一种小动态范围双光梳组合测距装置及测距方法

技术领域

本发明是关于一种小动态范围双光梳组合测距装置及测距方法，涉及光学精密计量领域。

背景技术

双光梳测量系统利用两台具有微小重复频率之差的光频梳，通过光频梳之间梳齿对梳齿的外差原理能产生～10

传统的时间抖动小、相位稳定的双光梳测量系统都需要外加噪声补偿措施，如紧密锁定法及后处理校正法。这些方法通常系统较为复杂或处理步骤较为繁琐。实际上许多双光梳应用中，只关注参考干涉信号与测量干涉信号之间的时延抖动和相位差稳定性，而不关注其自身的相位稳定性和时间抖动。研究证明，参考干涉信号与测量干涉信号之间的时延抖动主要受到光源的频率噪声和探测器的强度噪声影响，当参考信号与测量信号脉冲间隔时间越短，频率噪声引起的干涉信号之间的时延抖动越小。当脉冲间隔时间足够小时，频率噪声对测量-参考干涉信号之间时延的影响可以忽略，此时时延抖动主要受到系统强度噪声的影响，而强度噪声引起的光频梳每根纵模的相位噪声为随机噪声，故采用相频斜率计算时延，时延抖动引起的测距误差又被进一步放大。

双光梳测距有两种经典方法，第一种为飞行时间法，其被测距离可以通过参考干涉信号和测量干涉信号包络之间的时间延迟Δt得到，这种方法特点是非模糊范围大，一般能够达米量级，精度一般为微米至百纳米量级，精度主要受到干涉信号之间的时延抖动影响。第二种方法为载波干涉法，其被测距离可通过参考干涉信号和测量干涉信号之间的载波相位差得到，这种方法的精度主要受到干涉信号载波相位差稳定性的影响，当相位差稳定时，精度一般能够达到纳米量级，但非模糊范围小，只有半个载波波长，一般在百nm量级。受到双光梳系统相位噪声的影响，目前没有外接噪声补偿装置的双光梳测距系统载波相位差

根据研究结论，在参考-测量干涉信号时延较小的一段区间内，不仅时间抖动较小，而且载波相位差也趋于稳定，这里所说的稳定是指短时间相干平均后的飞行时间测量精度能达到λ

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，针对上述问题，本发明的目的是提供一种相位差稳定的小动态范围双光梳组合测距装置及测距方法。

为了实现上述发明目的，本发明的技术方案为：

第一方面，本发明提供的一种小动态范围双光梳组合测距方法，包括：

调节双光梳测距光路，使得初始状态下参考干涉信号和测量干涉信号时延基本为0，此时双光梳测距系统载波相位差噪声

通过参考干涉信号与测量干涉信号的载波相位差

其中，

进一步地，还包括修正测距结果的步骤，包括：

获取到距离值D

D

其中，k为温度补偿系数，Δe为光梳测距光路中当前温度与开启测距时初始温度之差。

第二方面，本发明还提供一种小动态范围双光梳组合测距装置，该装置包括双光梳光源、第一保偏光纤、第二保偏光纤、测距光路模块、第三保偏光纤、第四保偏光纤和信号探测与处理模块；其中，所述双光梳光源中的光源为重频锁定，偏频自由运行；

所述双光梳光源通过所述第一保偏光纤和第二保偏光纤为所述测距光路模块分别输入信号光和本振光信号，所述测距光路模块用于输出空间光到目标靶镜，所述测距光路模块将输出的参考干涉信号和测量干涉信号通过所述第三保偏光纤和所述第四保偏光纤分别输出进入到所述信号探测与处理模块，所述信号探测与处理模块通过参考干涉信号与测量干涉信号的载波相位差解算出测距结果。

进一步地，所述测距光路模块包括第一光纤分束器、第二光纤分束器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、光纤环形器、第一光纤滤波器、第二光纤滤波器和光纤准直器；

所述双光梳光源通过光纤输出两路重频分别为f

进一步地，所述第一光纤滤波器和第二光纤滤波器的中心波长和带宽保持一致，其中，中心波长应近似等于所述双光梳光源的中心波长，带宽Δv

进一步地，所述信号探测与处理模块探测带宽大于f

进一步地，光路的光纤长度要求为：

L

进一步地，光路的光纤长度要求采用以下任一形式进行实现，包括：

第一种形式：通过微调所述光纤准直器与目标靶镜的初始距离L，使得在初始状态下参考干涉信号和测量干涉信号时延基本为0；

第二种形式：在L

进一步地，所述测距光路模块内还设置有热敏电阻，用于感知光纤光路的温度变化，通过电缆连接至所述信号探测与处理模块。

进一步地，确定光频梳的载波频率和载波相位差的方式，包括：

通过波长测量装置确定信号光通过光纤滤波器后的中心波长λ

通过对采集到的参考干涉信号进行傅里叶变换得到子频率梳的幅频谱信息，以幅值最高点对应的频率值作为子频率梳的载波频率f

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下特点：

1、本发明是基于重频锁定，偏频自由运行的双光梳光源实现的小动态范围高精度的测距方法，通过飞行时间法确定载波干涉相位的整数倍周期，通过稳定的载波相位差实现高精度绝对测距，通过双光梳组合测距方法实现距离高精度测量。

2、本发明通过全光纤测距光路，提升了双光梳测距光路的紧凑型和灵活性，通过对光纤长度的设计和两个探测器分别探测参考干涉信号和测量干涉信号的光路方式，使得在初始状态下参考干涉信号和测量干涉信号时延可以设置在0附近，保证频率噪声的积分时间最短，实现最大的动态测距范围和相位差的高稳定性输出。

3、本发明通过热敏电阻实时监测光路内部温度，补偿了由于参考与测量光路光纤长度不同对测距结果的影响，在此范围内获取高精度的绝对距离值。

4、本发明通过参考和测量干涉信号分开探测的方式，解决了参考和测量干涉信号在时域中重叠，导致无法测量的问题，消除了测距“盲区”。

综上，本发明简单实用，光源只需重频锁定，偏频可自由运行，通过采用全光纤光路形式控制频率噪声的积分时间，构建了无需噪声补偿的相位差稳定双光梳测距装置，适用于轴向测距范围较小的动态高精度测距应用，例如固定长度的卫星天线测量，振动测量等。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例的小动态范围双光梳组合测距装置结构图；

图2为本发明实施例的测距光路模块示意图；

图3为本发明实施例的光频梳和子频率梳的映射关系；

图4为本发明实施例的飞行时间法与载波干涉法组合测距原理图。

具体实施方式

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。

本发明提出的小动态范围双光梳组合测距装置及测距方法是基于重频锁定，偏频自由运行的的双光梳光源实现高精度距离测量。本实施例的小动态范围指的载波相位差稳定的区间范围，通过分析载波相位差的抖动可以得到，稳定的载波相位差区间要求载波相位差的随机抖动小于2π，对于重频在50MHz的光纤双光梳测距系统而言，稳定区间通常在厘米级。

双光梳测距是基于光谱相位差测量的原理，通过两台光频梳多纵模外差之后得到的光谱相位差对距离进行解算。光谱相位噪声本质上是由两台光频梳的频率噪声引起，通过双光梳外差的方式传递到了子频率梳，将两台光频梳的频率噪声合二为一。本发明中两台光频梳的重复频率(重频)锁定到射频基准上，载波包络偏移频率(偏频)自由运行，其中，重频的噪声被系数i

σf

这里，光频梳的重频由腔长决定，重频噪声主要由腔长的不稳定性引起，光频梳的偏频由腔内色散决定，主要受泵浦电流及温度的影响。

根据子频率梳频率噪声σf

其中，t

由于参考与测量干涉信号的时延是通过相频斜率计算，因此偏频差的噪声可以消除，而子频率梳的梳齿间隔为Δf

通过公式(2)和(3)可以发现，当重频差噪声和偏频差噪声一定时，载波相位差噪声与积分时间，即干涉信号之间的时间延迟Δt正相关。而时延稳定性与偏频差噪声无关，在重频差噪声一定时，与时间延迟Δt正相关。

根据双光梳的测量原理，除频率噪声外，强度噪声也会对时延稳定性和载波相位差噪声造成影响，当Δt较小时，σΔt主要受到强度噪声的影响，此时飞行时间法的测距误差远大于载波干涉法的测距误差。因此，如果仅采用飞行时间法来进行距离测量，强度噪声引起的σΔt会限制双光梳系统的测量精度。为获得更高的精度，结合载波干涉法的测距结果是非常必要的。然而，如果

从公式(2)可以发现，当参考与测量干涉信号的时延t

在双光梳系统中，参考干涉信号与测量干涉信号之间的时延Δt相对于参考脉冲与测量脉冲的时延Δτ放大了f

基于上述思路，本发明提供一种小动态范围双光梳组合测距装置及方法，该装置包括双光梳光源、第一保偏光纤、第二保偏光纤、测距光路模块、第三保偏光纤、第四保偏光纤和信号探测与处理模块；双光梳光源中的光源为重频锁定，偏频自由运行，调节双光梳测距光路，使得初始状态下参考干涉信号和测量干涉信号时延基本为0，此时双光梳测距系统载波相位差噪声

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

实施例一：如图1所示，本实施例提供的小动态范围双光梳组合测距装置，包括双光梳光源1、保偏光纤2、保偏光纤

3、测距光路模块4、保偏光纤5、保偏光纤6和信号探测与处理模块7，其中，双光梳光源1中的光源为重频锁定，偏频自由运行。双光梳光源1通过保偏光纤2和保偏光纤3为测距光路模块4分别输入信号光和本振光信号，测距光路模块4输出空间光到目标靶镜8。参考干涉信号和测量干涉信号通过保偏光纤5和保偏光纤6分别输出进入到信号探测与处理模块7进行采样处理，解算双光梳测距结果。

在一个优选的实施例中，如图2所示，测距光路模块4包括光纤分束器41、光纤分束器42、光纤耦合器43、光纤耦合器44、光纤环形器45、光纤滤波器46、光纤滤波器47和光纤准直器48。双光梳光源1通过光纤输出两路重频分别为f

进一步地，光纤滤波器46和光纤滤波器47的中心波长和带宽保持一致，其中，中心波长应近似等于双光梳光源的中心波长，带宽Δv

进一步地，信号探测与处理模块7探测带宽大于f

在一个优选的实施例中，双光梳光源1可以采用互相关性较好的单腔双梳激光器，可以降低重频差噪声的影响，也可以提高动态测距范围以及测距精度。需要说明的是，本实施例对所使用的双光梳光源种类不做限制，可以根据实际需要进行选用。

在一个优选的实施例中，光路采用全光纤光路形式，在光路的光纤长度设计上，首先保证L

具体地，上述实现方式上采用以下形式进行实现，包括：

第一种是通过光纤准直器48与目标靶镜8的初始距离L可以粗略分配光纤的长度，通过微调L，可以使得在初始状态下参考干涉信号和测量干涉信号时延基本为0，保证实现高精度动态测距的范围最大，即±ΔD

第二种是在L

在一个优选的实施例中，测距光路模块4内还设置有热敏电阻9，用于监测测距光路模块内部温度，根据光纤的热膨胀系数补偿由于光纤光路不等臂引起的测距误差；热敏电阻9安装在测距光路模块内部中心位置，用于感知光纤光路的温度变化，通过电缆10连接至信号探测与处理模块7监测光纤器件的温度变化。

在一个优选的实施例中，由于本发明所使用的双光梳光源1均只锁定重频，偏频自由运行，所以无法通过一对一的映射确定子频率梳频率与光频梳频率的关系，确定载波的频率值。

本发明确定载波频率和计算载波相位差的方式如下：

(1)通过波长测量装置确定图3(a)中信号光通过光纤带通滤波器后的中心波长λ

(2)通过对采集到的参考干涉信号进行傅里叶变换得到子频率梳的幅频谱信息即图3(b)，以幅值最高点对应的频率值作为子频率梳的载波频率f

(3)以频率f

这里，假设载波波长为1.5μm，在±7.5mm的测距范围内，考虑测距往返，对应载波的整数周期最大为10000，波长测量装置的定位精度通常可以优于0.01nm，此时对应的载波干涉法测距误差为100nm，可满足大部分测量场景的精度要求，因此通过该方法确定载波频率和计算载波相位差的方式是可行的。

实施例二：本实施例还提供一种相位差稳定的小动态范围双光梳组合测距方法，通过飞行时间法确定载波干涉相位的整数倍周期，通过稳定的载波相位差实现高精度绝对测距，该方法包括：

S1、实施前，通过调节光路，使得初始状态下参考干涉信号和测量干涉信号时延基本为0，此时双光梳测距系统载波相位差噪声

S2、基于飞行时间法测距原理进行粗测。

被测距离D

其中，v

S3、通过载波干涉法，距离值D

其中，

中，λ

进一步地，获取到距离值D

D

其中，k为温度补偿系数，即温度每变化1摄氏度的距离变化量，可标定得到，Δe为热敏电阻得到的当前温度与首次开启测距时热敏电阻得到的初始温度之差，以避免整个测量过程中温度变化引起的测距误差。

需要注意的是，在实际测量过程中，通常需在初始状态下先通过上述步骤测量得到基准点的距离值，然后开启测量之后的测距值应减去基准距离，得到相对于基准点的绝对距离值。与基准点距离的最大偏差应小于±ΔD

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。在本说明书的描述中，参考术语“一个优选的实施例”、“进一步地”、“具体地”、“本实施例中”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。