基于飛秒光梳同步鎖頻的多波長(zhǎng)干涉實(shí)時(shí)絕對(duì)測(cè)距裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明主要涉及到激光測(cè)距領(lǐng)域，特指一種基于飛秒光梳同步鎖頻的多波長(zhǎng)干涉 實(shí)時(shí)絕對(duì)測(cè)距裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光測(cè)距是目前精度最高的距離測(cè)量方法和技術(shù)。傳統(tǒng)測(cè)距方式主要分為激光非 相干測(cè)量和干涉測(cè)量?jī)纱箢悺Ｇ罢咭驯粡V泛應(yīng)用于對(duì)地、對(duì)月觀測(cè)定位等空間遠(yuǎn)距離測(cè)量， 但受限于電子分辨能力，測(cè)量精度只能到_量級(jí)?；诹悴詈屯獠罾碚摰募す飧缮鏈y(cè)量技 術(shù)雖能實(shí)現(xiàn)納米定位精度，已比較成熟地應(yīng)用于精密工程領(lǐng)域，但由于其測(cè)量原理基于條 紋計(jì)數(shù)和相位累加，因此測(cè)量非模糊度量程(NAR)僅為半個(gè)激光波長(zhǎng)，無(wú)法滿足大尺寸裝備 制造和機(jī)械安裝中絕對(duì)距離測(cè)量的要求，如大飛機(jī)制造、船舶制造、雷達(dá)天線距離監(jiān)測(cè)、大 型精密機(jī)床的測(cè)量和裝配等。為此，發(fā)展大尺寸高精度激光絕對(duì)測(cè)距原理和技術(shù)，對(duì)科學(xué)研 究、工業(yè)生產(chǎn)和航空航天等眾多領(lǐng)域具有重要意義。
[0003] 隨著精密光譜學(xué)的發(fā)展，有從業(yè)者提出了一種革命性的新型激光光源一飛秒激光 光學(xué)頻率梳(簡(jiǎn)稱"飛秒光梳"），它的出現(xiàn)不僅實(shí)現(xiàn)了光學(xué)頻率和微波頻率的對(duì)接，而且?guī)?來(lái)了長(zhǎng)度計(jì)量和激光絕對(duì)距離測(cè)量技術(shù)的革新，為實(shí)現(xiàn)大尺寸高精度激光絕對(duì)測(cè)距提供了 諸多新方法和新技術(shù)，有望在空間環(huán)境下對(duì)上千公里的測(cè)距目標(biāo)達(dá)到納米級(jí)的理論測(cè)量分 辨率和精度。
[0004] 經(jīng)典的外差干涉儀一般是基于邁克爾遜干涉儀光路，雙頻激光光源出射頻差固定 且偏振方向互相垂直的線偏振光，當(dāng)光源經(jīng)過(guò)偏振分光棱鏡分別進(jìn)入?yún)⒖悸泛蜏y(cè)量路時(shí)會(huì) 存在偏振成分的泄露，因而形成的外差干涉信號(hào)存在偏振混疊，造成測(cè)量結(jié)果的非線性誤 差。為了克服偏振混疊造成的測(cè)相非線性誤差，必須在干涉儀光路中使用非偏振光學(xué)分光 元件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題就在于:針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一 種適用范圍廣、精度高的基于飛秒光梳同步鎖頻的多波長(zhǎng)干涉實(shí)時(shí)絕對(duì)測(cè)距裝置。
[0006] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0007] -種基于飛秒光梳同步鎖頻的多波長(zhǎng)干涉實(shí)時(shí)絕對(duì)測(cè)距裝置，包括：
[0008] 飛秒光梳同步鎖頻的多波長(zhǎng)發(fā)生器，用來(lái)出射多個(gè)高頻率穩(wěn)定度的目標(biāo)波長(zhǎng)激 光，即作為輸出鎖頻到飛秒光梳的多波長(zhǎng)激光光源；
[0009] 外差干涉儀，用來(lái)接收由飛秒光梳同步鎖頻的多波長(zhǎng)發(fā)生器輸出的激光，該激光 經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直后入射到外差干涉儀，發(fā)生干涉的返回測(cè)量光和參考光由透鏡聚焦耦合到單模光 纖中，形成混合的多波長(zhǎng)外差干涉信號(hào)；
[0010] 同步相位解調(diào)模塊，用來(lái)將外差干涉儀得到的混合干涉信號(hào)通過(guò)波長(zhǎng)解調(diào)分離得 到各個(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的干涉信號(hào)，并對(duì)各個(gè)波長(zhǎng)的干涉信號(hào)進(jìn)行同步相位測(cè)量；
[0011] 處理分析模塊，用來(lái)對(duì)同步相位解調(diào)模塊測(cè)量得到的小數(shù)相位信息和準(zhǔn)確的波長(zhǎng) 值，利用多波長(zhǎng)算法得到精確的絕對(duì)距離值。
[0012] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):所述飛秒光梳同步鎖頻的多波長(zhǎng)發(fā)生器包括光纖布拉 格光柵陣列FBGA和多個(gè)CW激光器;飛秒光梳經(jīng)過(guò)所述光纖布拉格光柵陣列FBGA后并列篩選 出多個(gè)梳模區(qū)間，并與多個(gè)所述CW激光器發(fā)射的目標(biāo)波長(zhǎng)激光形成拍頻;基于拍頻利用 0PLL技術(shù)對(duì)CW激光頻率進(jìn)行反饋控制，完成激光器頻率鎖定;再通過(guò)所述光纖布拉格光柵 陣列FBGA將穩(wěn)頻之后的多個(gè)CW激光高效地耦合到同一根單模光纖上，實(shí)現(xiàn)出射多個(gè)高頻率 穩(wěn)定度的目標(biāo)波長(zhǎng)激光。
[0013] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):所述0PLL鎖頻的具體過(guò)程為:經(jīng)所述光纖布拉格光柵 陣列FBGA選頻之后的部分飛秒光梳梳模與CW激光器產(chǎn)生拍頻f b，由探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電信號(hào) 之后，以信號(hào)發(fā)生器FG產(chǎn)生的基準(zhǔn)信號(hào)為參考，利用電子學(xué)鎖相環(huán)機(jī)理對(duì)拍頻進(jìn)行鎖定，并 對(duì)CW激光器的注入電流利用P-Ι控制器進(jìn)行反饋控制，最終將CW激光頻率鎖定到了固定的 一個(gè)光梳梳模上。
[0014] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):所述外差干涉儀包括1X2光纖耦合器，通過(guò)1X2光纖 耦合器將多波長(zhǎng)光源分為兩路，分別經(jīng)過(guò)具有一定頻差的兩個(gè)聲光調(diào)制器進(jìn)行頻移;經(jīng)第 一聲光調(diào)制器AOMi頻移后的激光通過(guò)帶光纖接口的準(zhǔn)直棱鏡后由分光棱鏡BS進(jìn)行分束，一 束進(jìn)入到參考光路，另一束照射到目標(biāo)鏡CC后返回進(jìn)入測(cè)量光路;經(jīng)第二聲光調(diào)制器A0M2 頻移后的激光則經(jīng)分束后直接進(jìn)入?yún)⒖脊饴泛蜏y(cè)量光路，最終在參考和測(cè)量路同時(shí)形成混 合的多波長(zhǎng)外差干涉信號(hào)。
[0015] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):所述同步相位解調(diào)模塊用來(lái)將干涉儀得到的參考光和 測(cè)量光多波長(zhǎng)外差干涉信號(hào)分別通過(guò)FBGA將各波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的干涉信號(hào)進(jìn)行分離，然后再通 過(guò)光電探測(cè)器陣列TOA對(duì)外差干涉光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，獲取各波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的多組參考和測(cè) 量電信號(hào)，最終將多組外差信號(hào)進(jìn)行多路同步相位測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)干涉的同步相位 解調(diào)。
[0016] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):所述處理分析模塊為一個(gè)計(jì)算處理及數(shù)顯模塊，用來(lái) 實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境傳感器的采集和對(duì)外通信，并補(bǔ)償空氣折射率;所述處理分析模塊利用所測(cè)環(huán) 境參數(shù)、精確波長(zhǎng)值及小數(shù)相位測(cè)量值，通過(guò)小數(shù)重合算法找準(zhǔn)整數(shù)相位并得到絕對(duì)距離 值，還對(duì)結(jié)果進(jìn)行最終的顯示和存儲(chǔ)。
[0017] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0018] 1、本發(fā)明的基于飛秒光梳同步鎖頻的多波長(zhǎng)干涉實(shí)時(shí)絕對(duì)測(cè)距裝置，使用飛秒光 梳產(chǎn)生多波長(zhǎng)穩(wěn)頻光源進(jìn)行干涉測(cè)距，保留了單波長(zhǎng)激光干涉測(cè)量的納米分辨力和精度， 測(cè)量結(jié)果可溯源至微波頻率基準(zhǔn)。
[0019] 2、本發(fā)明的基于飛秒光梳同步鎖頻的多波長(zhǎng)干涉實(shí)時(shí)絕對(duì)測(cè)距裝置，通過(guò)多波長(zhǎng) 干涉有效拓展了測(cè)距非模糊度量程，隨著所用波長(zhǎng)數(shù)量的增加，絕對(duì)測(cè)距量程能達(dá)到幾米 甚至上十米。
[0020] 3、本發(fā)明的基于飛秒光梳同步鎖頻的多波長(zhǎng)干涉實(shí)時(shí)絕對(duì)測(cè)距裝置，由于采用多 波長(zhǎng)同步干涉測(cè)量，不需要進(jìn)行波長(zhǎng)頻率掃描或參考光路掃描，能夠?qū)崿F(xiàn)大尺寸、快速、動(dòng) 態(tài)、實(shí)時(shí)測(cè)量。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1是本發(fā)明實(shí)施例中基于飛秒光梳同步鎖頻的多波長(zhǎng)干涉實(shí)時(shí)絕對(duì)測(cè)距裝置 圖；
[0022]圖2是本發(fā)明具體實(shí)施例中基于0PLL產(chǎn)生高穩(wěn)頻連續(xù)波激光的原理示意圖；
[0023] 圖3是本發(fā)明具體實(shí)施例中基于飛秒光梳同步鎖頻產(chǎn)生的多波長(zhǎng)位置示意圖；
[0024] 圖4是本發(fā)明具體實(shí)施例中多波長(zhǎng)干涉同步相位解調(diào)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 圖5是本發(fā)明具體實(shí)施例中小數(shù)重合法求取整數(shù)相位的原理示意圖；
【具體實(shí)施方式】
[0026] 以下將結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0027] "飛秒光梳"是由飛秒鎖模激光器產(chǎn)生，時(shí)域上表現(xiàn)為一連串飛秒激光周期脈沖序 列，且此時(shí)飛秒脈沖序列的重復(fù)頻率和載波包絡(luò)頻移f。均鎖定到了微波頻率標(biāo)準(zhǔn)，如原子 鐘;在頻域內(nèi)為等頻率間隔的寬帶離散頻譜，這些頻譜以載波頻率為中心向兩邊延伸，仿佛 一把頻率尺子上的刻度，最小刻度為頻率間隔f r，頻譜范圍可達(dá)到一個(gè)光學(xué)倍頻程，且每一 根譜線可直接溯源至微波頻率基準(zhǔn)。多波長(zhǎng)干涉絕對(duì)測(cè)距則是在合成波長(zhǎng)理論基礎(chǔ)上發(fā)展 而來(lái)的，為了保持激光干涉測(cè)量的高精度，同時(shí)兼具絕對(duì)測(cè)距能力。本發(fā)明正是利用飛秒光 梳的超精頻率尺特性，可以同時(shí)產(chǎn)生波長(zhǎng)相異、穩(wěn)定性極高的多波長(zhǎng)激光光源來(lái)進(jìn)行同步 干涉，通過(guò)同步測(cè)量多波長(zhǎng)干涉信號(hào)的小數(shù)相位信息，然后根據(jù)小數(shù)重合算法計(jì)算得到單 波長(zhǎng)整數(shù)相位，從而最終得到絕對(duì)距離值。
[0028] 基于上述原理，如圖1所示，本發(fā)明的基于飛秒光梳同步鎖頻的多波長(zhǎng)干涉實(shí)時(shí)絕 對(duì)測(cè)距裝置，包括：
[0029] 飛秒光梳穩(wěn)頻的多波長(zhǎng)發(fā)生器，用來(lái)出射多個(gè)高頻率穩(wěn)定度的目