一种基于三波长飞秒激光的测距装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于三波长飞秒激光的测距装置及方法，属于长度测量技术领域。测距装置包括飞秒激光器、分光镜、参考臂光路、测量臂光路、波长选择部件、光电转换部件、相位计和计算机，使用三个不同波长的激光共同测量同一距离，用Edlén公式进行距离解算，将空气温度、压力、湿度等对测距造成的影响考虑进来，同时又可以不必进行温度、压力和湿度的测量与计算。本发明专利技术适用于当环境温度、压力、湿度等不均匀或者环境参数无法进行精确测量的场合，可用于制作远程测距系统、距离测量仪器设备以及用于距离参数的计量校准。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，属于长度测量

技术介绍
描述空间的测距技术是人类最重要的基本工程技术之一。目前的测距技术主要有时间法和空间法两类。空间法主要采用各种尺子直接测量距离和描述空间，如使用卡尺、皮尺、钢卷尺等等，距离有限并且准确度也有限。使用光波长作为尺子的测量方法即是通常的干涉测量法，可以获得更高的测量准确度和用于更长的距离。时间法主要借助于各种波动在空间或媒介中传输所需要的时间的测量，在均勻介质内传播速度恒定、传播方向不变的假设条件下获得空间距离，可以测量特别远的距离。例如使用声波、电磁波、光波等手段的各种雷达、测距机等等。在各种激光干涉测距和时间法高精度激光测距中，空气媒介不均匀和不理想导致的折射率变化，进而导致的光速在媒介中的变化是影响和制约测距精度的主要技术瓶颈之一。为解决该问题，科学家们进行了大量研究，著名的Edl6n公式即为其中的主要成果，它揭示了空气折射率与激光波长、空气温度、压力、湿度间的函数关系。通过对激光波长、环境温度、压力和湿度的测量获得空气折射率的修正补偿值，可以用来修正和计算空气中的光速，并可获得更高的测距准确度。目前制约高精度测距准确度的瓶颈包括长程测距中光程各点的温度、压力、湿度等不均匀，测量和补偿难以实现等等，使得Edl6n公式无法有效应用，导致测距准确度一直没有大的进展，特别是长距离测距情况。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有激光测距技术中空气折射率测量与补偿难以实现的问题，提出，在不进行环境参数测量的情况下获得高精度距离测量结果。本专利技术是通过以下技术方案实现的。本专利技术的一种基于三波长飞秒激光的测距装置，包括飞秒激光器、分光镜、参考臂光路、测量臂光路、波长选择部件、光电转换部件、相位计和计算机；飞秒激光器用于产生重复频率为f；、含有多个波长分量的飞秒激光，分光镜将飞秒激光一分为二，分别去往参考臂光路和测量臂光路，参考臂和测量臂光程差的绝对值即是待测距离的2倍；参考臂光路将含有参考臂长信息的激光脉冲经光电转换部件转换为频率为f；或其高次谐波的正弦电压信号进入相位计，测量臂光路将含有测量臂长信息的激光脉冲经光电转换部件转换为频率为f；或其高次谐波的正弦电压信号进入相位计，相位计通过测量两路正弦信号的相位并将测量结果送入计算机，计算机计算两路正弦信号的相位差量值并转换为时间差量值，再利用基于三波长飞秒激光的测距方法解算出被测距离并输出；波长选择部件对飞秒激光器发出的三个测距用的激光波长进行提取，用于分别在三个不同波长上进行相位差测量，获得三个不同的测距方程式，经计算机联立求解获得空气中的待测距离值输出；所述波长选择部件采用可选波长的选通滤波片或者采用衍射光栅的方式实现。本专利技术的一种基于三波长飞秒激光的测距装置，其具体测距方法的步骤如下I)给出传统的关于空气折射率计算方法，为采用Edl6n公式(nx -1) = (272.6 + ^ + -IO-6(I) AvAv n P 288_5]= K(2)\pJ =^-/-(5.7224-^^-).10-8(3)式中，ns为标准状态下的空气折射率，所述标准状态是指环境温度T为288K、压力P为760mmHg以及干燥空气的状态下；入v为真空中的波长，单位以微米计；T为环境温度，单位以开尔文计；P为环境压力，单位以毫米汞计；nt,p为在气压P、温度T条件下干燥空气的空气折射率；f为水气分压也即湿度，单位以托计；nt, p, f为气压P、温度T、水气分压f条件下的空气折射率；2)设定待测距离D为参考臂和测量臂光程差绝对值的1/2，也即实际的测量光程差是待测距离的2倍，则待测距离D可用式(4)表示D = ^ + ^-(4) 2 2其中， VIpp =—(5) J rv = C n- X—(6) dX)8 = -v(7) I 2< s In pp其中，Ipp为相邻两个飞秒激光脉冲在空间飞行中对应的距离差，称为飞秒脉冲节距；vg为飞秒激光在空气中的群速度为飞秒激光的重复频率；q为飞秒脉冲节距Ipp的整倍数；S。为待测距离D中除去整数个节距之外的小数节距部分的修正距离；c是光在真空中的速度；中心波长为 ' 的飞秒激光在空气中的折射率用n表示；浐为相位计在重复频率f；上的相位差读值；当飞秒激光重复频率固定不变时，由每一个脉冲节距Ipp带来的相位差为2 ，因而相位计获得的相位差所对应的时间差仅仅对应修正距离S。部分，由式(7)计算获得；3)采用时间飞行测距法确定步骤2)中的q值，具体过程为对于被测距离D，使用飞秒激光频率梳重复频率frt、以及对应的节距Ippl、修正距离Sca，此时激光波长为X1，其对应的群速度为Vgl，则有下式(8)成立本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于三波长飞秒激光的测距装置，其特征在于，包括飞秒激光器、分光镜、参考臂光路、测量臂光路、波长选择部件、光电转换部件、相位计和计算机； 飞秒激光器用于产生重复频率为f;、含有多个波长分量的飞秒激光，分光镜将飞秒激光一分为二，分别去往参考臂光路和测量臂光路，参考臂和测量臂光程差的绝对值即是待测距离的2倍； 参考臂光路将含有参考臂长信息的激光脉冲经光电转换部件转换为频率为f；或其高次谐波的正弦电压信号进入相位计，测量臂光路将含有测量臂长信息的激光脉冲经光电转换部件转换为频率为f；或其高次谐波的正弦电压信号进入相位计，相位计通过测量两路正弦信号的相位并将测量结果送入计算机，计算机计算两路正弦信号的相位差量值并转换为时间差量值，再利用基于三波长飞秒激光的测距方法解算出被测 距 波长选择部件对飞秒激光器发出的三个测距用的激光波长进行提取，用于分别在三个不同波长上进行相位差测量，获得三个不同的测距方程式，经计算机联立求解获得空气中的待测距离值输出。2.根据权利要求I所述的一种基于三波长飞秒激光的测距装置，其特征在于，波长选择部件采用可选波长的选通滤波片实现，其参考臂光路包括第一平面反射镜、第二平面反射镜和第一角耦反射棱镜，测量臂光路包括第一凹面反射镜、第二凹面反射镜、第三平面反射镜、第二角稱反射棱镜和聚焦透镜，光电转换部件包括第一光电探测器、第二光电探测器、第一滤波器和第二滤波器； 飞秒激光器用于产生重复频率为f；、含有多个波长分量的飞秒激光，飞秒激光经滤波片进行选通滤光后进入分光镜，分光镜将飞秒激光一分为二，分别去往参考臂光路和测量臂光路； 去往参考臂光路的激光经第一平面反射镜反射后到达第一角耦反射棱镜，经第一角耦反射棱镜反射后再经第二平面反射镜反射进入第一光电探测器，参考臂用于给测距确定零位置点，其中参考臂长为从分光镜到第一光电探测器之间光所走过的距离； 去往测量臂光路的激光经过第二凹面反射镜和第一凹面反射镜反射扩束后到达第二角耦反射棱镜，经第二角耦反射棱镜反射后的激光再经第三平面反射镜反射后再由聚焦透镜聚焦到第二光电探测器，其中测量臂长为分光镜到第二光电探测器之间光所走过的距离； 第一光电探测器和第二光电探测器分别将接收到的参考臂光路和测量臂光路的光信号转换为电信号，两路电信号分别经第一滤波器和第二滤波器滤波后进入相位计，相位计在重复频率f；或其高次谐波上对两者进行相位测量并将测量结果送入计算机进行处理，计算机将相位量值转换为时间量值，并利用基于三波长飞秒激光的测距方法解算出被测距离并输出。3.根据权利要求I所述的一种基于三波长飞秒激光的测距装置，其特征在于，波长选择部件采用衍射光栅的方式实现，用切换开关和相位计实现不同相位差的测量切换； 参考臂包括平面反射镜、第一角耦反射棱镜和第一衍射光栅，测量臂包括第一凹面反射镜、第二凹面反射镜、第二角耦反射棱镜、聚焦透镜和第二衍射光栅； 波长选择部件包括第一光阑、第二光阑、第三光阑、第四光阑、第五光阑和第六光阑，光电转换部件包括第一光电探测器、第二光电探测器、第三...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁志国，武腾飞，张大鹏，严家骅，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所，
类型：发明
国别省市：