基于光学频率梳啁啾脉冲干涉的绝对距离测量方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于激光测距领域，具体涉及基于光学频率梳啁啾脉冲干涉的绝对距离测量方法及装置，包括：采用光学频率梳产生脉冲激光并分束；将其中一束作为信号光，生成参考光和测量光，两者之间存在待测绝对距离对应的时间延迟；对另一束光展宽，作为本振光，分别与参考光和测量光干涉，产生两束干涉脉冲；对两束干涉脉冲展宽，采用高速光电探测器和高速示波器实时采集展宽后的两束干涉脉冲信息；其中本振光的冲宽度满足：参考光和测量光在任意位置均能与本振光产生干涉；将两组啁啾脉冲干涉条纹信息中的光谱相位作差，以计算得到待测绝对距离。本发明专利技术能够实现全路径无盲区的快速绝对距离测量。离测量。离测量。

【技术实现步骤摘要】
基于光学频率梳啁啾脉冲干涉的绝对距离测量方法及装置


[0001]本专利技术属于激光测距领域，更具体地，涉及基于光学频率梳啁啾脉冲干涉的绝对距离测量方法及装置。

技术介绍

[0002]在距离测量方案中，如果将参考脉冲展宽，就会发生啁啾脉冲干涉。1994年，Minoshima等人首次采用啁啾脉冲干涉，实现对目标的三维成像；2016年，Minoshima课题组基于光学频率梳啁啾脉冲干涉，采用一段单模光纤将参考脉冲展宽至皮秒量级，实现了三米距离的绝对距离测量。
[0003]然而，在以往的初步研究中，由于对脉冲展宽后的相位变化机理缺乏深入的探究，需要额外的校准步骤，以将最宽条纹对应波长的平移量与距离量对应起来。更为紧迫的是，由于无法保证测量脉冲与参考脉冲在任意位置都能够“相遇”，测量路径中依然存在极为广阔的盲区，这大大降低了距离测量的效率性能，局限了其未来的应用前景。因此，基于光学频率梳啁啾脉冲干涉，如何消除测量路径中的盲区，是一个亟待解决的科学难题。
[0004]另外，距离测量速度是一个重要的测量性能指标，许多应用场合需要对被测目标的位置或运动进行快速的瞬态分析。比如，武器装备的飞行轨迹监测、各种机床的主轴振动测量、航空发动机叶片的动态分析、锁模激光器的腔内光场演化等都需要高速的测量提供保障。但是，受限于CCD(Charge Coupled Device)相机的帧率或扫描台的机械扫描速度，光谱分析仪的单次测量时间在毫秒量级，无法满足快速测量的需求(单次测量时间达到微秒，甚至纳秒)。那么，基于光学频率梳啁啾脉冲干涉的绝对距离测量，如何突破测量速度慢的瓶颈，实现快速的实时测量，也是个需要解决的问题。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了一种基于光学频率梳啁啾脉冲干涉的绝对距离测量方法及装置，其目的在于实现全路径无盲区的快速绝对距离测量。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于光学频率梳啁啾脉冲干涉的绝对距离测量方法，包括：
[0007]采用光学频率梳产生脉冲激光，并将其分束；将其中一束作为信号光，将该信号光分成两束并分别引导至测量镜和参考镜，测量镜和参考镜分别将光反射至信号光分束位置，得到参考光和测量光，其中测量镜和参考镜分别到信号光分束位置的距离之间的距离差为待测绝对距离；
[0008]对另一束光展宽至纳秒量级，作为本振光；分别与所述参考光和所述测量光干涉束，以产生两束干涉脉冲；分别对所述两束干涉脉冲展宽，采用高速光电探测器和高速示波器分别实时采集展宽后的两束干涉脉冲的啁啾脉冲干涉条纹信息；其中，所述本振光的脉冲宽度满足：所述参考光和所述测量光在任意位置均能与本振光产生干涉；
[0009]将两组啁啾脉冲干涉条纹信息中的光谱相位作差，将作差结果作为光频率和测量
光与参考光之间的时间延迟的乘积，计算得到延迟时间，由所述延迟时间计算得到所述待测绝对距离。
[0010]进一步，设置所述参考光和所述测量光的偏振方向不同，以实现分束。
[0011]进一步，所述本振光的脉冲宽度为T
r
/2，其中，T
r
＝1/f
rep
，表示相邻两个脉冲之间的时间间隔。
[0012]进一步，所述待测绝对距离的计算方式为：
[0013]将参考光与本振光的啁啾脉冲干涉条纹的光谱相位Φ
ref,LO
(ω)表示为：
[0014][0015]将测量光与本振光的啁啾脉冲干涉条纹的光谱相位Φ
meas,LO
(ω)表示为：
[0016][0017]计算光谱相位差，ΔΦ＝Φ
meas,LO
(ω)
‑
Φ
ret,LO
(ω)＝τω；
[0018]计算被测距离，计算公式为：
[0019]其中，c为真空中的光速，n
g
为空气的群折射率，β1、β2、β3分别是不同阶次的群速度色散系数，ω
c
是光学频率梳的中心角频率，z是第一色散光纤的长度，Φ
r
为参考光与本振光的初始相位差，τ为测量光与参考光之间的时间延迟。
[0020]本专利技术还提供一种基于光学频率梳啁啾脉冲干涉的绝对距离测量装置，用于执行如如上所述的一种基于光学频率梳啁啾脉冲干涉的绝对距离测量方法，包括：光学频率梳，光纤耦合器，第一色散光纤，第一1/2波片，第一偏振分束器，第一1/4波片，第二1/4波片，测量镜，参考镜，第二1/2波片，第三1/2波片，合束器，第二偏振分束器，第二色散光纤，第三色散光纤，第一高速光电探测器，第二高速光电探测器，高速示波器，以及处理器；
[0021]所述光学频率梳用于发出测距所用的脉冲激光；
[0022]所述光纤耦合器用于对脉冲激光进行分束，一部分用作信号光，另一部分经所述第一色散光纤展宽并作为本振光；
[0023]由所述第一偏振分束器、所述测量镜和所述参考镜组成迈克尔逊干涉仪，用于产生参考光和测量光，测量镜和参考镜分别到第一偏振分束器的距离之间的距离差为待测绝对距离，所述测量光与所述参考光之间存在待测绝对距离对应的时间延迟；所述第一1/2波片设置在第一偏振分束器的前端，所述第一1/4波片和所述第二1/4波片分别设置在所述迈克尔逊干涉仪的两臂上，所述第二1/2波片设置在所述第一偏振分束器用于输出参考光和测量光的输出端，第一1/2波片、第一1/4波片、第二1/4波片和第二1/2波片组合用于使得迈克尔逊干涉仪输出偏振方向不同的参考光和测量光；
[0024]所述第三1/2波片用于产生具有两种不同偏振方向的本振光，以使得在所述合束器将第三1/2波片所输出的本振光与所述参考光和所述测量光合束后，所述第二偏振分束器将两个信号光与本振光干涉后的光脉冲进行分离，得到两路干涉脉冲；
[0025]所述第二色散光纤和所述第三色散光纤分别用于对两束干涉脉冲展宽；所述第一高速光电探测器、第二高速光电探测器和所述高速示波器协同用于实时采集展宽后的两束干涉脉冲的啁啾脉冲干涉条纹信息；所述处理器用于基于两组啁啾脉冲干涉条纹信息，计算待测绝对距离；
[0026]所述第一色散光纤的色散参数和长度满足：所述参考光和所述测量光在任意位置均能与所述第一色散光纤所展宽得到的本振光产生干涉。
[0027]进一步，还包括功率放大器，设置在所述光纤耦合器和所述第一1/2波片之间，用于放大光功率。
[0028]进一步，所述本振光的脉冲宽度为T
r
/2，其中，T
r
＝1/f
rep
，表示相邻两个脉冲之间的时间间隔。
[0029]进一步，所述处理器计算待测绝对距离的计算方式为：
[0030]将参考光与本振光的啁啾脉冲干涉条纹的光谱相位Φ
ref,LO
(ω)表示为：
[0031][0032]将测量光与本振光的啁啾脉冲干涉条纹的光谱相位Φ
本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光学频率梳啁啾脉冲干涉的绝对距离测量方法，其特征在于，包括：采用光学频率梳产生脉冲激光，并将其分束；将其中一束作为信号光，将该信号光分成两束并分别引导至测量镜和参考镜，测量镜和参考镜分别将光反射至信号光分束位置，得到参考光和测量光，其中测量镜和参考镜分别到信号光分束位置的距离之间的距离差为待测绝对距离；对另一束光展宽至纳秒量级，作为本振光；分别与所述参考光和所述测量光干涉，以产生两束干涉脉冲；分别对所述两束干涉脉冲展宽，采用高速光电探测器和高速示波器分别实时采集展宽后的两束干涉脉冲的啁啾脉冲干涉条纹信息；其中，所述本振光的脉冲宽度满足：所述参考光和所述测量光在任意位置均能与本振光产生干涉；将两组啁啾脉冲干涉条纹信息中的光谱相位作差，将作差结果作为光频率和测量光与参考光之间的时间延迟的乘积，计算得到延迟时间，由所述延迟时间计算得到所述待测绝对距离。2.根据权利要求1所述的绝对距离测量方法，其特征在于，设置所述参考光和所述测量光的偏振方向不同，以实现分束。3.根据权利要求1所述的绝对距离测量方法，其特征在于，所述本振光的脉冲宽度为T
r
/2，其中，T
r
＝1/f
rep
，表示相邻两个脉冲之间的时间间隔。4.根据权利要求1至3任一项所述的绝对距离测量方法，其特征在于，所述待测绝对距离的计算方式为：将参考光与本振光的啁啾脉冲干涉条纹的光谱相位Φ
ref,LO
(ω)表示为：将测量光与本振光的啁啾脉冲干涉条纹的光谱相位Φ
meas,LO
(ω)表示为：计算光谱相位差，ΔΦ＝Φ
meas,LO
(ω)
‑
Φ
ref,LO
(ω)＝τω；计算被测距离，计算公式为：其中，c为真空中的光速，n
g
为空气的群折射率，β1、β2、β3分别是不同阶次的群速度色散系数，ω
c
是光学频率梳的中心角频率，z是第一色散光纤的长度，Φ
r
为参考光与本振光的初始相位差，τ为测量光与参考光之间的时间延迟。5.一种基于光学频率梳啁啾脉冲干涉的绝对距离测量装置，其特征在于，用于执行如权利要求1所述的一种基于光学频率梳啁啾脉冲干涉的绝对距离测量方法，包括：光学频率梳，光纤耦合器，第一色散光纤，第一1/2波片，第一偏振分束器，第一1/4波片，第二1/4波片，测量镜，参考镜，第二1/2波片，第三1/2波片，合束器，第二偏振分束器，第二色散光纤，第三色散光纤，第一高速光电探测器，第二高速光电探测器，高速示波器，以及处理器；所述光学频率梳用于发出测距所用的脉冲激光；所述光纤耦合器用于对脉冲...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵成刚，职佳文，吴翰钟，罗丹，许茗洋，谈玉杰，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：