一种双飞秒激光频率梳测距系统技术方案

本发明专利技术涉及一种双飞秒激光频率梳测距系统，其特征在于：第一飞秒激光频率发送光脉冲到第一倍频晶体，第一倍频晶体进行倍频，并将两种光脉冲发送到第一分光镜，经第一分光镜反射的光脉冲经第一角反射镜和第一分光镜透射到分光镜；经第一分光镜透射的光脉冲发射到第二角反射镜和第一分光镜反射到分光镜；第二飞秒激光频率梳发送光脉冲到第二倍频晶体，第二倍频晶体进行倍频，将两种光脉冲同时发送到分光镜；经分光镜透射的光脉冲与经迈克尔逊干涉系统出射的光脉冲进行混合，混合光脉冲经分色镜将基频光脉冲透射到第一光电探测器，倍频光脉冲反射到第二光电探测器，第一光电探测器和第二光电探测器通过A/D采集卡连接到中央处理单元，中央处理单元将信号进行处理得到测量距离值。本发明专利技术广泛应用于激光绝对距离测量中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种激光距离测量系统，特别是关于一种适用于绝对距离测量的双飞秒激光频率梳测距系统。
技术介绍
传统的激光干涉测量是一种增量式的距离测量方式，需要在基线和目标物体之间架设导轨，测量过程中目标物体需要沿导轨作连续运动。激光绝对距离测量(无导轨距离测量)是一种直接测量基线到目标物体之间距离的方法，相对于前者具有适用范围广、操作简单等优点，因此其在工业和航天领域具有很强的应用需求和前景，一方面在高速铁路、大型飞机、核电与风电等大型机械装备系统中，对高精度大尺寸的几何量进行精确测量；另一方面在航天领域中监测飞行中的卫星编队的位置和姿态也离不开大量程、高精度的绝对距离测量。随着激光技术的发展，飞秒激光频率梳的出现给激光绝对距离测量带来了革命性的突破。飞秒激光频率梳是指将飞秒脉冲激光器的重复频率(fMp，简称重频)和相位偏移频率(f_)与频率基准源锁定后的装置，它发出的激光在时域上由一系列等间隔的超短激光脉冲(脉宽为若干飞秒)组成，对应频域上存在一系列等间隔的离散光谱线，相邻光谱线的频率间隔等于飞秒激光器的重频，这些光谱线覆盖的光谱范围为数十纳米。在现有的飞秒激光频率梳测距系统中，采用单个飞秒激光频率梳构成的测距系统只有在测量脉冲和参考脉冲发生交叠时才能够正常工作，换言之，此类测距系统所能够测量的距离限定在光脉冲空间间隔一半的整数倍附近，存在很大的测量死程。为了解决上述测量“死程”的问题，美国标准计量局(NIST)采用两个有微小重频差的飞秒激光频率梳构建测距系统，将其中一个飞秒激光频率梳的脉冲用于参考和测量，另一个飞秒激光频率梳的脉冲用于采样。在测量过程中，采样脉冲和参考脉冲及测量脉冲发生周期性的交叠，再从交叠的信号中提取出距离信息，从而消除了测量死程。然而此测距系统仍然需要面临空气折射率修正的问题，因为在高精度距离测量中，空气折射率的修正对于测量精度的影响是至关重要的，通常需要测出沿测量路径的气温、气压及湿度等大气参数分布，然后采用艾伦公式等经验公式计算出空气折射率。但是在长距离测量中，很难精确地测量大气参数分布，这势必会影响空气折射率的计算精度，从而影响测距精度。此外在一些测距的实际应用场合，测量大气参数分布也非常的不方便，从而也会影响空气折射率的修正。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种高精度、大量程、无测量死程，且能进行空气折射率自修正的双飞秒激光频率梳测距系统。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案一种双飞秒激光频率梳测距系统，其特征在于它包括第一飞秒激光频率梳、第二飞秒激光频率梳、第一倍频晶体、第二倍频晶体、迈克尔逊干涉系统、分光镜、分色镜、第一光电探测器、第二光电探测器、A/D采集卡和中央处理单元，所述迈克尔逊干涉系统包括第一分光镜、第一角反射镜和第二角反射镜；所述第一飞秒激光频率梳作为测量信号源，发送中心频率为V的光脉冲到所述第一倍频晶体，经所述第一倍频晶体倍频后产生的倍频光脉冲和基频光脉冲同时发送到所述第一分光镜，经所述第一分光镜反射的光脉冲发射到所述第一角反射镜，所述第一角反射镜将反射的光脉冲再次反射到所述第一分光镜，经所述第一分光镜透射到所述分光镜；经所述第一分光镜透射的光脉冲发射到所述第二角反射镜，经所述第二角反射镜反射的光脉冲经所述第一分光镜反射到所述分光镜；所述第二飞秒激光频率梳作为本机震荡信号源，同时发送中心频率为V的光脉冲到所述第二倍频晶体，经所述第二倍频晶体倍频后产生的倍频光脉冲和基频光脉冲同时发送到所述分光镜；经所述分光镜透射的光脉冲与经所述迈克尔逊干涉系统出射的光脉冲进行混合，混合光脉冲经所述分色镜将中心频率为V的基频光脉冲透射到所述第一光电探测器探测接收，将中心频率为2 V的倍频光脉冲反射到所述第二光电探测器探测接收，所述第一光电探测器和第二光电探测器的输出端分别连接所述 A/D采集卡的输入端，所述A/D采集卡的输出端通过相应数据接口连接到所述中央处理单元，所述中央处理单元将接收的光脉冲信号进行处理得到所需的测量距离值L。当测量距离L小于所述第一飞秒激光频率梳的脉冲空间间隔一半Rai时，L=L1-A(L2-L1)，式中，L1为基频光脉冲传播被测量距离所对应的光程，L2为倍频光脉冲传播被测量距离所对应的光程，A为两个不同波长光脉冲对应的折射率关系；当测量距离L大于第一飞秒激光频率梳的脉冲空间间隔一半Rai时，L=HiRaJD1 = mRA2+D2，式中，m为参考臂脉冲和测量臂脉冲之间的错位周期数，Ra2为第二飞秒激光频率梳的脉冲空间间隔一半，根据实际测量所得的D1和D2即可求出m，并进而得到实际的测量距离值L。两个不同波长光脉冲对应的折射率的关系A A= (n2-l) / Oi2-1i1)式中，Ii1为基频光脉冲对应的折射率，n2为倍频光脉冲对应的折射率。所述第一倍频晶体FDC1和第二倍频晶体FDC2均采用周期性极化铌酸锂晶体。所述分色镜DM采用二向色镜。所述两个飞秒激光频率梳具有微小重频差，它们在时域上的重复周期分别为Trt和1；2，重复周期差为Λ ；，两个飞秒激光频率梳的Λ I；小于两飞秒激光频率脉冲时域宽度。本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本专利技术采用第一飞秒激光频率梳作为测量信号源，第二飞秒激光频率梳作为本机震荡信号源，并分别采用两个倍频晶体分别对两个飞秒激光频率梳的光脉冲进行倍频，并同时利用基频光脉冲和倍频光脉冲这两种双波长的光完成距离测量，在测量距离过程中完成全路径空气折射率的自修正，与现有技术相比，解决了空气折射率修正的问题，从而能够大大提高测量精度，具有很好的实用性。2、本专利技术采用游标原理可以完成被测距离L大于第一飞秒激光频率梳的脉冲空间间隔一半Rai的距离测量，因此有效提高了激光距离测量量程。3、本专利技术由于采用一对有微小重频差的飞秒激光频率梳作为光源，并将其中一个飞秒激光频率梳用作参考臂光脉冲和测量臂光脉冲，另一个飞秒激光频率梳用作采样光脉冲，在测量过程中，采样光脉冲与参考臂光脉冲和测量脉冲发生周期性的混合重叠，并从重叠的信号中经过处理计算出测量距离，本专利技术继承了美国NIST系统的优点，无测量死程。本专利技术可以广泛应用于激光绝对距离测量中。附图说明图1是本专利技术的激光测距系统原理示意图；图2是本专利技术的光脉冲示意图，黑色为第一飞秒激光频率梳FLFC1发出的光脉冲，灰色为第二飞秒激光频率梳FLFC2发出的光脉冲；图3是本专利技术的光脉冲混合示意图，上一行中细实线空心条块表示经第一角反射镜CR1返回的光脉冲，粗实线实心条块表示经第二角反射镜CR2返回的光脉冲，下一行的粗实线空心条块表示第二飞秒激光频率梳FLFC2发出的光脉冲，虚线框表示光脉冲重叠位置。具体实施例方式下面结合附图和实施例对本专利技术进行详细的描述。如图1所示，本专利技术的激光测距系统包括第一飞秒激光频率梳FLFC1、第二飞秒激光频率梳FLFC2、第一倍频晶体FDC1、第二倍频晶体FDC2、迈克尔逊干涉系统、分光镜BS、分色镜DM、第一光电探测器I3D1、第二光电探测器H)2、A/D采集卡I和中央处理单元2，其中，迈克尔逊干涉系统包括第一分光镜BS1、第一角反射镜CR1和第二角反射镜CR2 ;第一飞秒激光频率梳FLFCJt为测量信号源，发出中心频率为V的光脉冲，并将其本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双飞秒激光频率梳测距系统，其特征在于：它包括第一飞秒激光频率梳、第二飞秒激光频率梳、第一倍频晶体、第二倍频晶体、迈克尔逊干涉系统、分光镜、分色镜、第一光电探测器、第二光电探测器、A/D采集卡和中央处理单元，所述迈克尔逊干涉系统包括第一分光镜、第一角反射镜和第二角反射镜；所述第一飞秒激光频率梳作为测量信号源，发送中心频率为ν的光脉冲到所述第一倍频晶体，经所述第一倍频晶体倍频后产生的倍频光脉冲和基频光脉冲同时发送到所述第一分光镜，经所述第一分光镜反射的光脉冲发射到所述第一角反射镜，所述第一角反射镜将反射的光脉冲再次反射到所述第一分光镜，经所述第一分光镜透射到所述分光镜；经所述第一分光镜透射的光脉冲发射到所述第二角反射镜，经所述第二角反射镜反射的光脉冲经所述第一分光镜反射到所述分光镜；所述第二飞秒激光频率梳作为本机震荡信号源，同时发送中心频率为ν的光脉冲到所述第二倍频晶体，经所述第二倍频晶体倍频后产生的倍频光脉冲和基频光脉冲同时发送到所述分光镜；经所述分光镜透射的光脉冲与经所述迈克尔逊干涉系统出射的光脉冲进行混合，混合光脉冲经所述分色镜将中心频率为ν的基频光脉冲透射到所述第一光电探测器探测接收，将中心频率为2ν的倍频光脉冲反射到所述第二光电探测器探测接收，所述第一光电探测器和第二光电探测器的输出端分别连接所述A/D采集卡的输入端，所述A/D采集卡的输出端通过相应数据接口连接到所述中央处理单元，所述中央处理单元将接收的光脉冲信号进行处理得到所需的测量距离值L。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴冠豪，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：