一種雙飛秒激光頻率梳合成波干涉測(cè)距系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種雙飛秒激光頻率梳合成波干涉測(cè)距系統(tǒng)，其特征在于：第一飛秒激光頻率梳發(fā)出光脈沖到第一分光鏡經(jīng)其反射的光脈沖發(fā)射到第一角反射鏡，經(jīng)第一角反射鏡反射的光脈沖又經(jīng)第一分光鏡透射到第二分光鏡；經(jīng)第一分光鏡透射的光脈沖發(fā)射到第二角反射鏡經(jīng)其反射后又經(jīng)第一分光鏡反射到第二分光鏡；第二飛秒激光頻率梳發(fā)出光脈沖到第二分光鏡并經(jīng)其透射的光脈沖與經(jīng)邁克爾遜干涉系統(tǒng)出射的光脈沖進(jìn)行混合發(fā)射到第三分光鏡經(jīng)其透射的光脈沖經(jīng)第一窄帶帶通濾波器后被第一光電探測(cè)器探測(cè)接收，經(jīng)其反射的光脈沖經(jīng)第二窄帶帶通濾波器后被第二光電探測(cè)器探測(cè)接收；第一光電探測(cè)器和第二光電探測(cè)器連接到A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器通過(guò)相應(yīng)數(shù)據(jù)接口連接到信號(hào)處理單元將接收的信號(hào)進(jìn)行處理得到所需的測(cè)量距離值。
【專利說(shuō)明】一種雙飛秒激光頻率梳合成波干涉測(cè)距系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種激光距離測(cè)量系統(tǒng)，特別是關(guān)于一種適用于絕對(duì)距離測(cè)量的雙飛秒激光頻率梳合成波干涉測(cè)距系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的激光干涉測(cè)量是一種增量式的距離測(cè)量方式，存在二分之一波長(zhǎng)的非模糊距離。當(dāng)被測(cè)距離大于非模糊距離時(shí)，需要在基線和目標(biāo)物體之間架設(shè)導(dǎo)軌，測(cè)量過(guò)程中目標(biāo)物體需要沿導(dǎo)軌作連續(xù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)而完成條紋計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)較大范圍的距離測(cè)量。激光絕對(duì)距離測(cè)量(無(wú)導(dǎo)軌距離測(cè)量)是一種直接測(cè)量基線到目標(biāo)物體之間距離的方法，相對(duì)于前者具有適用范圍廣、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，因此其在工業(yè)和航天領(lǐng)域具有很強(qiáng)的應(yīng)用需求和前景，一方面在高速鐵路、大型飛機(jī)、核電與風(fēng)電等大型機(jī)械裝備系統(tǒng)中，對(duì)高精度大尺寸的幾何量進(jìn)行精確測(cè)量；另一方面為實(shí)現(xiàn)高精度衛(wèi)星編隊(duì)，也需要大量程、高精度的絕對(duì)距離測(cè)量技術(shù)作為保障。近年來(lái)，飛秒激光頻率梳的出現(xiàn)給激光絕對(duì)距離測(cè)量帶來(lái)了革命性的突破。
[0003]飛秒激光頻率梳是指將飛秒脈沖激光器的重復(fù)頻率(f_，簡(jiǎn)稱重頻)和相位偏移頻率(f_)與頻率基準(zhǔn)源鎖定后的裝置，它發(fā)出的激光在時(shí)域上由一系列等間隔的超短激光脈沖(脈寬為若干飛秒)組成，對(duì)應(yīng)頻域上存在一系列等間隔的離散光譜線，相鄰光譜線的頻率間隔等于飛秒激光器的重頻，這些光譜線覆蓋的光譜范圍為數(shù)十納米。在現(xiàn)有的飛秒激光頻率梳測(cè)距系統(tǒng)中，較為常用的是美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量局(NIST)提出的采用兩個(gè)具有微小重頻差的飛秒激光頻率梳構(gòu)建的測(cè)距系統(tǒng)，將其中一個(gè)飛秒激光頻率梳的脈沖用于參考和測(cè)量，另一個(gè)飛秒激光頻率梳的脈沖用于采樣。在測(cè)量過(guò)程中，采樣脈沖和參考脈沖及測(cè)量脈沖發(fā)生周期性的交疊，再?gòu)慕化B的信號(hào)中提取出距離信息。這種測(cè)量方法分為粗測(cè)和精測(cè)兩步:粗測(cè)是通過(guò)從交疊脈沖信號(hào)中提取的飛秒脈沖飛行時(shí)間信息所得到，一般能實(shí)現(xiàn)幾個(gè)微米的測(cè)量精度；而精測(cè)則是通過(guò)對(duì)多次粗測(cè)的結(jié)果進(jìn)行平均，將精度提高到四分之一波長(zhǎng)以內(nèi)，從而確定干涉條紋的整數(shù)級(jí)次(俗稱干涉相位的“大數(shù)”)，再根據(jù)提取的干涉相位對(duì)被測(cè)距離進(jìn)行精化，實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。這種方法的問(wèn)題在于僅僅粗測(cè)時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)很高的測(cè)量速度但是精度不夠高，而在粗測(cè)向精測(cè)過(guò)渡時(shí)需通過(guò)多次粗測(cè)取平均的方法進(jìn)行，大大降低了距離測(cè)量的速度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種雙飛秒激光頻率梳合成波干涉測(cè)距系統(tǒng)，其是利用雙波長(zhǎng)形成的合成波長(zhǎng)作為橋梁，將雙飛秒激光頻率梳的粗測(cè)和干涉相位直接銜接起來(lái)，即實(shí)現(xiàn)了粗測(cè)向精測(cè)的直接過(guò)渡，從而避免多次測(cè)量平均，實(shí)現(xiàn)快速高精度測(cè)量。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:一種雙飛秒激光頻率梳合成波干涉測(cè)距系統(tǒng)，其特征在于:它包括第一飛秒激光頻率梳、第二飛秒激光頻率梳、邁克爾遜干涉系統(tǒng)、第二分光鏡、第三分光鏡、第一窄帶帶通濾波器、第二窄帶帶通濾波器、第一光電探測(cè)器、第二光電探測(cè)器、A/D轉(zhuǎn)換器和信號(hào)處理單元；其中，所述邁克爾遜干涉系統(tǒng)包括第一分光鏡、第一角反射鏡和第二角反射鏡；所述第一飛秒激光頻率梳作為測(cè)量信號(hào)源，發(fā)出光脈沖到所述第一分光鏡，經(jīng)所述第一分光鏡反射的光脈沖發(fā)射到所述第一角反射鏡，經(jīng)所述第一角反射鏡反射的光脈沖又經(jīng)所述第一分光鏡透射到所述第二分光鏡；經(jīng)所述第一分光鏡透射的光脈沖發(fā)射到所述第二角反射鏡，經(jīng)所述第二角反射鏡反射后又經(jīng)所述第一分光鏡反射到所述第二分光鏡；所述第二飛秒激光頻率梳作為本機(jī)振蕩信號(hào)源，發(fā)出光脈沖到所述第二分光鏡，經(jīng)所述第二分光鏡透射的光脈沖與經(jīng)所述邁克爾遜干涉系統(tǒng)出射的光脈沖進(jìn)行混合，混合光脈沖發(fā)射到所述第三分光鏡；經(jīng)所述第三分光鏡透射的光脈沖經(jīng)所述第一窄帶帶通濾波器后被所述第一光電探測(cè)器探測(cè)接收；經(jīng)所述第三分光鏡反射的光脈沖經(jīng)所述第二窄帶帶通濾波器后被所述第二光電探測(cè)器探測(cè)接收；所述第一光電探測(cè)器和第二光電探測(cè)器的輸出端分別連接到所述A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端，所述A/D轉(zhuǎn)換器的輸出端通過(guò)相應(yīng)數(shù)據(jù)接口連接到所述信號(hào)處理單元將接收的信號(hào)進(jìn)行處理得到所需的測(cè)量距離值。
[0006]所述第一飛秒激光頻率梳和第二飛秒激光頻率梳的光譜分布必須具有較大的寬度，且必須有比較大的重疊區(qū)域，此重疊區(qū)域占二者本身光譜寬度的一半以上。
[0007]所述第一窄帶帶通濾波器和第二窄帶帶通濾波器的中心波長(zhǎng)分別為入1和入2，入1和λ 2必須在所述較大重疊區(qū)域內(nèi)，且入1和λ 2的選取需要同時(shí)滿足以下兩個(gè)條件:1)根據(jù)粗測(cè)精度選取，使得粗測(cè)精度優(yōu)于λ s/4, λ s= λ i λ 2/ ( λ 2- λ i)，為λ i和λ 2的合成波波長(zhǎng)；2)根據(jù)干涉相位測(cè)量精度Θ選取，使得通過(guò)合成波Xs測(cè)距的精度要優(yōu)于X1A或入2/4，其中，合成波As測(cè)距的精度為Xs/2.(Θ/360)。
[0008]所述第一窄帶帶通濾波器和第二窄帶帶通濾波器均采用光纖布拉格光柵。
[0009]本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn):1、本發(fā)明通過(guò)兩個(gè)窄帶帶通濾波器對(duì)兩個(gè)飛秒激光頻率梳的中心波長(zhǎng)進(jìn)行選擇，因此經(jīng)過(guò)兩個(gè)窄帶帶通濾波器之后，飛秒光脈沖在時(shí)域上展寬，采樣脈沖對(duì)參考和測(cè)量脈沖進(jìn)行采樣時(shí)會(huì)增加采樣的點(diǎn)數(shù)，提高信號(hào)質(zhì)量；另外，通過(guò)設(shè)置不同的窄帶帶通濾波器的中心波長(zhǎng)，可以得到合適的合成波作為橋梁，實(shí)現(xiàn)粗測(cè)到精測(cè)的直接過(guò)渡(無(wú)需平均)。2、本發(fā)明利用雙波長(zhǎng)形成的合成波長(zhǎng)作為橋梁，將雙飛秒激光頻率梳的粗測(cè)和干涉相位直接銜接起來(lái)，即實(shí)現(xiàn)了粗測(cè)向精測(cè)的直接過(guò)渡，從而避免多次測(cè)量平均，通過(guò)本發(fā)明實(shí)施例可知，采用本發(fā)明在不犧牲測(cè)量速度的條件下，直接將粗測(cè)(幾微米的精度)過(guò)渡到精測(cè)(納米級(jí)的精度)，有效保證了高測(cè)量速度和高測(cè)量精度。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于激光絕對(duì)距離測(cè)量中。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010]以下結(jié)合附圖來(lái)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描繪。然而應(yīng)當(dāng)理解，附圖的提供僅為了更好地理解本發(fā)明，它們不應(yīng)該理解成對(duì)本發(fā)明的限制。
[0011]圖1是本發(fā)明雙飛秒激光頻率梳合成波干涉測(cè)距系統(tǒng)的光路示意圖；
[0012]圖2是本發(fā)明的光脈沖示意圖，黑色為第一飛秒激光頻率梳FLFC1發(fā)出的光脈沖，灰色為第二飛秒激光頻率梳FLFC2發(fā)出的光脈沖；
[0013]圖3是本發(fā)明歸一化光譜強(qiáng)度示意圖，其中，Ca)為第一飛秒激光頻率梳FLFC1的光譜分布，(b)是第二飛秒激光頻率梳FLFC2的光譜分布，(c)是經(jīng)第一窄帶帶通濾波器BPF1后中心波長(zhǎng)為X1的窄帶光譜，(d)是經(jīng)第二窄帶帶通濾波器BPF2后中心波長(zhǎng)為λ2的窄帶光譜；
[0014]圖4是本發(fā)明的光脈沖混合示意圖，上一行中細(xì)實(shí)線空心條塊表示經(jīng)第一角反射鏡CR1返回的光脈沖，粗實(shí)線實(shí)心條塊表示經(jīng)第二角反射鏡CR2返回的光脈沖，下一行的粗實(shí)線空心條塊表示第二飛秒激光頻率梳FLFC2發(fā)出的光脈沖，虛線框表示光脈沖重疊位置。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0016]如圖1所示，本發(fā)明的雙飛秒激光頻率梳合成波干涉測(cè)距系統(tǒng)包括第一飛秒激光頻率梳FLFC1、第二飛秒激光頻率梳FLFC2、邁克爾遜干涉系統(tǒng)、第二分光鏡BS2、第三分光鏡BS3、第一窄帶帶通濾波器BPF1、第二窄帶帶通濾波器BPF2、第一光電探測(cè)器TO1、第二光電探測(cè)器H)2、A/D轉(zhuǎn)換器I和信號(hào)處理單元2 ;其中，邁克爾遜干涉系統(tǒng)包括第一分光鏡BS1、第一角反射鏡CR1和第二角反射鏡CR2 ；
[0017]第一飛秒激光頻率梳FLFCJt為測(cè)量信號(hào)源，發(fā)出光脈沖到邁克爾遜干涉系統(tǒng)的第一分光鏡BS1,經(jīng)第一分光鏡BS1反射的光脈沖發(fā)射到第一角反射鏡CR1,經(jīng)第一角反射鏡CR1反射的光脈沖又經(jīng)第一分光鏡BS1透射到第二分光鏡BS2 ;經(jīng)第一分光鏡BS1透射的光脈沖發(fā)射到第二角反射鏡CR2,經(jīng)第二角反射鏡CR2反射后又經(jīng)第一分光鏡BS1反射到第二分光鏡BS2 ;第二飛秒激光頻率梳FLFC2作為本機(jī)振蕩信號(hào)源，發(fā)出光脈沖到第二分光鏡BS2,經(jīng)第二分光鏡BS2透射的光脈沖與經(jīng)邁克爾遜干涉系統(tǒng)出射的光脈沖進(jìn)行混合，混合光脈沖發(fā)射到第三分光鏡BS3 ;經(jīng)第三分光鏡BS3透射的光脈沖經(jīng)過(guò)第一窄帶帶通濾波器BPF1后被第一光電探測(cè)器PD1探測(cè)接收；經(jīng)第三分光鏡BS3反射的光脈沖經(jīng)過(guò)第二窄帶帶通濾波器BPF2后被第二光電探測(cè)器 PD2探測(cè)接收。第一光電探測(cè)器PD1和第二光電探測(cè)器PD2的輸出端分別連接到A/D轉(zhuǎn)換器I的輸入端，A/D轉(zhuǎn)換器I的輸出端通過(guò)相應(yīng)數(shù)據(jù)接口連接到信號(hào)處理單元2將接收的信號(hào)進(jìn)行處理得到所需的測(cè)量距離值L。
[0018]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，第一飛秒激光頻率梳FLFC1和第二飛秒激光頻率梳FLFC2分別可以將現(xiàn)有的商用光纖飛秒激光器的重頻和相位偏移頻率鎖定到原子鐘來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以直接采用現(xiàn)有的商用飛秒激光頻率梳，兩者的重頻在數(shù)十MHz或百M(fèi)Hz量級(jí)。兩個(gè)飛秒激光頻率梳具有微小重頻差，它們?cè)跁r(shí)域上的重復(fù)周期(重頻的倒數(shù))分別記為Trt和1；2，重復(fù)周期差記為Λ?；(如圖2所示)，兩個(gè)飛秒激光頻率梳重頻差的設(shè)置應(yīng)滿足Λ?；小于兩飛秒激光頻率脈沖時(shí)域?qū)挾取?br> [0019]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，如圖3 Ca)和(b)所示，第一飛秒激光頻率梳FLFC1和第二飛秒激光頻率梳FLFC2的光譜分布必須具有較大的寬度(通常選取為20nm以上，現(xiàn)有的商用飛秒激光頻率梳都能達(dá)到)，且必須有比較大的重疊區(qū)域(重疊區(qū)域占二者本身光譜寬度的一半以上即可，這樣使窄帶帶通濾波器的中心波長(zhǎng)的選擇才有較大的余地)，第一窄帶帶通濾波器BPF1和第二窄帶帶通濾波器BPF2的中心波長(zhǎng)分別為入1和λ2，光脈沖經(jīng)過(guò)這兩個(gè)窄帶帶通濾波器之后的光譜分布如圖3中(c)和(d)所示，λ i和λ 2必須在上述較大的重疊區(qū)域內(nèi)，且入1和λ 2的選取應(yīng)同時(shí)滿足兩個(gè)條件:1)根據(jù)粗測(cè)精度(一般幾微米)選取，使得粗測(cè)精度優(yōu)于As/4，其中，As=A1X^U2-X1)，為XjP入2的合成波波長(zhǎng)；2)根據(jù)干涉相位測(cè)量精度Θ (—般優(yōu)于0.5° )選取，使得通過(guò)合成波Xs測(cè)距的精度(As/2.(θ/360))要優(yōu)于λ/4或λ2/4。只有同時(shí)滿足上述兩個(gè)條件才能夠保證粗測(cè)時(shí)將合成波干涉對(duì)應(yīng)的“大數(shù)”(干涉條紋整數(shù)級(jí)次)定準(zhǔn)，以及根據(jù)合成波測(cè)距的結(jié)果將單波長(zhǎng)干涉對(duì)應(yīng)的“大數(shù)”定準(zhǔn)。
[0020]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，兩個(gè)窄帶帶通濾波器均可以采用光纖布拉格光柵，選擇窄帶帶通濾波器的作用有兩點(diǎn):一是經(jīng)過(guò)窄帶帶通濾波器之后，飛秒脈沖在時(shí)域上會(huì)展寬，這次采樣脈沖對(duì)參考和測(cè)量脈沖進(jìn)行采樣時(shí)會(huì)增加采樣的點(diǎn)數(shù)，提高信號(hào)質(zhì)量；二是通過(guò)設(shè)置不同的窄帶帶通濾波器的中心波長(zhǎng)，可以得到合適的合成波作為橋梁，實(shí)現(xiàn)粗測(cè)到精測(cè)的直接過(guò)渡(無(wú)需平均)。
[0021]下面通過(guò)具體實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的激光測(cè)距系統(tǒng)的具體測(cè)量原理:
[0022]如圖1?4所不,本發(fā)明將第一角反射鏡CR1關(guān)于第一分光鏡BS1的鏡面對(duì)稱位置定義為基線BL (圖1中點(diǎn)劃線所示)，第二角反射鏡CR2到基線BL的距離L即為測(cè)量距離值。當(dāng)L大于零時(shí)，從第一角反射鏡CR1和第二角反射鏡CR2返回的光脈沖存在一定時(shí)間間隔τ，同時(shí)將經(jīng)第一角反射鏡CR1返回的光脈沖定義為參考臂光脈沖(如圖4所示的細(xì)實(shí)線空心條塊)，將經(jīng)第二角反射鏡CR2返回的光脈沖定義為測(cè)量臂光脈沖(如圖4所示的粗實(shí)線實(shí)心條塊)，將經(jīng)第二飛秒激光頻率梳FLFC2發(fā)出的光脈沖定義為本機(jī)振蕩光脈沖(如圖4所示的粗實(shí)線空心條塊)。
[0023]經(jīng)邁克爾遜干涉系統(tǒng)出射的參考臂光脈沖和測(cè)量臂光脈沖與經(jīng)第二分光鏡BS2透射的本機(jī)振蕩光脈沖發(fā)生混合，由于兩個(gè)飛秒激光頻率梳重頻差的存在，本機(jī)振蕩光脈沖中的各個(gè)光脈沖與參考臂光脈沖中的各個(gè)脈沖和測(cè)量臂光脈沖中的各個(gè)脈沖都會(huì)分別經(jīng)歷從分離到逐漸靠近，然后疊加，再逐漸遠(yuǎn)離的過(guò)程，而且每經(jīng)過(guò)一段Tupdate = TrlTr2ATr的時(shí)間，上述過(guò)程會(huì)重復(fù)一次，并且被第一光電探測(cè)器PD1和第二光電探測(cè)器PD2探測(cè)。第一飛秒激光頻率梳FLFC1的脈沖空間間隔可表示成TrtC, c脈沖在空氣中的光速，第二飛秒激光頻率梳FLFC2的脈沖空間間隔為I；2c，為了后續(xù)數(shù)據(jù)處理的方便，本發(fā)明在計(jì)算時(shí)令RA1=Trlc/2, RA2=Tr2c/2。
[0024]當(dāng)測(cè)量距離L小于Rai時(shí)，從第二角反射鏡CR2返回的光脈沖會(huì)在第一角反射鏡CRi返回的下一個(gè)脈沖之前到達(dá)第一分光鏡BS1，不會(huì)發(fā)生脈沖錯(cuò)位，因此測(cè)量得到的距離L即為實(shí)際的距離值，當(dāng)測(cè)量距離L大于Rai時(shí)，從第二角反射鏡CR2返回的光脈沖可能會(huì)在第一角反射鏡CR1返回的下一個(gè)脈沖之后才到達(dá)，從而發(fā)生脈沖錯(cuò)位，則此時(shí)測(cè)量得到的距離L不是實(shí)際的距離值，需要累加上Rai的整數(shù)倍才能夠得到實(shí)際距離，下面對(duì)L的具體計(jì)算過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明:
[0025]I)當(dāng)測(cè)量距離L小于Rai時(shí)，本發(fā)明對(duì)測(cè)量距離L的信號(hào)處理過(guò)程如下:
[0026]如圖4所示，在每一個(gè)Tupdate時(shí)間內(nèi)，本機(jī)振蕩光脈沖分別與參考臂光脈沖和測(cè)量臂光脈沖疊加了一次(如圖4中的虛線框所示)。對(duì)于第一光電探測(cè)器TO1探測(cè)到的信號(hào)而言，其中心波長(zhǎng)為X1，對(duì)應(yīng)的中心頻率為V10根據(jù)時(shí)域平移對(duì)應(yīng)頻域相移的定理可知，在這兩個(gè)位置的疊加信號(hào)中，頻率為V η光譜線的相位延遲(V η為中心頻率V1附近的任意一根光譜線，其相位延遲即圖4中(a)和(b)位置探測(cè)信號(hào)中的光譜線V η對(duì)應(yīng)的相位差)Λ Φ n (V11)與參考臂光脈沖和測(cè)量臂光脈沖時(shí)延τ之間的關(guān)系為:
[0027]Δ φ η ( V n) = (2 τ ).V11 (I)
[0028]由公式(I)可以得到兩次光脈沖重疊時(shí)光譜線的相位延遲與光譜線對(duì)應(yīng)的頻率成正比，信號(hào)處理單元2將接收到的(a)位置和(b)位置的干涉光信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，并將兩次脈沖重疊的相位頻譜做差運(yùn)算，得到不同光譜線的相位延遲，即得到一系列不同光頻率和與之相對(duì)應(yīng)的相位延遲(Φπ，Vli), i表示光譜線的序號(hào)，然后將得到的若干對(duì)(Φπ，Vli)進(jìn)行直線擬合，得到擬合直線的斜率為W2JI τ )，最終得到被測(cè)距離L為(時(shí)延τ對(duì)應(yīng)了光在測(cè)量距離上的往返):
[0029]L=C τ /2^^/4 π.(2)
[0030]為了進(jìn)一步提高測(cè)量精度，可以利用干涉相位的信息。首先對(duì)于第一光電探測(cè)器PDl探測(cè)到的信號(hào)而言，干涉光脈沖的中心波長(zhǎng)為λ j,中心波長(zhǎng)λ ?的對(duì)應(yīng)的干涉相位Δ Φ丨，根據(jù)干涉原理，光脈沖中心波長(zhǎng)入:在脈沖重疊的(a)和(b)位置的干涉相位差Δ φ j與被測(cè)距離L之間的關(guān)系為:
[0031]L= ( Δ φ /2 ii +Hi1).\(3)
[0032]式中，Hi1是波長(zhǎng)為λ i的光干涉對(duì)應(yīng)的整數(shù)級(jí)次(“大數(shù)”)，為非負(fù)整數(shù)。
[0033]由于Λ Ct1可以根據(jù)公式(I)由(a)位置和(b)位置的干涉光信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換的相位再相減得到。因此如果能夠準(zhǔn)確得到Hi1，則可以得到精確的距離L，但是通常要得到Hi1，一般是通過(guò)公式(2)得到的粗測(cè)距離值去除以λ/2后四舍五入取整來(lái)求。為了保證計(jì)算取整時(shí)不產(chǎn)生偏差，則需要滿足L的粗測(cè)精度優(yōu)于λ /4的條件，這與激光干涉測(cè)量中精度逐級(jí)精化的準(zhǔn)則是類似的。為了滿足這個(gè)條件，現(xiàn)有比較常用的方法是進(jìn)行多次粗測(cè)后取均值以提高粗測(cè)精度，直到平均后的精度達(dá)到優(yōu)于λ ,/4的條件時(shí)再求取Hl1，但是測(cè)量速度大大降低。
[0034]對(duì)于第二光電探測(cè) 器PD2探測(cè)到的信號(hào)而言，干涉光脈沖的中心波長(zhǎng)為λ 2，中心波長(zhǎng)λ 2的對(duì)應(yīng)的干涉相位Δ Φ2,根據(jù)干涉原理,光脈沖中心波長(zhǎng)λ 2在脈沖重疊的(a)和(b)位置的干涉相位差Λ Φ2與被測(cè)距離L之間的關(guān)系為:
[0035]L= ( Δ φ 2/2 ii +m2).λ 2/2 (4)
[0036]式中，!112為波長(zhǎng)為λ 2的光干涉對(duì)應(yīng)的整數(shù)級(jí)次(“大數(shù)”)，為非負(fù)整數(shù)。將公式(3)和公式(4)聯(lián)立化簡(jiǎn)，即將公式(3)與λ 2相乘的結(jié)果減去公式(4)與λ 1相乘的結(jié)果后得到:
[0037]L= ( Δ φ s/2 ii +ms).λ s/2 (5)
[0038]式中，As=A1A2ZU2-A1)，為入^口λ 2 的合成波波長(zhǎng)；Λ Φ s= ΔΦ2，為合成波相位；ms為合成波的整數(shù)級(jí)次(“大數(shù)”)，為非負(fù)整數(shù)。由于X1, λ2，Δ (^和Λ φ2均為已知，所以合成波波長(zhǎng)Xs和合成波相位△ 均可計(jì)算得到，如果能夠得到準(zhǔn)確的ms值，則可以通過(guò)合成波波長(zhǎng)和相位通過(guò)公式(5)得到被測(cè)距離。本實(shí)施例中將公式(2)得到的L的粗測(cè)值代入公式(5)計(jì)算ms，并對(duì)ms進(jìn)行四舍五入取整。為了保證計(jì)算得到的ms是準(zhǔn)確的，只需要滿足L的粗測(cè)精度優(yōu)于As/4即可。在上文中提到入1和λ 2的選取時(shí)需滿足這一條件，這是很容易做到的，下面舉例說(shuō)明:
[0039]以λ 1=1.555 μ m，λ 2=1.565 μ m為例，合成波波長(zhǎng)λ s=243.36 μ m。而現(xiàn)有的單次粗測(cè)L的精度一般是幾微米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于λ s/4，因此足夠保證得到準(zhǔn)確的Hls，將Hls再代回到公式(5)，并根據(jù)入3和Λ 則可以計(jì)算得到較為精確的距離L。以相位精度0.5度為例，此時(shí)得到的L的精度可達(dá)到λ Jl.(0.5/360)=0.17 μ m,已經(jīng)優(yōu)于現(xiàn)有的測(cè)量精度λ
因此將此時(shí)較為精確的L值代入到公式(3)，計(jì)算得到Hi1并四舍五入取整，則可得到準(zhǔn)確的Hi1值。再將HI1代回到公式(3)，并根據(jù)λ JP Λ Ct1則可以重新計(jì)算得到精確的L值。仍以相位精度0.5度為例，此時(shí)L的精度可達(dá)到λ /2.(0.5/360)=1.lnm。通過(guò)上述例子可以看到，通過(guò)本方法可以在不犧牲測(cè)量速度的條件下，直接將粗測(cè)(幾微米的精度)過(guò)渡到精測(cè)(納米級(jí)的精度)。
[0040]2)當(dāng)測(cè)量距離L大于Rai時(shí)，可以通過(guò)游標(biāo)原理進(jìn)行測(cè)量，具體方法為:
[0041]①當(dāng)測(cè)量距離L大于Rai時(shí)，假設(shè)測(cè)量臂光脈沖的第k個(gè)(k為任意正整數(shù)，表示脈沖序號(hào))脈沖從第一分光鏡BS1傳播到第二角反射鏡CR2再返回到第一分光鏡BS1的時(shí)段內(nèi)，參考臂光脈沖的第k，k+1,……，k+m (m為正整數(shù))個(gè)脈沖已經(jīng)完成了由第一分光鏡BS1傳播到第一角反射鏡CR1再返回到第一分光鏡BS1的過(guò)程，換而言之，如圖4所示上一行所顯示的參考臂光脈沖序列和測(cè)量臂光脈沖序列已經(jīng)發(fā)生了 m個(gè)周期的錯(cuò)位，每一個(gè)周期的錯(cuò)位對(duì)應(yīng)的距離是RA1，然而，采用上述第I)種情況的測(cè)量方法，無(wú)法將錯(cuò)位的周期數(shù)m統(tǒng)計(jì)出來(lái)，根據(jù)方法I)測(cè)量的時(shí)延對(duì)應(yīng)的是參考臂光脈沖第k+m個(gè)脈沖和測(cè)量臂光脈沖第k個(gè)脈沖之間的時(shí)延信息，將此時(shí)測(cè)的距離記為D1,則實(shí)際被測(cè)距離L可以寫成L=HiRaJD1的形式，D^Rai ；
[0042]②通過(guò)本發(fā)明的測(cè)量方法I)測(cè)量得到距離值D1 ；
[0043]③將本發(fā)明的激光測(cè)距系統(tǒng)的第一飛秒激光頻率梳FLFC1和第二飛秒激光頻率梳FLFC2進(jìn)行交換，即:第二飛秒激光頻率梳FLFC2作為測(cè)量信號(hào)源，第一飛秒激光頻率梳FLFC1作為本機(jī)振蕩信號(hào)源，采用本發(fā)明的測(cè)量方法I)測(cè)量得到距離值D2, D2〈RA2 ；
[0044]④由于交換兩個(gè)飛秒激光頻率梳前后所測(cè)量的是同一個(gè)距離L，可以表示成如下形式:
[0045]L=mRA1 +D l =mRA2+D2 (6)
[0046]式中，m的定義同上，為參考臂脈沖和測(cè)量臂脈沖之間的錯(cuò)位周期數(shù)，Rai和Ra2均為已知數(shù)，由于Rai和Ra2具有微小的差別，而這個(gè)差別會(huì)隨著m值的不同體現(xiàn)在D1和D2的差別上。因此根據(jù)測(cè)得的D1和D2即可求出m，再將m代入公式(6)，即可以計(jì)算得到實(shí)際的距離值L。
[0047]為了確保公式(6)兩邊Rai和Ra2的系數(shù)m相同，則需滿足L/RA1取整與L/RA2取整的結(jié)果相同，因此需要滿足L〈RA1RA1/(Ra1-Ra2)。
[0048]上述各實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明，其中各光學(xué)元件可以采用常用的支架進(jìn)行支撐固定，且光學(xué)元件的位置等都是可以有所變化的，只要滿足本發(fā)明的光路傳播條件即可，凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的等同變換和改進(jìn)，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。
【權(quán)利要求】
1.一種雙飛秒激光頻率梳合成波干涉測(cè)距系統(tǒng)，其特征在于:它包括第一飛秒激光頻率梳、第二飛秒激光頻率梳、邁克爾遜干涉系統(tǒng)、第二分光鏡、第三分光鏡、第一窄帶帶通濾波器、第二窄帶帶通濾波器、第一光電探測(cè)器、第二光電探測(cè)器、A/D轉(zhuǎn)換器和信號(hào)處理單元；其中，所述邁克爾遜干涉系統(tǒng)包括第一分光鏡、第一角反射鏡和第二角反射鏡； 所述第一飛秒激光頻率梳作為測(cè)量信號(hào)源，發(fā)出光脈沖到所述第一分光鏡，經(jīng)所述第一分光鏡反射的光脈沖發(fā)射到所述第一角反射鏡，經(jīng)所述第一角反射鏡反射的光脈沖又經(jīng)所述第一分光鏡透射到所述第二分光鏡；經(jīng)所述第一分光鏡透射的光脈沖發(fā)射到所述第二角反射鏡，經(jīng)所述第二角反射鏡反射后又經(jīng)所述第一分光鏡反射到所述第二分光鏡；所述第二飛秒激光頻率梳作為本機(jī)振蕩信號(hào)源，發(fā)出光脈沖到所述第二分光鏡，經(jīng)所述第二分光鏡透射的光脈沖與經(jīng)所述邁克爾遜干涉系統(tǒng)出射的光脈沖進(jìn)行混合，混合光脈沖發(fā)射到所述第三分光鏡；經(jīng)所述第三分光鏡透射的光脈沖經(jīng)所述第一窄帶帶通濾波器后被所述第一光電探測(cè)器探測(cè)接收；經(jīng)所述第三分光鏡反射的光脈沖經(jīng)所述第二窄帶帶通濾波器后被所述第二光電探測(cè)器探測(cè)接收；所述第一光電探測(cè)器和第二光電探測(cè)器的輸出端分別連接到所述A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端，所述A/D轉(zhuǎn)換器的輸出端通過(guò)相應(yīng)數(shù)據(jù)接口連接到所述信號(hào)處理單元將接收的信號(hào)進(jìn)行處理得到所需的測(cè)量距離值。
2.如權(quán)利要求1所述的一種雙飛秒激光頻率梳合成波干涉測(cè)距系統(tǒng)，其特征在于:所述第一飛秒激光頻率梳和第二飛秒激光頻率梳的光譜分布必須具有較大的寬度，且必須有比較大的重疊區(qū)域，此重疊區(qū)域占二者本身光譜寬度的一半以上。
3.如權(quán)利要求2所述的一種雙飛秒激光頻率梳合成波干涉測(cè)距系統(tǒng)，其特征在于:所述第一窄帶帶通濾波器和第二窄帶帶通濾波器的中心波長(zhǎng)分別為入1和λ2，入1和入2必須在所述較大重疊區(qū)域內(nèi)，且入工和λ 2的選取需要同時(shí)滿足以下兩個(gè)條件: 1)根據(jù)粗測(cè)精度選取，使得粗測(cè)精度優(yōu)于As/4，λλ ^U2-X1)，為λ^Ρ入2的合成波波長(zhǎng)； 2)根據(jù)干涉相位測(cè)量精度Θ選取，使得通過(guò)合成波Xs測(cè)距的精度要優(yōu)于λ/4或入2/4，其中，合成波As測(cè)距的精度為Xs/2.(Θ/360)。
4.如權(quán)利要求1或2或3所述的一種雙飛秒激光頻率梳合成波干涉測(cè)距系統(tǒng)，其特征在于:所述第一窄帶帶通濾波器和第二窄帶帶通濾波器均采用光纖布拉格光柵。
【文檔編號(hào)】G01B9/02GK103837077SQ201410106555
【公開(kāi)日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2014年3月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月21日
【發(fā)明者】吳冠豪, 沈羅豐, 周維虎 申請(qǐng)人:清華大學(xué), 中國(guó)科學(xué)院光電研究院