【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于高精度激光测距，具体涉及一种基于集成双光梳光源的齿间自干涉测距装置和方法。
技术介绍
1、齿间自干涉测距技术由对比文件1[kaoru minoshima,et al.high-accuracymeasurement of 240-m distance in an optical tunnel by use of a compactfemtosecond laser,appl.opt.2020,39(30):5512]提出，该方法通过光梳中各个梳齿信号之间的自干涉，同步生成一组波长从小到大的齿间自干涉信号作为测尺，相邻梳齿之间的自干涉信号(即重频信号)对应的测尺波长和测量范围(测尺波长的一半)最大，而光电探测器能探测得到的最高频率齿间自干涉信号对应的测尺波长最小但测量精度最高。通过不同长度多级测尺的同步生成，该技术可在一定范围内兼顾大范围、高精度以及高速度等优点，具有较好的应用前景。
2、但使用单个光梳进行齿间自干涉测距时，目前常用光梳的相邻齿间频差(即重频)通常大于1mhz，对应齿间自干涉测距的测量范围最大测量范围仅为数百米。为进一步扩大测量范围，可以选择更低重频的光梳生成测尺波长更大的齿间自干涉信号，但此时低重频的光梳齿间自干涉难以生成高质量的高频测尺信号，所引入的额外相位噪声导致在提升测距范围时难以维持原有的测距精度。因此如何在保证原有测距精度的同时获取更大波长的测尺，是目前进一步提升齿间自干涉测距范围的主要问题。
3、针对上述问题，目前国内外主要有两种技术解决方案：基于单光梳重频扫描的
4、基于单光梳重频扫描的齿间自干涉测距方法由对比文件2[yoon-soo jang etal.absolute distance measurement with extension of nonambiguity range usingthe frequency comb of a femtosecond laser.opt.eng.2014,53(12):122403]提出，该方法将单光梳的重频进行扫描，使齿间自干涉信号生成不同的测尺波长，进一步合成多个不同重频的测尺波长，得到更大的合成波长用于提升齿间自干涉测距的范围。该对比文件通过扫描重频，将光梳齿间自干涉所生成的最大测尺波长从3m微调为3.33mm，再将3m与3.33m的测尺波长进行合成，得到了2.7km的合成波长，因而将测距范围提升至1.35km，同时使用重频为100mhz的光梳生成1ghz的齿间自干涉信号作为精测测尺，兼顾了较高的测距精度。然而该方法需要手动对光梳重频进行微调，使得各级齿间自干涉测尺波长不是同步生成，无法对目标距离进行粗测和精测同步探测和计算，牺牲了齿间自干涉测距技术所具有的高速度测量优势。
5、基于相干双光梳的多波长齿间互干涉测距方法由对比文件3[wang guo-chao etal.analysis of an innovative method for large-scale high-precision absolutedistance measurement based on multi-heterodyne interference of dual opticalfrequency combs.acta phys.sin.2013,62(7):070601]提出，该方法利用两个相干光梳在光电探测器表面发生双光梳之间的齿间互干涉，提取其中最低频率的干涉信号并以此实现最大波长测尺的生成。文献提出利用重频差值为100khz、偏移频率差值为0的双光梳，通过齿间互干涉生成了波长为3km的测尺，将测距范围提升至1.5km，同时利用传统的齿间自干涉测距技术，使用重频为100mhz的光梳同步地生成高频精测测尺，可以兼顾较高的测距精度和测量速度。但是，该方法所使用的双光梳由两台独立的光梳光源提供，不仅要求两台独立光梳光源具有稳定的重频以满足传统齿间自干涉测距技术的需要，还要求两台独立光梳光源具有稳定的偏移频率差值以保证双光梳之间齿间互干涉信号的稳定性，这使得该方法对双光梳光源提出了极高的成本要求。市面上满足上述要求的一套重频与偏移频率全稳频的光梳激光器，其价格超过两百万元。两套频率相互锁定的双光梳系统，仅光源价格就超过五百万元。同时占地面积超过4平方米，系统难以集成小型化。
6、现有技术存在以下缺点：
7、1、经典的单光梳齿间自干涉测距方法难以兼顾千米级大范围和微米级高精度，目前常用光梳的相邻齿间频差(即重频)通常大于1mhz，对应齿间自干涉测距的测量范围最大测量范围仅为数百米。为进一步扩大测量范围，可以选择更低重频的光梳生成测尺波长更大的齿间自干涉信号，但此时低重频的光梳齿间自干涉难以生成高质量的高频测尺信号，所引入的额外相位噪声导致在提升测距范围时难以维持原有的测距精度。因此如何在保证原有测距精度的同时获取更大波长的测尺，是目前进一步提升齿间自干涉测距范围的主要问题。
8、2、基于单光梳重频扫描的齿间自干涉测距方法需要手动对光梳重频进行微调，使得各级齿间自干涉测尺波长不是同步生成，无法对目标距离进行粗测和精测同步探测和计算，牺牲了齿间自干涉测距技术所具有的高速度测量优势。
9、3、基于相干双光梳的多波长齿间互干涉测距方法所使用的双光梳由两台独立的光梳光源提供，不仅要求两台独立光梳光源具有稳定的重频以满足传统齿间自干涉测距技术的需要，还要求两台独立光梳光源具有稳定的偏移频率差值以保证双光梳之间齿间互干涉信号的稳定性，这使得该方法对双光梳光源提出了极高的成本要求。市面上满足上述要求的一套重频与偏移频率全稳频的光梳激光器，其价格超过两百万元。两套频率相互锁定的双光梳系统，仅光源价格就超过五百万元。同时占地面积超过4平方米，系统难以集成小型化。
10、综上所述，目前光梳齿间自干涉测距
，缺少一种能实现上千米测距范围、同时兼顾测距精度、测量速度以及系统成本的测量装置与方法。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于集成双光梳光源的齿间自干涉测距装置和方法，以解决现有技术中的问题，本专利技术所采用的技术方案是：
2、一种基于集成双光梳光源的齿间自干涉测距装置，包括：包括集成双光梳光源、集成双光梳齿间自干涉信号探测、采集与计算模块；
3、其中，集成双光梳光源发出的激光进入集成双光梳齿间自干涉信号探测、采集与计算模块，获取到调制了距离信息的光梳齿间自干涉信号和双光梳齿间自干涉信号，并进行采集和计算得到测距结果。
4、一种基于集成双光梳光源的齿间自干涉测距方法，包括：
5、步骤一：启动集成双光梳光源1和本地振荡器29，设置光梳i的重复频率fr1、光梳ii的重复频率fr2和本振信号频率flo，选择n和m值，保证待测距离l不超过不模糊范围lnar，同时保证在参考端精测信号生成混频器24和测量端精测信号生成混频器28处分别产本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于集成双光梳光源的齿间自干涉测距装置，其特征在于，包括：包括集成双光梳光源(1)、集成双光梳齿间自干涉信号探测、采集与计算模块(2)；
2.根据权利要求1所述的一种基于集成双光梳光源的齿间自干涉测距装置，其特征在于，所述集成双光梳光源(1)发出的双光梳包括偏振态相互正交的光梳I和光梳II。
3.根据权利要求2所述的一种基于集成双光梳光源的齿间自干涉测距装置，其特征在于，光梳I和光梳II在集成双光梳光源(1)中的传播路径包括一部分相同的传播路径和一部分不同的传播路径；
4.根据权利要求2所述的一种基于集成双光梳光源的齿间自干涉测距装置，其特征在于，光纤分束器(19)分出一束光进入光纤偏振分光器件(18)，由第三保偏光纤准直器(16)和第四保偏光纤准直器(17)分别输出准直的正交线偏振的光梳II和光梳I，分别从第三偏振分光棱镜(15)的两个合束面入射；
5.根据权利要求1所述的一种基于集成双光梳光源的齿间自干涉测距装置，其特征在于，所述集成双光梳齿间自干涉信号探测、采集与计算模块(2)包括参考端探测器(22)、目标反射镜(23
6.根据权利要求5所述的一种基于集成双光梳光源的齿间自干涉测距装置，其特征在于，所述集成双光梳光源(1)发出正交线偏振的光梳I和光梳II，双光梳经过二分之一波片HWP(31)后共同照射第二偏振分光棱镜(27)并发生反射和透射，其中透射光包括光梳I和光梳II，双光梳共同照射参考端探测器(22)，反射光包括光梳I和光梳II，双光梳经过四分之一波片QWP(32)共同照射目标反射镜(23)后，再经过四分之一波片QWP(32)返回第二偏振分光棱镜(27)并发生反射和透射，其中反射光包括光梳I和光梳II，双光梳共同照射测量端探测器(26)；参考端探测器(22)同时生成单光梳齿间自干涉信号和双光梳齿间自干涉信号，其中低频的参考端双光梳齿间自干涉信号直接被数据采集卡(25)采集，高频的参考端单光梳齿间自干涉信号在参考端混频器(24)处与本地振荡器(29)所生成的本振信号发生混频，混频产生的参考端中频信号被数据采集卡(25)采集；测量端探测器(26)同时生成单光梳齿间自干涉信号和双光梳齿间自干涉信号，其中低频的测量端双光梳齿间自干涉信号直接被数据采集卡(25)采集，高频的测量端单光梳齿间自干涉信号在测量端混频器(28)处与本地振荡器(29)所生成的本振信号发生混频，混频产生的测量端中频信号被数据采集卡(25)采集；数据采集卡(25)所采集的数据传输至上位机(30)进行相位和待测距离的计算。
7.根据权利要求5所述的一种基于集成双光梳光源的齿间自干涉测距装置，其特征在于，所述单光梳齿间自干涉信号包括光梳I的第N阶齿间自干涉信号和光梳II的第M阶齿间自干涉信号；
8.根据权利要求7所述的一种基于集成双光梳光源的齿间自干涉测距装置，其特征在于，所述双光梳齿间自干涉信号为同一光电探测器同时接收重复频率不同的光梳I和光梳II时，两个光梳齿间自干涉信号在探测器内再次自混频所生成的信号，其频率fcoarse为光梳I和光梳II齿间自干涉信号的频差：fcoarse＝|Nfr1-Mfr2|，该频率所对应的相位测距不模糊范围为其中c为真空光速，n为双光梳齿间自干涉信号的等效折射率，其值为其中n1为光梳I的群折射率，n2为光梳II的群折射率；所述双光梳齿间自干涉信号用于距离粗测，其频率f2nd满足级间过渡条件，其中，所述正整数M的取值由测距不模糊范围需求和频率Nfr1所决定，频率f2nd越低则测距不模糊范围越大。
9.一种基于集成双光梳光源的齿间自干涉测距方法，其特征在于，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种基于集成双光梳光源的齿间自干涉测距装置，其特征在于，包括：包括集成双光梳光源(1)、集成双光梳齿间自干涉信号探测、采集与计算模块(2)；
2.根据权利要求1所述的一种基于集成双光梳光源的齿间自干涉测距装置，其特征在于，所述集成双光梳光源(1)发出的双光梳包括偏振态相互正交的光梳i和光梳ii。
3.根据权利要求2所述的一种基于集成双光梳光源的齿间自干涉测距装置，其特征在于，光梳i和光梳ii在集成双光梳光源(1)中的传播路径包括一部分相同的传播路径和一部分不同的传播路径；
4.根据权利要求2所述的一种基于集成双光梳光源的齿间自干涉测距装置，其特征在于，光纤分束器(19)分出一束光进入光纤偏振分光器件(18)，由第三保偏光纤准直器(16)和第四保偏光纤准直器(17)分别输出准直的正交线偏振的光梳ii和光梳i，分别从第三偏振分光棱镜(15)的两个合束面入射；
5.根据权利要求1所述的一种基于集成双光梳光源的齿间自干涉测距装置，其特征在于，所述集成双光梳齿间自干涉信号探测、采集与计算模块(2)包括参考端探测器(22)、目标反射镜(23)、参考端精测信号生成混频器(24)、数据采集卡(25)、测量端探测器(26)、第二偏振分光棱镜(27)、测量端精测信号生成混频器(28)、本地振荡器(29)和上位机(30)。
6.根据权利要求5所述的一种基于集成双光梳光源的齿间自干涉测距装置，其特征在于，所述集成双光梳光源(1)发出正交线偏振的光梳i和光梳ii，双光梳经过二分之一波片hwp(31)后共同照射第二偏振分光棱镜(27)并发生反射和透射，其中透射光包括光梳i和光梳ii，双光梳共同照射参考端探测器(22)，反射光包括光梳i和光梳ii，双光梳经过四分之一波片qwp(32)共同照射目标反射镜(23)后，再经过四分之一波片qwp(32)返回第二偏振分光棱镜(27)并发生反射和透射...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙昊，杨睿韬，胡鹏程，丁雪梅，谭久彬，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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