專利名稱：一種測(cè)量光程的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光程測(cè)量領(lǐng)域，尤其涉及一種測(cè)量光程的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光程測(cè)量對(duì)于科學(xué)研究及工業(yè)生產(chǎn)來說都是一項(xiàng)重要的技術(shù)。近些年由于科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)光程測(cè)量也提出了越來越高的要求，如何快速、準(zhǔn)確的測(cè)量光程已成為迫切需要解決的問題。目前光程測(cè)量的主要方法是發(fā)射一個(gè)光信號(hào)到目標(biāo)上，處理反射、透射或散射的信號(hào)算出光程大小。已有的光程測(cè)量法主要包括非干涉測(cè)量法和干涉測(cè)量法。非干涉測(cè)量法也稱為飛行時(shí)間測(cè)量法，它的基本原理是測(cè)量發(fā)射到目標(biāo)上的光信號(hào)與被目標(biāo)反射回來的光信號(hào)的時(shí)間延遲t，由此可算得光程=Ct。此方法的分辨率取決于光電接收器件的響應(yīng)速度，目前絕對(duì)大多數(shù)的光電探測(cè)器帶寬較低，無法實(shí)現(xiàn)高精度的光程測(cè)量。干涉測(cè)量法則包含以下幾種方法I.外差法外差法采用單波長(zhǎng)光源進(jìn)行光程測(cè)量，其測(cè)量范圍被限制在了波長(zhǎng)的四分之一內(nèi)，因此有人提出了利用兩個(gè)相近的縱模產(chǎn)生外差干涉，其等效的合成波長(zhǎng)Xs = A1X2/! X1-X2I,遠(yuǎn)大于X1* λ 2，因此可用于增大測(cè)量范圍。該方法具有裝置簡(jiǎn)單，測(cè)量時(shí)間短，精度高的優(yōu)點(diǎn)，但其測(cè)量精度易受到模式混合與合成波長(zhǎng)穩(wěn)定性的影響，若合成波長(zhǎng)不穩(wěn)定，會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成很大影響。2.調(diào)頻干涉測(cè)量調(diào)頻干涉的基本原理為連續(xù)改變單模激光器的激光頻率，使得兩束相干光波的相位差以某種已知形式變化，例如隨時(shí)間線性變化等，就可從信號(hào)中提取光程的信息，實(shí)現(xiàn)測(cè)量。這種方法的精度較低。3.雙頻干涉法該方法利用重復(fù)頻率不同的兩束脈沖光序列，一束作為探測(cè)光脈沖序列，另一束作為參考光脈沖序列。探測(cè)光脈沖序列經(jīng)過目標(biāo)面和參考面定標(biāo)面的反射或者經(jīng)過目標(biāo)延遲與定標(biāo)延遲后，分別形成目標(biāo)脈沖序列與定標(biāo)脈沖序列，后，產(chǎn)生兩束共線的具有時(shí)延的脈沖，它們疊加到一起后與參考光脈沖序列發(fā)生干涉，由于探測(cè)光脈沖序列與參考光脈沖序列的重復(fù)頻率稍有不同，實(shí)際上相當(dāng)于用參考光脈沖序列掃描探測(cè)脈沖序列。假設(shè)參考光脈沖序列重復(fù)頻率為f；，探測(cè)光脈沖序列重復(fù)頻率為fp，它們的頻率差A(yù)f= I fr-fp I。 則整個(gè)掃描時(shí)窗大小為1/Af。假設(shè)得到的時(shí)域干涉圖樣圖上目標(biāo)脈沖相關(guān)信號(hào)與定標(biāo)脈沖相關(guān)信號(hào)之間的時(shí)間差脈沖時(shí)延為τ^，則實(shí)際時(shí)延為τ，τ = τ ^ χ Λ f/fp，則光程d = vg τ +nvg/fp,n為整數(shù)，nvg/fp表示模糊距離，η的數(shù)值可以通過目測(cè)，直尺測(cè)量、飛行距離測(cè)量法以及其它光學(xué)或者非光學(xué)的方法的得到。這種方法作為互相關(guān)技術(shù)的一個(gè)子類，可以較高的刷新率掃描整個(gè)時(shí)窗，不要求干涉光路的平衡且精度可達(dá)到微米級(jí)別。目前國際上報(bào)道的此方法均采用兩個(gè)獨(dú)立的激光器分別產(chǎn)生脈沖光，由于兩個(gè)光源的光腔相互獨(dú)立， 其重復(fù)頻率差或者需要精密的反饋控制系統(tǒng)進(jìn)行鎖定，或者容易隨著外界環(huán)境等的變化發(fā)生漂移，因此會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的成本、復(fù)雜度和精度，難以推廣應(yīng)用。多波長(zhǎng)脈沖激光器可以由一個(gè)光腔同時(shí)輸出兩個(gè)或兩個(gè)以上不同波長(zhǎng)和重復(fù)頻率的光脈沖。由于各波長(zhǎng)的光脈沖均由同一個(gè)激光腔產(chǎn)生，外界溫度、氣壓等變化帶來的光腔長(zhǎng)度變化只會(huì)導(dǎo)致各個(gè)波長(zhǎng)脈沖光重復(fù)頻率的絕對(duì)變化，由于光腔色散帶來的其重復(fù)頻率的差值變化基本可以忽略不計(jì)。因此采用這種方法實(shí)現(xiàn)的脈沖激光器具有頻率差穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，而且系統(tǒng)較采用多個(gè)獨(dú)立的激光器大大簡(jiǎn)化，系統(tǒng)成本大大降低。目前國際上報(bào)道的采用一個(gè)光腔實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)脈沖輸出的激光器的方法可分為四種一種是通過外腔注入多波長(zhǎng)直流激光的方法實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)鎖模，一種是在腔內(nèi)加入偏振相關(guān)器件，利用非線性雙折射效應(yīng)產(chǎn)生的梳狀濾波器實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)脈沖輸出，最常見的一種方法則是腔內(nèi)直接加入濾波器或者濾波器組，還有一種方法是利用摻鉺光纖本身的增益特性實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)鎖模輸出。這幾種方法所實(shí)現(xiàn)的雙波長(zhǎng)脈沖激光器均具有重復(fù)頻率差穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，可用于高精度光程測(cè)量系統(tǒng)中。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種測(cè)量光程的方法和系統(tǒng)。本發(fā)明提供了一種測(cè)量光程的方法，包括步驟1，脈沖激光器輸出兩種以上具有不同中心波長(zhǎng)和不同重復(fù)頻率的光脈沖序列；步驟2，分光器將光脈沖序列分為第一探測(cè)光脈沖序列和參考光脈沖序列，第一探測(cè)光脈沖序列的中心波長(zhǎng)為第一波長(zhǎng)，第一探測(cè)光脈沖序列的重復(fù)頻率為第一頻率，參考光脈沖序列的中心波長(zhǎng)為第二波長(zhǎng)，參考光脈沖序列的重復(fù)頻率為第二頻率；步驟3，第一探測(cè)光脈沖序列經(jīng)過定標(biāo)光路生成定標(biāo)脈沖序列，第一探測(cè)光脈沖序列經(jīng)過目標(biāo)光路生成目標(biāo)脈沖序列，定標(biāo)脈沖序列與目標(biāo)脈沖序列合并成為第二探測(cè)光脈沖序列；步驟4，測(cè)量參考光脈沖序列與第二探測(cè)光脈沖序列之間產(chǎn)生的時(shí)域相關(guān)信號(hào)；步驟5，根據(jù)時(shí)域相關(guān)信號(hào)計(jì)算第二探測(cè)光脈沖序列中目標(biāo)脈沖與其前面的最近的定標(biāo)脈沖之間的時(shí)間差從而測(cè)得目標(biāo)光路與定標(biāo)光路間的光程差。在一個(gè)示例中，時(shí)域相關(guān)信號(hào)為參考光脈沖序列與第二探測(cè)光脈沖序列之間的場(chǎng)強(qiáng)相關(guān)信號(hào)或者光強(qiáng)相關(guān)信號(hào)。在一個(gè)示例中，時(shí)域相關(guān)信號(hào)為參考光脈沖序列與探測(cè)光脈沖序列之間的場(chǎng)強(qiáng)相關(guān)信號(hào)時(shí)，參考光脈沖序列和/或第一探測(cè)光脈沖序列經(jīng)過光譜展寬或移動(dòng)，產(chǎn)生新的光譜分量，使得參考光脈沖序列的光譜和第一探測(cè)光脈沖序列的光譜交疊。在一個(gè)示例中，步驟3中，第一探測(cè)光脈沖序列入射到定標(biāo)面，經(jīng)定標(biāo)面反射生成定標(biāo)脈沖序列；第一探測(cè)光脈沖序列入射到目標(biāo)面，經(jīng)目標(biāo)面反射生成目標(biāo)脈沖序列。在一個(gè)示例中，步驟3中，第一探測(cè)光脈沖序列透射通過定標(biāo)延遲生成定標(biāo)脈沖序列，第一探測(cè)光脈沖序列透射通過目標(biāo)延遲生成目標(biāo)脈沖序列。在一個(gè)示例中，步驟5中，根據(jù)下式計(jì)算光程
d = vg(A τ Af/fp+n/fp)，其中d為目標(biāo)光路與定標(biāo)光路間的光程差，^為探測(cè)光脈沖的群速度，Δ f為參考光脈沖序列和第二探測(cè)光脈沖序列的重復(fù)頻率之差，fp為探測(cè)光脈沖序列的重復(fù)頻率，△ τ為實(shí)際測(cè)量得到的時(shí)域相關(guān)信號(hào)中目標(biāo)脈沖相關(guān)信號(hào)與其前面的最近的定標(biāo)脈沖相關(guān)信號(hào)之間的測(cè)量時(shí)間差，η為整數(shù)，nvg/fp表示模糊距離。本發(fā)明提供了一種測(cè)量光程的系統(tǒng)，包括脈沖激光器，輸出兩種以上具有不同中心波長(zhǎng)和不同重復(fù)頻率的光脈沖序列；分光器件，用于將脈沖激光器輸出的光脈沖序列分為第一探測(cè)光脈沖序列和參考光脈沖序列，第一探測(cè)光脈沖序列的中心波長(zhǎng)為第一波長(zhǎng)，第一探測(cè)光脈沖序列的重復(fù)頻率為第一頻率，參考光脈沖序列的中心波長(zhǎng)為第二波長(zhǎng)，參考光脈沖序列的重復(fù)頻率為第
二頻率；非線性光學(xué)器件，用于對(duì)參考光脈沖序列和/或第一探測(cè)光脈沖序列進(jìn)行光譜展寬或移動(dòng)，產(chǎn)生新的光譜分量，使得參考光脈沖序列的光譜和第一探測(cè)光脈沖序列的光譜
交疊；待測(cè)光程裝置，包括定標(biāo)光路和目標(biāo)光路，第一探測(cè)光脈沖序列經(jīng)過定標(biāo)光路生成定標(biāo)脈沖序列，第一探測(cè)光脈沖序列經(jīng)過目標(biāo)光路生成目標(biāo)脈沖序列；定標(biāo)脈沖序列和目標(biāo)脈沖序列合并為第二探測(cè)光脈沖序列；線性光電探測(cè)裝置，用于探測(cè)參考光脈沖序列和第二探測(cè)光脈沖序列的場(chǎng)強(qiáng)相關(guān)
信號(hào);信號(hào)采集系統(tǒng)，用于采集參考光脈沖序列與第二探測(cè)光脈沖序列的時(shí)域相關(guān)信號(hào)，并計(jì)算目標(biāo)脈沖與其前面的最近的定標(biāo)脈沖之間的時(shí)間差，從而測(cè)得目標(biāo)光路與定標(biāo)光路間的光程差。本發(fā)明提供了一種測(cè)量光程的系統(tǒng)，包括脈沖激光器，輸出兩種以上具有不同中心波長(zhǎng)和不同重復(fù)頻率的光脈沖序列；分光器件，用于將脈沖激光器輸出的光脈沖序列分為第一探測(cè)光脈沖序列和參考光脈沖序列，第一探測(cè)光脈沖序列的中心波長(zhǎng)為第一波長(zhǎng)，第一探測(cè)光脈沖序列的重復(fù)頻率為第一頻率，參考光脈沖序列的中心波長(zhǎng)為第二波長(zhǎng)，參考光脈沖序列的重復(fù)頻率為第
二頻率；待測(cè)光程裝置，包括定標(biāo)光路和目標(biāo)光路，第一探測(cè)光脈沖序列經(jīng)過定標(biāo)光路生成定標(biāo)脈沖序列，第一探測(cè)光脈沖序列經(jīng)過目標(biāo)光路生成目標(biāo)脈沖序列；定標(biāo)脈沖序列和目標(biāo)脈沖序列合并為第二探測(cè)光脈沖序列；非線性光電探測(cè)裝置，用于探測(cè)參考光脈沖序列強(qiáng)度和第二探測(cè)光脈沖序列的光強(qiáng)相關(guān)信號(hào)；信號(hào)采集系統(tǒng)，用于采集參考光脈沖序列與第二探測(cè)光脈沖序列的時(shí)域相關(guān)信號(hào)，并計(jì)算目標(biāo)脈沖與其前面的最近的定標(biāo)脈沖之間的時(shí)間差，從而測(cè)得目標(biāo)光路與定標(biāo)光路間的光程差。在一個(gè)示例中，所述待測(cè)光程裝置包括光程已知的定標(biāo)面和光程未知的目標(biāo)面， 第一探測(cè)光脈沖序列經(jīng)過定標(biāo)面反射生成定標(biāo)脈沖序列，第一探測(cè)光脈沖序列經(jīng)過目標(biāo)面反射生成目標(biāo)脈沖序列。 在一個(gè)示例中，所述待測(cè)光程裝置包括光程已知的定標(biāo)延遲和光程未知的目標(biāo)延遲，第一探測(cè)光脈沖序列透射通過定標(biāo)延遲生成定標(biāo)脈沖序列，第一探測(cè)光脈沖序列透射通過目標(biāo)延遲生成目標(biāo)脈沖序列。在一個(gè)示例中，所述脈沖激光器的腔型結(jié)構(gòu)為線型腔、折疊腔、環(huán)形腔和“8”字形腔。在一個(gè)示例中，所述脈沖激光器為主動(dòng)鎖模激光器、被動(dòng)鎖模激光器或混合鎖模激光器。在一個(gè)示例中，所述非線性光學(xué)器件為單模傳輸光纖、高非線性光纖、增益光纖、 光子晶體光纖或非線性光學(xué)集成波導(dǎo)。在一個(gè)例中,所述分光器件為光纖稱合器、分束棱鏡、分束片、濾光片、帶通濾波器或波分復(fù)用器。在一個(gè)示例中，所述線性光電探測(cè)裝置包含光纖耦合器、分束棱鏡或分束片與PIN 檢測(cè)器、APD檢測(cè)器、光電倍增管或平衡檢測(cè)器。在一個(gè)示例中，所述非線性光電探測(cè)裝置為二階非線性光學(xué)材料與PIN檢測(cè)器、 APD檢測(cè)器或光電倍增管構(gòu)成的二倍頻檢測(cè)器或雙光子吸收光電探測(cè)器件。在一個(gè)示例中，所述信號(hào)采集系統(tǒng)為模數(shù)采樣器或示波器。本發(fā)明能夠利用多波長(zhǎng)脈沖激光器精確測(cè)量光程，根據(jù)溫度、濕度、折射率等信息，可以精確測(cè)量距離，系統(tǒng)簡(jiǎn)單可行，不需要多個(gè)脈沖激光器及頻率控制裝置，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。


下面結(jié)合附圖來對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，其中
圖I是通過測(cè)量場(chǎng)強(qiáng)相關(guān)信號(hào)測(cè)量光程的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2是通過測(cè)量光強(qiáng)相關(guān)信號(hào)測(cè)量光程的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3是反射式的待測(cè)光程裝置示意圖4是透射式的待測(cè)光程裝置示意圖5是多波長(zhǎng)脈沖激光器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖6是多波長(zhǎng)脈沖激光器輸出光譜圖7是多波長(zhǎng)脈沖激光器輸出信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的頻譜圖8是采用多波長(zhǎng)脈沖激光器的光程測(cè)量系統(tǒng)圖9是多波長(zhǎng)脈沖激光器輸出光經(jīng)過濾波器后輸出的中心波長(zhǎng)為1532nm的光脈沖的光譜圖10是多波長(zhǎng)脈沖激光器輸出光經(jīng)過濾波器后輸出的中心波長(zhǎng)為1547nm的光脈沖的光譜圖11是將中心波長(zhǎng)為1547nm的光脈沖經(jīng)過光放大器2，進(jìn)行功率放大和光譜展寬后的光譜 閱圖12是光譜展寬后再經(jīng)過通帶為1528nm-1536nm的帶通濾波器后輸出光的光譜圖;
圖13是使用示波器測(cè)量到的場(chǎng)強(qiáng)相關(guān)信號(hào)；
圖14是光強(qiáng)相關(guān)信號(hào)示意圖。
具體實(shí)施例方式圖I是一種通過測(cè)量場(chǎng)強(qiáng)相關(guān)信號(hào)測(cè)量光程的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，包括多波長(zhǎng)脈沖激光器，分光器件，非線性光學(xué)器件，光電探測(cè)器件和信號(hào)采集系統(tǒng)，分光器件將多波長(zhǎng)脈沖激光器的輸出分為至少兩路信號(hào)，選取其中一路為參考光脈沖序列、一路為第一探測(cè)光脈沖序列；兩路信號(hào)中至少一路經(jīng)過非線性光學(xué)器件，使得該路信號(hào)的光譜得到展寬，兩路光脈沖序列中的第一探測(cè)光脈沖序列經(jīng)過待測(cè)光程裝置后成為第二探測(cè)光脈沖序列，第二探測(cè)光脈沖序列和參考光脈沖序列的偏振態(tài)不互相垂直，共同輸入到線性光電探測(cè)裝置，線性光電探測(cè)裝置可以由光耦合器與APD、PIN、光電倍增管或平衡檢測(cè)器等光電探測(cè)器件構(gòu)成， 信號(hào)采集系統(tǒng)接收光電探測(cè)器件產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)相關(guān)信號(hào)，并從相關(guān)信號(hào)中獲取待測(cè)的光程等信息。圖2是一種通過測(cè)量光強(qiáng)相關(guān)信號(hào)測(cè)量光程的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，包括多波長(zhǎng)脈沖激光器，分光器件，待測(cè)光程裝置，非線性光探測(cè)裝置和信號(hào)采集系統(tǒng)；該系統(tǒng)中分光器件將多波長(zhǎng)脈沖激光器的輸出分為至少兩路信號(hào)，選取其中一路為參考光脈沖序列、一路為第一探測(cè)光脈沖序列；第一探測(cè)光脈沖序列經(jīng)過待測(cè)光程裝置后成為第二探測(cè)光脈沖序列，第二探測(cè)光脈沖序列和參考光脈沖序列一起輸入到非線性光電探測(cè)裝置中，信號(hào)采集系統(tǒng)接收非線性光電探測(cè)裝置產(chǎn)生的強(qiáng)度相關(guān)信號(hào)，并從相關(guān)信號(hào)中獲取待測(cè)的光程等信息。非線性光電探測(cè)裝置為二階非線性光學(xué)材料和光電探測(cè)器件構(gòu)成的二倍頻檢測(cè)器或雙光子吸收光電探測(cè)器件。圖I中，非線性光學(xué)器件至少存在于參考光或者探測(cè)光的一路信號(hào)中。圖I和圖2中，虛線框中的模塊對(duì)于本發(fā)明而言不是必須的，如光放大器、光濾波器以及偏振控制器件。圖I中光放大器的作用是放大光信號(hào)，使其能夠通過非線性光學(xué)器件產(chǎn)生足夠強(qiáng)的非線性效應(yīng)，從而使展寬或者移動(dòng)后的光譜能夠與另外一路信號(hào)的光譜產(chǎn)生交疊，如果光信號(hào)在放大前就足以使光譜產(chǎn)生交疊，則光放大器不是必須的；圖2中光放大器的作用是放大光信號(hào)，使其能夠通過非線性光電探測(cè)裝置產(chǎn)生光強(qiáng)相關(guān)信號(hào)，如果光信號(hào)在放大前就足以產(chǎn)生光強(qiáng)相關(guān)信號(hào)，則光放大器不是必須的；偏振控制器件的作用是通過調(diào)整光信號(hào)的偏振態(tài)，使兩路信號(hào)滿足場(chǎng)強(qiáng)相關(guān)或者光強(qiáng)相關(guān)的偏振關(guān)系，如果在調(diào)整前，兩路信號(hào)就能夠產(chǎn)生相關(guān)信號(hào)了，則偏振控制器也不是必須的；光濾波器的作用是保證第二探測(cè)光脈沖序列的光譜和參考光脈沖序列的光譜具有相近的中心波長(zhǎng)，也不是必須的。圖3是反射式的待測(cè)光程裝置示意圖，包括可以對(duì)第一探測(cè)光脈沖序列產(chǎn)生反射的光程已知的定標(biāo)面和光程未知的目標(biāo)面，第一探測(cè)光脈沖序列經(jīng)過二者的反射分別形成定標(biāo)脈沖序列和目標(biāo)脈沖序列。圖4是透射式的待測(cè)光程裝置示意圖，包括光程已知的定標(biāo)延遲和光程未知的目標(biāo)延遲，第一探測(cè)光脈沖序列以透射的方式分別通過定標(biāo)延遲和目標(biāo)延遲形成定標(biāo)脈沖序列和目標(biāo)脈沖序列。實(shí)例一本實(shí)例中使用的多波長(zhǎng)鎖模激光器實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)脈沖輸出的原理是利用摻鉺光纖的增益不平坦特性，通過控制腔內(nèi)的損耗調(diào)節(jié)增益譜的形狀，使得不同波長(zhǎng)處的增益相同，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)的鎖模脈沖激光輸出。激光器的結(jié)構(gòu)如圖5所示，激光器為采用環(huán)形腔結(jié)構(gòu)的光纖被動(dòng)鎖模激光器。泵浦光源為波長(zhǎng)1480nm的半導(dǎo)體激光器503，所發(fā)出的泵浦光經(jīng)過1480/1550波分復(fù)用器502耦合進(jìn)入5米長(zhǎng)的摻鉺光纖(EDF) 501。該EDF 501在 1530nm的吸收系數(shù)是6. ldB/m。EDF連接光隔離器508，保證光在光纖腔內(nèi)單向傳播。腔內(nèi)加入偏振控制器506來控制偏振態(tài)。腔內(nèi)的鎖模器件為碳納米管/聚酰亞胺薄膜503，薄膜厚度為45微米，夾入FC/PC接頭后的損耗約為4dB。為了保證腔內(nèi)平均色散為反常色散，進(jìn)而使激光器產(chǎn)生孤子脈沖，在腔內(nèi)還額外加入6. 85m的普通單模光纖504 (包括各個(gè)器件的尾纖在內(nèi))，腔內(nèi)單模光纖的總長(zhǎng)度為11. 85m。80/20的光纖耦合器507將腔內(nèi)20%的激光輸出到腔外，80%的激光返回腔內(nèi)。腔內(nèi)的損耗使得EDF在1530和1560nm附近的增益相同，滿足雙波長(zhǎng)產(chǎn)生的條件。當(dāng)泵浦功率約為SOmW時(shí)，通過在光腔中引入振動(dòng)微擾，可以實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)鎖模，中心波長(zhǎng)分別為1532. 46nm及1547. 43nm，得到的光譜如圖6所示。使用快速光電探測(cè)器和頻譜儀檢測(cè)輸出脈沖的頻譜圖，如圖7所示。由于在光纖腔中光纖等器件存在的色散，兩個(gè)波長(zhǎng)的群速度不同，所以兩個(gè)波長(zhǎng)脈沖輸出的重復(fù)頻率也不同。從頻譜圖中可以看到，1532. 46nm波長(zhǎng)脈沖的重復(fù)頻率是34. 518773MHz，而1547. 43nm波長(zhǎng)脈沖的重復(fù)頻率f2是34. 518156MHz，頻率差A(yù)f為617Hz，兩個(gè)波長(zhǎng)所實(shí)現(xiàn)的脈沖均為二次諧波。采用上述雙波長(zhǎng)脈沖激光器的光程測(cè)量系統(tǒng)圖如圖8所示。雙波長(zhǎng)被動(dòng)鎖模光纖激光器801輸出光脈沖經(jīng)過光放大器802，進(jìn)行功率放大，然后進(jìn)入四通道的帶通光濾波器803，通帶為1528. 5nm-1536. 5nm的濾波器可以將中心波長(zhǎng)為1532. 46nm的光脈沖濾出， 其輸出光譜如圖9所示，通帶為1546nm-1554nm的濾波器可以將中心波長(zhǎng)為1547. 43nm的光脈沖濾出，其輸出光譜如圖10所示。將中心波長(zhǎng)為1547. 43nm的光脈沖經(jīng)過光放大器 804，進(jìn)行功率的放大，并利用光放大器中摻鉺光纖和單模傳輸光纖814的非線性效應(yīng)進(jìn)行光譜展寬，圖11為經(jīng)過展寬后的光譜圖。從圖中可以看到，光譜得到了很大程度的展寬， 在1532nm附近有了一定的功率分量，即與中心波長(zhǎng)為1532. 46nm的光脈沖的光譜發(fā)生了交疊。此時(shí)再經(jīng)過通帶為1528nm-1536nm的帶通濾波器806后，作為光程測(cè)量系統(tǒng)的參考光脈沖序列，其光譜如圖12所不，其功率約為60微瓦。中心波長(zhǎng)為1532. 46nm的光脈沖經(jīng)過光放大器805放大后，功率約為15毫瓦,輸入環(huán)行器的81端口，由82端口輸出第一探測(cè)光脈沖序列，經(jīng)過切斷的單模光纖和焦距為12mm的透鏡807后成為準(zhǔn)直光束輸出，光束一部分入射到反射鏡808，另一部分入射到距離較遠(yuǎn)的反射鏡809上，分別反射并耦合回光纖中，經(jīng)過環(huán)形器的端口 83輸出。單模光纖端面與808的距離約為18. 5cm，兩個(gè)反射鏡之間的距離約為29cm。兩個(gè)反射鏡之間的存在的光程差會(huì)使它們反射回來的脈沖間存在一個(gè)相對(duì)時(shí)延τ。環(huán)形器端口 83輸出的第二探測(cè)光脈沖序列與上述參考光脈沖序列分別經(jīng)過偏振控制器809、810后輸入到50/50的3dB耦合器811中，耦合器811將第二探測(cè)光脈沖序列與參考光脈沖序列合波之后，又分別入射到平衡檢測(cè)器812的兩個(gè)探頭上。使用示波器 813對(duì)平衡檢測(cè)器812的輸出信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，可以得到如圖13所示的時(shí)域相關(guān)信號(hào)。由圖 13可以看出存在3個(gè)相關(guān)信號(hào)，分別是由單模光纖端面、反射鏡I和反射鏡2反射回的光與參考光脈沖序列場(chǎng)強(qiáng)相關(guān)得到的，其兩兩之間的測(cè)量時(shí)間差Λ τ分別為70ys和109ys。 由此根據(jù)脈沖之間的時(shí)間差τ = Λ τ X Af/fp，光程差d = ν8*τ，可以得到單模光纖端面與反射鏡I的光程為37. 5368cm,反射鏡I與反射鏡2的光程為58. 8262cm。
實(shí)例二本實(shí)例采用的是與實(shí)例一原理相同的雙波長(zhǎng)脈沖激光器，雙波長(zhǎng)被動(dòng)鎖模光纖激光器輸出光脈沖經(jīng)過分光器件，將中心波長(zhǎng)為1532. 46nm的光脈沖分量與中心波長(zhǎng)為 1547. 43nm的光脈沖分量分成獨(dú)立的兩路輸出。將這兩路光脈沖的其中一路作為參考光脈沖序列，參考光脈沖寬度為O. 6ps,另一路作為第一探測(cè)光脈沖序列,探測(cè)光脈沖寬度為 lps。第一探測(cè)光脈沖序列以透射的方式經(jīng)過兩路不同的光程延遲之后，合成第二探測(cè)光脈沖序列。經(jīng)過調(diào)整偏振態(tài)后，第二探測(cè)光脈沖序列和參考光脈沖序列成為平行的光束，經(jīng)過透鏡聚焦后，會(huì)聚到二階非線性光學(xué)材料上，如BBO晶體，光電倍增管放置于BBO的后側(cè)，采集強(qiáng)度相關(guān)信號(hào)，可以得到與圖13相似的強(qiáng)度相關(guān)信號(hào)曲線，其中構(gòu)成每個(gè)峰的強(qiáng)度相關(guān)信號(hào)如圖14所示。根據(jù)互相關(guān)信號(hào)序列中各相關(guān)信號(hào)的測(cè)量時(shí)間差可以采用與實(shí)例一相似的方法解算出其中包含的光程信息。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但本發(fā)明保護(hù)范圍并不局限于此。任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明公開的技術(shù)范圍內(nèi)，均可對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)母淖兓蜃兓?，而這種改變或變化都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量光程的方法，其特征在于，包括步驟1，脈沖激光器輸出兩種以上具有不同中心波長(zhǎng)和不同重復(fù)頻率的光脈沖序列；步驟2，分光器將光脈沖序列分為第一探測(cè)光脈沖序列和參考光脈沖序列，第一探測(cè)光脈沖序列的中心波長(zhǎng)為第一波長(zhǎng)，第一探測(cè)光脈沖序列的重復(fù)頻率為第一頻率，參考光脈沖序列的中心波長(zhǎng)為第二波長(zhǎng)，參考光脈沖序列的重復(fù)頻率為第二頻率；步驟3，第一探測(cè)光脈沖序列經(jīng)過定標(biāo)光路生成定標(biāo)脈沖序列，第一探測(cè)光脈沖序列經(jīng)過目標(biāo)光路生成目標(biāo)脈沖序列，定標(biāo)脈沖序列與目標(biāo)脈沖序列合并成為第二探測(cè)光脈沖序列；步驟4，測(cè)量參考光脈沖序列與第二探測(cè)光脈沖序列之間產(chǎn)生的時(shí)域相關(guān)信號(hào)；步驟5，根據(jù)時(shí)域相關(guān)信號(hào)計(jì)算第二探測(cè)光脈沖序列中目標(biāo)脈沖與其前面的最近的定標(biāo)脈沖之間的時(shí)間差從而測(cè)得目標(biāo)光路與定標(biāo)光路間的光程差。
2.如權(quán)利要求I所述的測(cè)量光程的方法，其特征在于，時(shí)域相關(guān)信號(hào)為參考光脈沖序列與第二探測(cè)光脈沖序列之間的場(chǎng)強(qiáng)相關(guān)信號(hào)或者光強(qiáng)相關(guān)信號(hào)。
3.如權(quán)利要求2所述的測(cè)量光程的方法，其特征在于，時(shí)域相關(guān)信號(hào)為參考光脈沖序列與探測(cè)光脈沖序列之間的場(chǎng)強(qiáng)相關(guān)信號(hào)時(shí)，參考光脈沖序列和/或第一探測(cè)光脈沖序列經(jīng)過光譜展寬或移動(dòng)，產(chǎn)生新的光譜分量，使得參考光脈沖序列的光譜和第一探測(cè)光脈沖序列的光譜交疊。
4.如權(quán)利要求I所述的測(cè)量光程的方法，其特征在于，步驟3中，第一探測(cè)光脈沖序列入射到定標(biāo)面，經(jīng)定標(biāo)面反射生成定標(biāo)脈沖序列；第一探測(cè)光脈沖序列入射到目標(biāo)面，經(jīng)目標(biāo)面反射生成目標(biāo)脈沖序列。
5.如權(quán)利要求I所述的測(cè)量光程的方法，其特征在于，步驟3中，第一探測(cè)光脈沖序列透射通過定標(biāo)延遲生成定標(biāo)脈沖序列，第一探測(cè)光脈沖序列透射通過目標(biāo)延遲生成目標(biāo)脈沖序列。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的測(cè)量方法，其特征在于，步驟5中，根據(jù)下式計(jì)算光程d = ν8(Δ τ Af/fp+n/fp)，其中d為目標(biāo)光路與定標(biāo)光路間的光程差，vg為探測(cè)光脈沖的群速度，Δ f為參考光脈沖序列和第二探測(cè)光脈沖序列的重復(fù)頻率之差，fp為探測(cè)光脈沖序列的重復(fù)頻率，△ τ為實(shí)際測(cè)量得到的時(shí)域相關(guān)信號(hào)中目標(biāo)脈沖相關(guān)信號(hào)與其前面的最近的定標(biāo)脈沖相關(guān)信號(hào)之間的測(cè)量時(shí)間差，η為整數(shù)，nvg/fp表示模糊距離。
7.一種測(cè)量光程的系統(tǒng)，其特征在于，包括脈沖激光器，輸出兩種以上具有不同中心波長(zhǎng)和不同重復(fù)頻率的光脈沖序列；分光器件，用于將脈沖激光器輸出的光脈沖序列分為第一探測(cè)光脈沖序列和參考光脈沖序列，第一探測(cè)光脈沖序列的中心波長(zhǎng)為第一波長(zhǎng)，第一探測(cè)光脈沖序列的重復(fù)頻率為第一頻率，參考光脈沖序列的中心波長(zhǎng)為第二波長(zhǎng)，參考光脈沖序列的重復(fù)頻率為第二頻率；非線性光學(xué)器件，用于對(duì)參考光脈沖序列和/或第一探測(cè)光脈沖序列進(jìn)行光譜展寬或移動(dòng)，產(chǎn)生新的光譜分量，使得參考光脈沖序列的光譜和第一探測(cè)光脈沖序列的光譜交待測(cè)光程裝置，包括定標(biāo)光路和目標(biāo)光路，第一探測(cè)光脈沖序列經(jīng)過定標(biāo)光路生成定標(biāo)脈沖序列，第一探測(cè)光脈沖序列經(jīng)過目標(biāo)光路生成目標(biāo)脈沖序列；定標(biāo)脈沖序列和目標(biāo)脈沖序列合并為第二探測(cè)光脈沖序列；線性光電探測(cè)裝置，用于探測(cè)參考光脈沖序列和第二探測(cè)光脈沖序列的場(chǎng)強(qiáng)相關(guān)信號(hào);信號(hào)采集系統(tǒng)，用于采集參考光脈沖序列與第二探測(cè)光脈沖序列的時(shí)域相關(guān)信號(hào)，并計(jì)算目標(biāo)脈沖與其前面的最近的定標(biāo)脈沖之間的時(shí)間差，從而測(cè)得目標(biāo)光路與定標(biāo)光路間的光程差。
8.一種測(cè)量光程的系統(tǒng)，其特征在于，包括脈沖激光器，輸出兩種以上具有不同中心波長(zhǎng)和不同重復(fù)頻率的光脈沖序列；分光器件，用于將脈沖激光器輸出的光脈沖序列分為第一探測(cè)光脈沖序列和參考光脈沖序列，第一探測(cè)光脈沖序列的中心波長(zhǎng)為第一波長(zhǎng)，第一探測(cè)光脈沖序列的重復(fù)頻率為第一頻率，參考光脈沖序列的中心波長(zhǎng)為第二波長(zhǎng)，參考光脈沖序列的重復(fù)頻率為第二頻率；待測(cè)光程裝置，包括定標(biāo)光路和目標(biāo)光路，第一探測(cè)光脈沖序列經(jīng)過定標(biāo)光路生成定標(biāo)脈沖序列，第一探測(cè)光脈沖序列經(jīng)過目標(biāo)光路生成目標(biāo)脈沖序列；定標(biāo)脈沖序列和目標(biāo)脈沖序列合并為第二探測(cè)光脈沖序列；非線性光電探測(cè)裝置，用于探測(cè)參考光脈沖序列強(qiáng)度和第二探測(cè)光脈沖序列的光強(qiáng)相關(guān)信號(hào);信號(hào)采集系統(tǒng)，用于采集參考光脈沖序列與第二探測(cè)光脈沖序列的時(shí)域相關(guān)信號(hào)，并計(jì)算目標(biāo)脈沖與其前面的最近的定標(biāo)脈沖之間的時(shí)間差，從而測(cè)得目標(biāo)光路與定標(biāo)光路間的光程差。
9.如權(quán)利要求7或8所述的測(cè)量光程的系統(tǒng)，其特征在于，所述待測(cè)光程裝置包括光程已知的定標(biāo)面和光程未知的目標(biāo)面，第一探測(cè)光脈沖序列經(jīng)過定標(biāo)面反射生成定標(biāo)脈沖序列，第一探測(cè)光脈沖序列經(jīng)過目標(biāo)面反射生成目標(biāo)脈沖序列。
10.如權(quán)利要求7或8所述的測(cè)量光程的系統(tǒng)，其特征在于，所述待測(cè)光程裝置包括光程已知的定標(biāo)延遲和光程未知的目標(biāo)延遲，第一探測(cè)光脈沖序列透射通過定標(biāo)延遲生成定標(biāo)脈沖序列，第一探測(cè)光脈沖序列透射通過目標(biāo)延遲生成目標(biāo)脈沖序列。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種測(cè)量光程的方法和系統(tǒng)。該方法包括脈沖激光器輸出兩種以上具有不同中心波長(zhǎng)和不同重復(fù)頻率的光脈沖序列；分光器將光脈沖序列分為第一探測(cè)光脈沖序列和參考光脈沖序列；第一探測(cè)光脈沖序列經(jīng)過定標(biāo)光路生成定標(biāo)脈沖序列，第一探測(cè)光脈沖序列經(jīng)過目標(biāo)光路生成目標(biāo)脈沖序列，定標(biāo)脈沖序列與目標(biāo)脈沖序列合并成為第二探測(cè)光脈沖序列；測(cè)量參考光脈沖序列與第二探測(cè)光脈沖序列之間產(chǎn)生的時(shí)域相關(guān)信號(hào)；根據(jù)時(shí)域相關(guān)信號(hào)計(jì)算第二探測(cè)光脈沖序列中目標(biāo)脈沖與其前面的最近的定標(biāo)脈沖之間的時(shí)間差從而測(cè)得目標(biāo)光路與定標(biāo)光路間的光程差。本發(fā)明能夠利用多波長(zhǎng)脈沖激光器精確測(cè)量距離，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。
文檔編號(hào)G01J9/04GK102607720SQ201210052940
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月2日
發(fā)明者關(guān)靜宜, 劉婭, 劉磊, 趙欣, 鄭錚 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)