一种双光频梳测距系统及方法技术方案

本申请适用于双光频梳测距技术领域，提供一种双光频梳测距系统及方法，双光频梳测距系统包括第一光频梳、第二光频梳、第一环形器、第二环形器、第三环形器、色散模块、第一耦合器及第二耦合器。本申请通过色散模块对第一光频梳和第二光频梳进行时域拉伸，消除了传统双光频梳测距系统中非模糊测量范围与测量速率的相互制约，在保证系统具有较大的测量范围的前提下提升了测量速率；同时，借助时域拉伸，系统的直接测量维度由时域转换到频域，使得系统的测量精度不随时域拉伸过程中光脉冲的展宽而劣化，实现了大范围、高速率以及高精度的双光频梳距离测量。梳距离测量。梳距离测量。

【技术实现步骤摘要】
一种双光频梳测距系统及方法


[0001]本申请属于双光频梳(Optical Frequency Comb，OFC)测距
，尤其涉及一种双光频梳测距系统及方法。

技术介绍

[0002]光频梳在光学原子钟、距离测量、光谱测量、相干光通信、射频信号产生以及生物成像等领域被广泛应用。尽管双光频梳应用于测距系统中已经实现了 MHz量级的测量速率以及千米量级的测量距离，但测量速率与(非模糊)测量距离难以同时达到最优化，这主要是由双光频梳测距系统的测量距离、采样精度以及测量速率三者之间的相互制约导致。在双光频梳测距系统中，系统的测量速率等于两光频梳的重复频率失谐量，而测量距离则反比于光频梳的重复频率。因此，理论上要实现快速、大距离测量需采用重复频率失谐量大且重复频率低的双光频梳。然而，在测距时要实现准确的距离信息测量，对双光频梳产生的异步采样精度需尽量高，因此为保证足够的采样精度，通常需要采用重复频率失谐量小或重复频率高的双光频梳，这与快速、大距离的实现条件背道而驰。

技术实现思路

[0003]本申请实施例提供一种双光频梳测距系统及方法，以解决现有双光频梳测距系统中由于测量距离、采样精度以及测量速率三者之间相互制约，导致测量速率与测量距离难以同时达到最优化的问题。
[0004]本申请实施例的第一方面提供一种双光频梳测距系统，包括第一光频梳、第二光频梳、第一环形器、第二环形器、第三环形器、色散模块、第一耦合器及第二耦合器；
[0005]所述第一光频梳用于以第一预设重复频率产生参考光信号，所述参考光信号经由所述第一环形器传输至所述色散模块进行时域拉伸后、经由所述第二环形器传输至所述第二耦合器；
[0006]所述第二光频梳用于以第二预设重复频率产生测量光信号，所述测量光信号经由所述第二环形器传输至所述色散模块进行时域拉伸后，依次经由所述第一环形器和所述第三环形器传输至所述第一耦合器，再经由所述第一耦合器分束后分别传输至反射镜和待测物体，所述第一预设重复频率和所述第二预设重复频率之间具有预设失谐量；
[0007]所述反射镜反射的第一反射光信号和所述待测物体反射的第二反射光信号经由所述第一耦合器合束后，经由所述第三环形器传输至所述第二耦合器；
[0008]所述参考光信号、所述第一反射光信号及所述第二反射光信号在所述第二耦合器中发生干涉产生干涉光信号后、传输至测量设备；
[0009]所述测量设备用于测量所述干涉光信号的时域信息。
[0010]在一个实施例中，所述色散模块包括单模光纤、光栅和片上波导中的至少一种。
[0011]在一个实施例中，所述单模光纤包括普通单模光纤、色散补偿光纤、大有效面积光纤及色散位移光纤中的至少一种；
[0012]所述光栅包括光纤布拉格光栅和空间光栅中的至少一种。
[0013]在一个实施例中，所述第一光频梳和所述第二光频梳包括锁模激光器和微腔光频梳中的至少一种。
[0014]在一个实施例中，所述锁模激光器为掺铒光纤锁模激光器、铲镱光纤锁模激光器或钛宝石锁模激光器，用于发射近红外或中红外锁模光信号；
[0015]所述微腔光频梳基于硅、二氧化硅、氮化硅、铌酸锂、氟化钙及氟化镁中的至少一种实现。
[0016]在一个实施例中，所述双光频梳测距系统还包括扫描振镜；
[0017]所述扫描振镜用于调节传输至所述待测物体的测量光信号的入射位置，以实现对待测物体的二维或三维扫描。
[0018]在一个实施例中，所述双光频梳测距系统，还包括第一准直器和第二准直器；
[0019]所述测量光信号经由所述第一耦合器分束后分别传输至所述第一准直器和所述第二准直器进行准直，再分别传输至所述反射镜和所述待测物体；
[0020]所述第一反射光信号和所述第二反射光信号分别经由所述第一准直器和所述第二准直器传输至所述第一耦合器进行合束，再经由所述第三环形器传输至所述第二耦合器。
[0021]在一个实施例中，所述双光频梳测距系统还包括第一偏振控制器和第二偏振控制器中的至少一种；
[0022]所述第一偏振控制器用于控制所述第一反射光信号和所述第二反射光信号的偏振态；
[0023]所述第二偏振控制器用于控制所述参考光信号的偏振态。
[0024]本申请实施例的第二方面提供一种双光频梳测距方法，基于第一方面的双光频梳测距系统实现，所述方法包括：
[0025]控制第一光频梳以第一预设重复频率产生参考光信号；
[0026]控制第二光频梳以第二预设重复频率产生测量光信号，所述第一预设重复频率和所述第二预设重复频率之间具有预设失谐量；
[0027]根据测量设备测量的所述干涉光信号的时域信息，获得所述待测物体的距离信息。
[0028]在一个实施例中，所述根据测量设备测量的所述干涉光信号的时域信息，获得所述待测物体的距离信息，包括：
[0029]对所述干涉光信号的时域信息进行划分，确定所述参考光信号与所述第一反射光信号干涉形成的第一有效干涉光信号和对应的参考位置，以及所述参考光信号与所述第二反射光信号干涉形成的第二有效干涉光信号和对应的测量位置；
[0030]对所述第一有效干涉光信号进行傅里叶变换，获得第一相对深度信息；
[0031]对所述第二有效干涉光信号进行傅里叶变换，获得第二相对深度信息；
[0032]根据所述参考位置和所述测量位置之间的包络数量及所述第一相对深度信息和所述第二相对深度信息，获得所述待测物体的绝对距离信息。
[0033]在一个实施例中，所述第一相对深度信息的计算公式为：
[0034][0035]其中，δd1表示所述第一相对深度信息，ΔB1表示所述参考位置的干涉光信号对应的射频频率，Φ表示所述色散模块的色散量，λ0表示所述第一光频梳与所述第二光频梳的光谱交叠部分的中心波长；
[0036]所述第二相对深度信息的计算公式为：
[0037][0038]其中，δd2表示所述第二相对深度信息，ΔB2表示所述测量位置的干涉光信号对应的射频频率；
[0039]所述绝对距离信息的计算公式为：
[0040]d＝mΔd+δd1+δd2[0041][0042]其中，d表示所述绝对距离信息，m表示所述包络数量，Δd表示相邻包络之间的距离，c表示真空中的光速，Δf表示所述预设失谐量，f1表示所述第一预设重复频率，f2表示所述第二预设重复频率。
[0043]本申请实施例的第一方面提供的双光频梳测距系统，通过色散模块对第一光频梳和第二光频梳进行时域拉伸，消除了传统双光频梳测距系统中非模糊测量范围与测量速率的限制，在保证系统具有较大的测量范围的前提下提升了测量速率；同时借助时域拉伸，系统的直接测量维度由时域转换到频域，使得系统的测量精度不随时域拉伸过程中光脉冲的展宽而劣化，实现了大范围、高速率以及高精度的双光频梳距离测量。
[0044]可以理解的是，上述第二方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双光频梳测距系统，其特征在于，包括第一光频梳、第二光频梳、第一环形器、第二环形器、第三环形器、色散模块、第一耦合器及第二耦合器；所述第一光频梳用于以第一预设重复频率产生参考光信号，所述参考光信号经由所述第一环形器传输至所述色散模块进行时域拉伸后、经由所述第二环形器传输至所述第二耦合器；所述第二光频梳用于以第二预设重复频率产生测量光信号，所述测量光信号经由所述第二环形器传输至所述色散模块进行时域拉伸后，依次经由所述第一环形器和所述第三环形器传输至所述第一耦合器，再经由所述第一耦合器分束后分别传输至反射镜和待测物体，所述第一预设重复频率和所述第二预设重复频率之间具有预设失谐量；所述反射镜反射的第一反射光信号和所述待测物体反射的第二反射光信号经由所述第一耦合器合束后，经由所述第三环形器传输至所述第二耦合器；所述参考光信号、所述第一反射光信号及所述第二反射光信号在所述第二耦合器中发生干涉产生干涉光信号后、传输至测量设备；所述测量设备用于测量所述干涉光信号的时域信息。2.如权利要求1所述的双光频梳测距系统，其特征在于，所述色散模块包括单模光纤、光栅和片上波导中的至少一种。3.如权利要求2所述的双光频梳测距系统，其特征在于，所述单模光纤包括普通单模光纤、色散补偿光纤、大有效面积光纤及色散位移光纤中的至少一种；所述光栅包括光纤布拉格光栅和空间光栅中的至少一种。4.如权利要求1所述的双光频梳测距系统，其特征在于，所述第一光频梳和所述第二光频梳包括锁模激光器和微腔光频梳中的至少一种。5.如权利要求4所述的双光频梳测距系统，其特征在于，所述锁模激光器为掺铒光纤锁模激光器、铲镱光纤锁模激光器或钛宝石锁模激光器，用于发射近红外或中红外锁模光信号；所述微腔光频梳基于硅、二氧化硅、氮化硅、铌酸锂、氟化钙及氟化镁中的至少一种实现。6.如权利要求1至5任一项所述的双光频梳测距系统，其特征在于，还包括扫描振镜；所述扫描振镜用于调节传输至所述待测物体的测量光信号的入射位置，以实现对待测物体的二维或三维扫描。7.如权利要求1至5任一项所述的双光频梳测距系统，其特征在于，还包括第一准直器和第二准直器；所述测量光信号经由所述第一耦合器分束后分别传输至所述第一准直器和所述第二准直器进行准直，再分别传输至所述反射镜和所述待测物体；所述第一反射光信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：张磊，胡攀攀，徐威，
申请(专利权)人：武汉万集光电技术有限公司，
类型：发明
国别省市：