到粗测和精测距离信息。采用多测尺同步测量、多测尺数据融合的方式，可突破时间分辨率高和测量范围小的技术瓶颈，完成长距离和高精度的绝对距离解算。利用零点补偿参考信号和测量信号因光程差和电信号延时引起的偏差。本专利技术无需调节激光器重复频率即可完成长距离高精度测量，信号处理和距离解算简单，结构稳定，实时性好，可满足航天精密编队飞行、大尺寸精密装配等任务需求，具有实用性，易于推广。附图说明图1为本专利技术提供的一种长距离高精度测距系统的示意图。注：图中绝对距离Dabs为零点到目标靶球的距离。图2为光纤EOM调制飞秒光梳经光电探测器后的频谱。注：本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种长距离高精度测距系统，其特征在于，包含：飞秒激光测距光路和多路同步相位测量与距离解算电路；/n所述飞秒激光测距光路包含：调制光源和迈克尔逊型干涉仪，所述光源是经过光纤电光调制器调制的飞秒激光脉冲，所述迈克尔逊型干涉仪作为测距光路，分别获得参考光路的参考信号和测量光路的测量信号；/n所述多路同步相位测量与距离解算电路获取测量信号和参考信号之间的相位差，并进行多路测距数据融合与距离解算。/n
【技术特征摘要】
1.一种长距离高精度测距系统，其特征在于，包含：飞秒激光测距光路和多路同步相位测量与距离解算电路；
所述飞秒激光测距光路包含：调制光源和迈克尔逊型干涉仪，所述光源是经过光纤电光调制器调制的飞秒激光脉冲，所述迈克尔逊型干涉仪作为测距光路，分别获得参考光路的参考信号和测量光路的测量信号；
所述多路同步相位测量与距离解算电路获取测量信号和参考信号之间的相位差，并进行多路测距数据融合与距离解算。
2.如权利要求1所述的长距离高精度测距系统，其特征在于，所述调制光源中，飞秒激光器作为初始光源，原子钟作为参考频率基准，所述原子钟的一路信号经重频稳定模块锁定飞秒激光器的重复频率，所述原子钟的另一路信号经频率综合器产生频率为fm的调制信号来驱动光纤电光调制器。
3.如权利要求2所述的长距离高精度测距系统，其特征在于，所述测距光路中，经光纤电光调制器调制的飞秒激光脉冲经过偏振分束器后分成两束相互垂直的线偏光，一束线偏光作为参考光进入参考光电探测器转换为参考信号，另一束线偏光通过1/4波片变成圆偏光，进入扩束系统，入射到零点位置或目标靶球后原路返回，作为测量光反向进入扩束系统缩束，再经1/4波片变成与原偏振方向垂直的线偏光进入测量光电探测器转换为测量信号。
4.如权利要求3所述的长距离高精度测距系统，其特征在于，所述测距光路中，所述扩束系统包含凹面镜和凸面镜。
5.如权利要求4所述的长距离高精度测距系统，其特征在于，所述零点位置包含置于线性平移台的反射镜，所述零点位置位于所述扩束系统和所述目标靶球之间。
6.如权利要求5所述的长距离高精度测距系统，其特征在于，所述多路同步相位测量与距离解算电路包含：分别连接所述参考光电探测器输出端和所述测量光电探测器输出端的采样变换电路，以及分别连接所述采样变换电路输出端的信号处理和距离解算电路；所述采样变换电路对参考信号或测量信号进行高速模拟数字采样，并进行傅里叶变换，获取相位信息；所述信号处理和距离解算电路利用参考信号和测量信号的相位差进行多路测距数据融合与距离解算。
7.一种基于如权利要求1-6中任意一项所述的长距离高精度测距系统而实现的长距离高精度测距方法，其特征在于，包含以下...
【专利技术属性】
技术研发人员：李桂存，方亚毜，张浩，孙俊，宋婷，
申请(专利权)人：上海航天控制技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31
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