CN104698466A - 远程动态目标测距装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种远程动态目标测距装置及方法，属于飞秒激光测距领域。其包括：频率调谐模块(1)、飞秒激光振荡器(2)、光纤耦合器(3)、光学池(4)、环路器(5)、飞秒激光扩束准直器(6)、光纤耦合器(8)、双光子探测器(9)、数据采集分析模块(10)、参考频率发生装置(11)、光电探测器(12)和重复频率锁定装置(13)。本发明装置及方法具有以下优点：①通过频率调谐模块(1)调整飞秒激光振荡器(2)的腔长，可快速找到干涉点，使距离测量的实时性得到调高，当调制频率大于待测目标的振动频率，即可获取待测目标的振动频率信息，用于低频振动的测量。②该装置体积小，反映灵活，快速。

Description

远程动态目标测距装置及方法
技术领域
本发明涉及一种远程动态目标测距装置及方法，属于飞秒激光测距领域。
背景技术
激光以其单色性和相干性好、方向性强的优点，在涉及大尺寸加工测量、地球形貌绘制、空间遥感探测和卫星间精密定位中的精密位移测量方面发挥着重要的作用。通常的激光测距法分为干涉测量法和非干涉测量法两类，非干涉测量法通过将激光传输的时间飞行信号转换为待测目标距离，适合于绝对距离测量应用，但此方法的测量精度和分辨力受限于电子仪器的响应时间。而传统的干涉测量法则是采用走行程和相位累积推算出位移增量，这种方法的精度和分辨力较高，但是不适合于远程绝对距离测量。飞秒光学频率梳提供了一种有效的方法来解决高精度绝对距离测量问题。目前飞秒光学频率梳测距主要包括多波长干涉测距法、结合非相干原理和相干原理的测距法、基于时间飞行原理的非干涉测距法和集成时间飞行、光谱分辨干涉及合成波长的测距法。
国际上已有美国、日本、德国、荷兰等国相继开展了飞秒激光高精度测距技术研究工作。早在2000年，日本利用锁模飞秒光纤激光器实现了240m距离的高精度测量，提出利用10GHz的高频飞秒脉冲来达到μm量级的测量分辨力的可能性。2004年，美国提出结合非相干的飞行时间法和干涉法的测距技术，该方法可实现分辨力达一个光学波长，测距范围达上千公里；之后荷兰和美国进行了实验验证。2008年，韩国提出基于飞秒光梳的组合干涉测量技术。该技术结合了合成波长干涉测量法、时间飞行法和光谱分辨干涉测量法等三种测量原理的优点，实现了快速和大动态范围测量。2010年，韩国采用基于时间飞行原理的非干涉方法来实现长距离测量，从而将时间飞行测距法的测量精度提高到纳米量级。
以上这些已有测量方法，都是通过调节参考臂的长度使发生干涉，在进行远距离测量时，为达到干涉需要对参考臂进行大范围的调节，很难实现快速测距和动态跟踪。
发明内容
本发明的目的是克服传统的干涉测量方法难实现快速测距和动态跟踪的问题，提出一种远程动态目标测距装置及方法，实现了用微小调节进行超远距离的跟踪测量。
本发明的目的是通过下述技术方案解决的。
本发明提出的一种远程动态目标测距装置，其特征在于，其包括：频率调谐模块(1)、飞秒激光振荡器(2)、光纤耦合器(3)、光学池(4)、环路器(5)、飞秒激光扩束准直器(6)、光纤耦合器(8)、双光子探测器(9)、数据采集分析模块(10)、参考频率发生装置(11)、光电探测器(12)和重复频率锁定装置(13)。
频率调谐模块(1)的主要作用是：通过调整飞秒激光振荡器(2)的腔长改变飞秒激光振荡器(2)的出射光的重复频率。
飞秒激光振荡器(2)的主要作用是：提供脉冲重复频率稳定的飞秒脉冲激光。
参考频率发生装置(11)的主要作用是：提供和原子钟稳定度相同的基准信号，将参考频率发生装置(11)的输出频率作为重复频率锁定装置(13)的参考频率。
光电探测器(12)的主要作用是：将飞秒激光振荡器(2)输出的光信号转化为电信号。
重复频率锁定装置(13)的主要作用是：将光电探测器(12)输出的包含飞秒激光振荡器(2)出射光重复频率的电信号锁定到参考频率装置(13)的输出频率上，使飞秒激光振荡器(2)出射光的重复频率和参考频率装置(13)输出的电信号频率的稳定度相同。
光纤耦合器(3)的主要作用是：将来自飞秒激光振荡器(2)的出射光分为两路，一路称为A路飞秒激光，另一路称为B路飞秒激光。
光学池(4)是真空腔，其主要作用是：光纤耦合器(3)输出的B路飞秒激光进入光学池(4)后，使B路飞秒激光的光程增加，并避免自由空间传送而产生的色散。
环路器(5)有三个端口，分别称为L端口、R端口和D端口。其主要作用是：①光学池(4)的出射激光从环路器(5)的L端口进入，然后从R端口输出至准直镜(6)，经准直镜(6)准直后，其出射光经自由空间射向待测目标(7)；②待测目标(7)的反射光线经准直镜(6)后，进入环路器(5)的R端口，然后从环路器(5)的D端口输出至光纤耦合器(8)。
准直镜(6)的主要作用是：①改善从环路器(5)的R端口输出的飞秒脉冲激光的准直度，使经准直镜(6)出射的飞秒激光为准直光束。②收集由待测目标反射回来的飞秒脉冲激光，送入环路器(5)中。
光纤耦合器(8)的主要作用是：将光纤耦合器(3)输出的A路飞秒激光和环路器(5)的D端口发送来的光耦合进同一光学路径中。
双光子探测器(9)的主要作用是将光信号转换为电信号。光纤耦合器(8)的出射光线进入双光子探测器(9)，双光子探测器(9)将光信号转换为电信号后，输出至数据采集分析模块(10)。
数据采集分析模块(10)的作用是对电信号进行分析，解算出待测目标(7)的位移信息。
使用所述远程动态目标测距装置进行测距的操作过程为：
步骤1：将待测目标(7)放在准直镜(6)的光轴上。
步骤2：飞秒激光振荡器(2)提供脉冲重复频率稳定的飞秒脉冲激光。
步骤3：光电探测器(12)将飞秒激光振荡器(2)输出的光信号转化为电信号。
步骤4：参考频率发生装置(11)提供和原子钟稳定度相同的基准信号。
步骤5：重复频率锁定装置(13)将光电探测器(12)输出的包含飞秒激光振荡器(2)出射光重复频率的电信号锁定到参考频率装置(13)的输出频率上，使飞秒激光振荡器(2)出射光的重复频率和参考频率装置(13)输出的电信号频率的稳定度相同。
步骤6：自飞秒激光振荡器(2)的出射光线进入光纤耦合器(3)。
步骤7：光纤耦合器(3)将来自飞秒激光振荡器(2)的出射光分为两路，一路称为A路飞秒激光，另一路称为B路飞秒激光。
步骤8：光纤耦合器(3)输出的B路飞秒激光进入光学池(4)后，使B路飞秒激光的光程增加，并避免自由空间传送而产生的色散。
步骤9：光学池(4)的出射激光从环路器(5)的L端口进入，然后从R端口输出至准直镜(6)，经准直镜(6)准直后，其出射光经自由空间射向待测目标(7)；
步骤10：待测目标(7)的反射光线经准直镜(6)后，进入环路器(5)的R端口，然后从环路器(5)的D端口输出至光纤耦合器(8)。
步骤11：此步骤与步骤8同步操作：光纤耦合器(8)将光纤耦合器(3)输出的A路飞秒激光和环路器(5)的D端口发送来的光耦合进同一光学路径中。
步骤12：光纤耦合器(8)的出射光线进入双光子探测器(9)，双光子探测器(9)将光信号转换为电信号后，输出至数据采集分析模块(10)。
步骤13：频率调谐模块(1)调整飞秒激光振荡器(2)的腔长，改变飞秒激光振荡器(2)的出射光的重复频率，使通过耦合器(8)进入同一光学路径中A路脉冲序列和B路脉冲序列的相邻脉冲间距为0，数据采集分析模块(10)获得待测目标(7)的距离信息。
步骤14：当待测目标(7)在准直镜(6)的光轴上移动时，使A路脉冲序列和B路脉冲序列的相邻脉冲间距发生变化，使频率调谐模块(1)工作，频率调谐模块(1)调整飞秒激光振荡器(2)的腔长，改变飞秒激光振荡器(2)的出射光的重复频率，使通过耦合器(8)进入同一光学路径中A路脉冲序列和B路脉冲序列的相邻脉冲间距(用符号ΔTd表示)再次为0，数据采集分析模块(10)获得A路脉冲序列和B路脉冲序列的相邻脉冲间距ΔTd，并进一步得到待测目标(7)的距离信息。重复步骤14，即可获取待测目标(7)的实时位移信息。
ΔT d ( t ) ≈ δT 0 + Δf R ΔT 0 f R 0 sin [ 2 πf m ( t + ΔT 0 2 ) ] - - - ( 1 )
其中，t为时间；δT0为时间偏移量；ΔfR为飞秒激光振荡器(2)的出射光的重复频率的最大调整范围；ΔT0为A路飞秒激光和B路飞秒激光光程不同引起的时间偏移；飞秒激光振荡器(2)的出射光的重复频率的初始值；fm为飞秒激光振荡器(2)的出射光的重复频率的调制频率。
有益效果
本发明提出的一种远程动态目标测距装置及方法与已有技术相比较，具有以下优点：
①通过频率调谐模块(1)调整飞秒激光振荡器(2)的腔长，可快速找到干涉点，即使ΔTd为零，使距离测量的实时性得到调高，当调制频率大于待测目标的振动频率，即可获取待测目标的振动频率信息，用于低频振动的测量。
②该装置体积小，反映灵活，快速。在精确定位和跟踪以及雷达***等工程领域中有广阔的应用前景
附图说明
图1是本发明具体实施方式中远程动态目标测距装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
本实施例中的远程动态目标测距装置，其组成如图1所示，其包括：频率调谐模块1、飞秒激光振荡器2、光纤耦合器3、光学池4、环路器5、飞秒激光扩束准直器6、光纤耦合器8、双光子探测器9、数据采集分析模块10、参考频率发生装置11、光电探测器12，重复频率锁定装置13。
频率调谐模块1的主要作用是：通过调整飞秒激光振荡器2的腔长改变飞秒激光振荡器2的出射光的重复频率。
飞秒激光振荡器2的主要作用是：提供脉冲重复频率稳定的飞秒脉冲激光。
参考频率发生装置11的主要作用是：提供和原子钟稳定度相同的基准信号，将参考频率发生装置11的输出频率作为重复频率锁定装置13的参考频率。
光电探测器12的主要作用是：将飞秒激光振荡器2输出的光信号转化为电信号。
重复频率锁定装置13的主要作用是：将光电探测器12输出的包含飞秒激光振荡器2出射光重复频率的电信号锁定到参考频率装置13的输出频率上，使飞秒激光振荡器2出射光的重复频率和参考频率装置13输出的电信号频率的稳定度相同。
光纤耦合器3的主要作用是：将来自飞秒激光振荡器2的出射光分为两路，一路称为A路飞秒激光，另一路称为B路飞秒激光。
光学池4是真空腔，其主要作用是：光纤耦合器3输出的B路飞秒激光进入光学池4后，使B路飞秒激光的光程增加，并避免自由空间传送而产生的色散。
环路器5有三个端口，分别称为L端口、R端口和D端口。其主要作用是：①光学池4的出射激光从环路器5的L端口进入，然后从R端口输出至准直镜6，经准直镜6准直后，其出射光经自由空间射向待测目标7；②待测目标7的反射光线经准直镜6后，进入环路器5的R端口，然后从环路器5的D端口输出至光纤耦合器8。
准直镜6的主要作用是：①改善从环路器5的R端口输出的飞秒脉冲激光的准直度，使经准直镜6出射的飞秒激光为准直光束。②收集由待测目标反射回来的飞秒脉冲激光，送入环路器5中。
光纤耦合器8的主要作用是：将光纤耦合器3输出的A路飞秒激光和环路器5的D端口发送来的光耦合进同一光学路径中。
双光子探测器9的主要作用是将光信号转换为电信号。光纤耦合器8的出射光线进入双光子探测器9，双光子探测器9将光信号转换为电信号后，输出至数据采集分析模块10。
数据采集分析模块10的作用是对电信号进行分析，解算出待测目标7的位移信息。
使用所述远程动态目标测距装置进行测距的操作过程为：
步骤1：将待测目标7放在准直镜6的光轴上。
步骤2：飞秒激光振荡器2提供脉冲重复频率稳定的飞秒脉冲激光。
步骤3：光电探测器12将飞秒激光振荡器2输出的光信号转化为电信号。
步骤4：参考频率发生装置11提供和原子钟稳定度相同的基准信号。
步骤5：重复频率锁定装置13将光电探测器12输出的包含飞秒激光振荡器2出射光重复频率的电信号锁定到参考频率装置13的输出频率上，使飞秒激光振荡器2出射光的重复频率和参考频率装置13输出的电信号频率的稳定度相同。
步骤6：自飞秒激光振荡器2的出射光线进入光纤耦合器3。
步骤7：光纤耦合器3将来自飞秒激光振荡器2的出射光分为两路，一路称为A路飞秒激光，另一路称为B路飞秒激光。
步骤8：光纤耦合器3输出的B路飞秒激光进入光学池4后，使B路飞秒激光的光程增加，并避免自由空间传送而产生的色散。
步骤9：光学池4的出射激光从环路器5的L端口进入，然后从R端口输出至准直镜6，经准直镜6准直后，其出射光经自由空间射向待测目标7；
步骤10：待测目标7的反射光线经准直镜6后，进入环路器5的R端口，然后从环路器5的D端口输出至光纤耦合器8。
步骤11：此步骤与步骤8同步操作：光纤耦合器8将光纤耦合器3输出的A路飞秒激光和环路器5的D端口发送来的光耦合进同一光学路径中。
步骤12：光纤耦合器8的出射光线进入双光子探测器9，双光子探测器9将光信号转换为电信号后，输出至数据采集分析模块10。
步骤13：频率调谐模块1调整飞秒激光振荡器2的腔长，改变飞秒激光振荡器2的出射光的重复频率，使通过耦合器8进入同一光学路径中A路脉冲序列和B路脉冲序列的相邻脉冲间距为0，数据采集分析模块10获得待测目标7的距离信息。
步骤14：当待测目标7在准直镜6的光轴上移动时，使A路脉冲序列和B路脉冲序列的相邻脉冲间距发生变化，使频率调谐模块1工作，频率调谐模块1调整飞秒激光振荡器2的腔长，改变飞秒激光振荡器2的出射光的重复频率，使通过耦合器8进入同一光学路径中A路脉冲序列和B路脉冲序列的相邻脉冲间距ΔTd再次为0，数据采集分析模块10通过公式(1)获得A路脉冲序列和B路脉冲序列的相邻脉冲间距ΔTd，并进一步得到待测目标7的距离信息。重复步骤14，即可获取待测目标7的实时位移信息。待测目标7的位移极限分辨率为1nm。
远程动态目标测距装置及方法的优势在于：
通过频率调谐模块1调整飞秒激光振荡器2的腔长，实质上把飞秒激光振荡器2腔长长度的微小变化进行了放大，建立了一个大的可调谐光学延迟。其原理如公式(2)所示。
L'＝(ΔL/Le)ΔLe     (2)
其中，L'为飞秒激光振荡器2的腔长长度的微小变化进行了放大后等效的光学延迟；ΔL为A路飞秒激光和B路飞秒激光的光程差；Le为飞秒激光振荡器2的腔长；ΔLe为飞秒激光振荡器2的腔长变化量。
由于飞秒激光振荡器2的腔长Le长度为0.1至1m，A路飞秒激光和B路飞秒激光的光程差ΔL的Km量级。所以L'＝(ΔL/Le)ΔLe≈103-104，充分证明了双臂的不平衡起到了一个放大作用，将腔长的微小移动变化为大的光学延迟，用小位移实现远程待测目标的距离测量。

Claims (3)

1.一种远程动态目标测距装置，其特征在于，其包括：频率调谐模块(1)、飞秒激光振荡器(2)、光纤耦合器(3)、光学池(4)、环路器(5)、飞秒激光扩束准直器(6)、光纤耦合器(8)、双光子探测器(9)、数据采集分析模块(10)、参考频率发生装置(11)、光电探测器(12)和重复频率锁定装置(13)；
频率调谐模块(1)的主要作用是：通过调整飞秒激光振荡器(2)的腔长改变飞秒激光振荡器(2)的出射光的重复频率；
飞秒激光振荡器(2)的主要作用是：提供脉冲重复频率稳定的飞秒脉冲激光；
参考频率发生装置(11)的主要作用是：提供和原子钟稳定度相同的基准信号，将参考频率发生装置(11)的输出频率作为重复频率锁定装置(13)的参考频率；
光电探测器(12)的主要作用是：将飞秒激光振荡器(2)输出的光信号转化为电信号；
重复频率锁定装置(13)的主要作用是：将光电探测器(12)输出的包含飞秒激光振荡器(2)出射光重复频率的电信号锁定到参考频率装置(13)的输出频率上，使飞秒激光振荡器(2)出射光的重复频率和参考频率装置(13)输出的电信号频率的稳定度相同；
光纤耦合器(3)的主要作用是：将来自飞秒激光振荡器(2)的出射光分为两路，一路称为A路飞秒激光，另一路称为B路飞秒激光；
光学池(4)是真空腔，其主要作用是：光纤耦合器(3)输出的B路飞秒激光进入光学池(4)后，使B路飞秒激光的光程增加，并避免自由空间传送而产生的色散；
环路器(5)有三个端口，分别称为L端口、R端口和D端口；其主要作用是：①光学池(4)的出射激光从环路器(5)的L端口进入，然后从R端口输出至准直镜(6)，经准直镜(6)准直后，其出射光经自由空间射向待测目标(7)；②待测目标(7)的反射光线经准直镜(6)后，进入环路器(5)的R端口，然后从环路器(5)的D端口输出至光纤耦合器(8)；
准直镜(6)的主要作用是：①改善从环路器(5)的R端口输出的飞秒脉冲激光的准直度，使经准直镜(6)出射的飞秒激光为准直光束；②收集由待测目标反射回来的飞秒脉冲激光，送入环路器(5)中；
光纤耦合器(8)的主要作用是：将光纤耦合器(3)输出的A路飞秒激光和环路器(5)的D端口发送来的光耦合进同一光学路径中
双光子探测器(9)的主要作用是将光信号转换为电信号；光纤耦合器(8)的出射光线进入双光子探测器(9)，双光子探测器(9)将光信号转换为电信号后，输出至数据采集分析模块(10)；
数据采集分析模块(10)的作用是对电信号进行分析，解算出待测目标(7)的位移信息。
2.使用如权利要求1所述的远程动态目标测距装置进行测距的方法，其特征在于：其具体操作过程为：
步骤1：将待测目标(7)放在准直镜(6)的光轴上；
步骤2：飞秒激光振荡器(2)提供脉冲重复频率稳定的飞秒脉冲激光；
步骤3：光电探测器(12)将飞秒激光振荡器(2)输出的光信号转化为电信号；
步骤4：参考频率发生装置(11)提供和原子钟稳定度相同的基准信号；
步骤5：重复频率锁定装置(13)将光电探测器(12)输出的包含飞秒激光振荡器(2)出射光重复频率的电信号锁定到参考频率装置(13)的输出频率上，使飞秒激光振荡器(2)出射光的重复频率和参考频率装置(13)输出的电信号频率的稳定度相同；
步骤6：自飞秒激光振荡器(2)的出射光线进入光纤耦合器(3)；
步骤7：光纤耦合器(3)将来自飞秒激光振荡器(2)的出射光分为两路，一路称为A路飞秒激光，另一路称为B路飞秒激光；
步骤8：光纤耦合器(3)输出的B路飞秒激光进入光学池(4)后，使B路飞秒激光的光程增加，并避免自由空间传送而产生的色散；
步骤9：光学池(4)的出射激光从环路器(5)的L端口进入，然后从R端口输出至准直镜(6)，经准直镜(6)准直后，其出射光经自由空间射向待测目标(7)；
步骤10：待测目标(7)的反射光线经准直镜(6)后，进入环路器(5)的R端口，然后从环路器(5)的D端口输出至光纤耦合器(8)；
步骤11：此步骤与步骤8同步操作：光纤耦合器(8)将光纤耦合器(3)输出的A路飞秒激光和环路器(5)的D端口发送来的光耦合进同一光学路径中；
步骤12：光纤耦合器(8)的出射光线进入双光子探测器(9)，双光子探测器(9)将光信号转换为电信号后，输出至数据采集分析模块(10)；
步骤13：频率调谐模块(1)调整飞秒激光振荡器(2)的腔长，改变飞秒激光振荡器(2)的出射光的重复频率，使通过耦合器(8)进入同一光学路径中A路脉冲序列和B路脉冲序列的相邻脉冲间距为0，数据采集分析模块(10)获得待测目标(7)的距离信息；
步骤14：当待测目标(7)在准直镜(6)的光轴上移动时，使A路脉冲序列和B路脉冲序列的相邻脉冲间距发生变化，使频率调谐模块(1)工作，频率调谐模块(1)调整飞秒激光振荡器(2)的腔长，改变飞秒激光振荡器(2)的出射光的重复频率，使通过耦合器(8)进入同一光学路径中A路脉冲序列和B路脉冲序列的相邻脉冲间距再次为0，A路脉冲序列和B路脉冲序列的相邻脉冲间距用符号ΔTd表示，数据采集分析模块(10)获得A路脉冲序列和B路脉冲序列的相邻脉冲间距ΔTd，并进一步得到待测目标(7)的距离信息；重复步骤14，即可获取待测目标(7)的实时位移信息。
3.如权利要求2所述的使用远程动态目标测距装置进行测距的方法，其特征在于：其步骤14中所述数据采集分析模块(10)获得A路脉冲序列和B路脉冲序列的相邻脉冲间距ΔTd的方法为：通过公式(1)计算得到；
ΔT d ( t ) ≈ δT 0 + Δf R ΔT 0 f R 0 sin [ 2 πf m ( t + ΔT 0 2 ) ] - - - ( 1 )
其中，t为时间；δT0为时间偏移量；ΔfR为飞秒激光振荡器(2)的出射光的重复频率的最大调整范围；ΔT0为A路飞秒激光和B路飞秒激光光程不同引起的时间偏移；飞秒激光振荡器(2)的出射光的重复频率的初始值；fm为飞秒激光振荡器(2)的出射光的重复频率的调制频率。
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