頻率掃描幹涉法高精度絕對距離測量儀的製作方法

2023-05-04 15:46:31 3

專利名稱：頻率掃描幹涉法高精度絕對距離測量儀的製作方法
技術領域：
高精確度、長距離(幾十到幾百米)亞亳米量級測量儀器一直是國際上研 究的難點和熱點。本發明提出一種利用頻率掃描幹涉法進行高精度遠距離測量 的絕對距離測量系統，屬於精密測量技術領域。可以用於中長距離精密距離測 量方面，尤其適用於空間綜合孔徑子孔徑間距離測定及定位，小衛星編隊、測 繪、建築以及軍事等領域。
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背景技術：
近年來，國內外對空間的研究越來越重視，包括多衛星飛行中編隊、引力 波探測、X-射線望遠鏡和空間綜合孔徑子望遠鏡排列及定位等，因此，精密的
測量和控制系統作為科學測量的重要組成部分顯得尤為重要。對於空間綜合孔 徑幹涉成像，通過幹涉測量獲取行星更高的角解析度，而幹涉測量要求各個子 孔徑間具有精確的位置關係和穩定的距離。為了得到清晰的圖像，各個子望遠 鏡接收到星體發出的光所經過的光程應該一致，所以，必須有精密的測量系統 來監視各個系統之間的距離、角度和速度，這就要求在幾十到上百米範圍測距 的精度需達到幾十微米，甚至更低。本發明主要面向遠距離高精度絕對距離測 量領域的應用。
為了達到如此高的測量精度，只能釆用雷射測距法。傳統的雷射測距方法 有飛行時間法、幅度調製法、單波長幹涉法、雙波長幹涉法、多波長幹涉法、 頻率調製連續波法等。飛行時間法測量精度受時鐘的影響較大， 一般測量精度
在亳米量級；幅度調製法利用測量相位代替測量時間，可以提高測量精度，但 是要提前知道目標的大概距離；單波長幹涉法是一種常用的高精度距離測量方 法，通常用於測量相對距離的變化，如要進行絕對距離測量，其相位變化不能 超過7i;雙波長幹涉法釆用兩個波長進行幹涉，利用其相位差極大地降低了光
程改變的靈敏度，但是該方法同樣存在模2 7T的不確定性，不能準確的實現絕對
距離測量；多波長幹涉法通過增加波長來提高測量的精度，但是系統比較複雜， 而且多頻率復用技術較難實現；頻率調製連續波法採用固定的變化率進行頻率 掃描，由於受到掃頻變化的限制只能獲得中等解析度。
鑑於以上測量方法在遠距離高精度絕對距離測量方面的不足，本發明提出 了頻率掃描幹涉法進行絕對距離測量的方案。
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發明內容
本發明提出的頻率掃描幹涉法絕對距離測量系統釆用頻率可調無模跳外腔 半導體雷射器作為光源，利用Pound-Drever-Hall ( PDH )技術代替傳統的熱穩 頻來穩定雷射器的頻率輸出，法布裡-祐羅腔可以精確穩定雷射器頻率的兩端， 參考幹涉計用於監視雷射器頻率的變化，對雷射器輸出頻率進行及時調整，測 量千涉部分釆用外差幹涉的方法，通過條紋計數器和相位計測量相位，相位解 包裹後得到完整的相位差，根據相位差與距離的線性關係，準確得到所測的距 離。本發明是傳統雷射測距的重要改進與提高。
在本發明中，系統各個部分說明如下
(1) 雷射器及光束整形部分雷射器釆用頻率可調半導體外腔雷射器，激 光器發出的光經過波片、變形稜鏡、望遠鏡、光隔離器對光束進行整形後進入 下一級光路。
(2) 頻率鎖定部分本方法為頻率掃描法，為了得到穩定的頻差，釆用PDH 方法把雷射器頻率掃描的兩端精確穩定於法布裡-珀羅腔，該部分主要由電光調 制器、法布裡-珀羅腔及真空容器、PDH板卡及反饋電路、放大器、LC振蕩電路， 以及探測器組成。
(3) 參考幹涉計部分參考幹涉計用於監視雷射器輸出頻率的變化，保障 測量幹涉部分頻率的穩定。它由一個非平衡的Mach-Zehnder幹涉計組成， 一路 經過一段長度固定的光纖，通過偏振分光稜鏡及分光稜鏡後實現正交探測。
(4) 控制系統部分控制系統主要實現在短時間內控制雷射器的掃描，通 過參考幹涉計以及PDH的輸入信號控制雷射器頻率的輸出，通過參考幹涉計的反 饋穩定雷射器的輸出。
(5) 測量幹涉計部分該部分實現對目標絕對距離的測量。測量幹涉計部
分釆用外差探測的方法，主要由聲光調製器和分光稜鏡組成，形成兩個平行的 Mach-Zehnder幹涉計。
(6) 相位測量及提取部分相位測量及提取部分主要由相位計、條紋計數
器組成，在頻率掃描的同時對相位進行解包裹，得到完整的相位差，消除了2tt 的不確定性。
(7)為了保持調節的靈活性，系統中有些部分釆用光纖連接，系統中所有 光纖均採用單模保偏光纖。
本發明的主要特色利用頻率掃描幹涉法進行遠距離絕對距離測量，釆用 PDH法把雷射器掃描頻率的兩端穩定於法布裡-珀羅腔，保證起始波長的穩定， 通過參考幹涉計監視雷射器頻率的變化並反饋到雷射器，利用外差幹涉法進行
測量，通過相位解包裹得到完整的相位差，消除了模27t的不確定性，減小了距
離測量中存在的誤差。
本發明的效益與應用前景該發明主要實現遠距離、高精度、絕對距離測 量，可以應用與以下領域。
(1) 該發明可以應用於空間小行星排列、編隊，空間綜合孔徑中子孔徑的 測距和定位。
(2) 該發明為無導軌、非接觸式測量，既可以實現長距離測量，也可以進 行短距離測量，短距離測量時精度可達微米量級，甚至更高，因此可以作為普 通的精密測距儀器使用。
(3) 如果能夠小型化該發明可以應用於測繪、電力、建築等領域，甚至還 可以用於反恐等軍事領域。
4.


圖l為頻率掃描幹涉法高精度絕對距離測量儀總體框圖。
5.
具體實施例方式
如圖l所示，頻率可調半導體外腔雷射器(l)發出的光首先通過變形稜鏡進 行整形，使光斑變成圓形，然後利用望遠鏡調節光斑至適合大小，通過光隔離 器由反射鏡(2-l)反射後，進入偏振分光稜鏡(3-l)，反射光進入掃描頻率鎖定 光路部分，光通過電光調製器(4)利用PDH(6)把雷射器掃描頻率穩定於法布裡-珀羅腔(5),探測器(7-1)把法布裡-珀羅腔的反射信號通過PDH反饋到電光調製 器，同時PDH利用電流穩定雷射器的輸出，法布裡-珀羅腔的透射信號經過偏振
分光稜鏡(3-2)進入直流探測器(7-2);另 一路進入下 一級偏振分光稜鏡(3-3)。
偏振分光稜鏡(3-3)的反射光進入參考幹涉部分，參考幹涉部分用於監視激 光器頻率的變化，它由一個非平衡的Mach-Zehnder幹涉計組成， 一路通過長度 固定的光纖(8),最後通過探測器(7-3)和(7-4)實現正交探測，利用探測器的輸 出信號通過DSP (15)對雷射器頻率進行調整。
偏振分光稜鏡(3-3)的透射光通過空間濾波器(9)進入到測量幹涉計部分。 測量幹涉計通過分光稜鏡(10-l)分光形成兩路平行的Mach-Zehnder幹涉計，一 路經過聲光調製器(ll)形成測量信號， 一路經過分光稜鏡(10-2)形成參考信號， 從而實現外差探測。圖l所示的(10-3)-(10-5)均為分光稜鏡，(2-2)和(2-3)為 反射鏡。
探測器(7-5)和(7-6)接收到的信號，進入條紋計數器(13)和相位計(14), 通過相位解包裹得到完整的相位差。為了提高相位提取的速度，釆用粗測和細 測同時進行的方法， 一路直接進行計數實現粗測， 一路通過下變頻後採用較高 的時鐘頻率進行細測，最後兩路信號進行相位解包裹，恢復完整的相位差，通 過相位差和距離的線性關係可以測得精確的距離。
權利要求
1.頻率掃描幹涉法高精度絕對距離測量系統，其特徵在於利用頻率掃描外差幹涉實現絕對距離測量，系統穩定、測量精度高，可以實現長距離測量，在上百米的範圍內測量精度可達微米量級。該距離測量系統主要有無模跳頻率掃描外腔半導體雷射器、高精度法布裡-珀羅腔、參考幹涉計、測量幹涉計和數據採集和控制系統組成。頻率掃描的同時進行相位解包裹，得到完整的相位差，消除了距離測量中的不確定性問題。
2. 根據權利要求l，雷射器釆用頻率可調外腔半導體雷射器，其特徵在於 該類型雷射器具有較大的無模跳範圍，頻率可以通過旋轉光柵在幾十GHz到上 百GHz連續可調。
3. 根據權利要求1,法布裡-珀羅腔用於穩定頻率掃描的兩端，其特徵在於 釆用Pound-Drever-Hall ( PDH )方法把雷射穩定於法布裡珀羅腔。
4. 根據權利要求3所述PDH，其特徵在於主要由振蕩器、電混頻器、可 調相移器、低通濾波器及放大器組成，法布裡-祐羅腔的反射信號一路通過PHD 控制雷射器頻率的鎖定， 一路用來反饋到電光調製器。
5. 根據權利要求l,參考幹涉計用於監視雷射器頻率的改變，其特徵在於 釆用一個非平衡的Mach-Zehnder幹涉計，實現正交探測。
6. 根據權利要求5，參考幹涉計中非平衡Mach-Zehnder幹涉計中一路通過 長度固定的光纖，而且系統中所有光纖均採用單模保偏光纖。
7. 根據權利要求1，測量幹涉計部分釆用外差探測方法，其特徵在於一 路通過聲光調製器產生一定的頻差，用來產生參考信號， 一路為測量信號，最 後通過分東鏡幹涉。
8. 根據權利要求1，數據釆集過程由兩步完成，其特徵在於釆用粗測和 細測同時進行的方法，可以快速精確的得到相位差。數據釆集部分主要有條紋 計數器和相位計組成，獲取條紋數和相位差。
9. 根據權利要求l,控制部分釆用DSP實現，其特徵在於通過該控制部分，可以把參考幹涉計所監視的頻率變化的輸出用於穩定雷射器的頻率的輸出。
全文摘要
高精確度、長距離(幾十到幾百米)亞毫米量級測量儀器一直是國際上研究的難點和熱點。本發明提出一種利用頻率掃描幹涉法進行遠距離高精度絕對距離測量的系統，屬於精密測量技術領域。該距離測量系統主要有無模跳頻率掃描外腔半導體雷射器、高精度法布裡-珀羅腔、參考幹涉計、測量幹涉計，以及數據採集和控制系統組成。通過雷射器的頻率掃描利用幹涉法可以直接測量相位差，所測的絕對距離和相位差成正比，通過相位解包裹得到完整的相位差，消除了模2π的不確定性，不存在絕對距離測量的不確定性。該系統具有測量精度高、快速、穩定、可靠等優點，適用於空間綜合孔徑子孔徑間的距離測量、小行星編隊、測繪、建築以及軍事等領域。
文檔編號G01S11/12GK101354248SQ20081022340
公開日2009年1月28日 申請日期2008年9月27日 優先權日2008年9月27日
發明者張緒國, 江月松, 王長偉 申請人:北京航空航天大學