[发明专利]一种双飞秒激光频率梳合成波干涉测距系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光距离测量系统，特别是关于一种适用于绝对距离测量的双飞秒激光频率梳合成波干涉测距系统。

背景技术

传统的激光干涉测量是一种增量式的距离测量方式，存在二分之一波长的非模糊距离。当被测距离大于非模糊距离时，需要在基线和目标物体之间架设导轨，测量过程中目标物体需要沿导轨作连续运动进而完成条纹计数，实现较大范围的距离测量。激光绝对距离测量（无导轨距离测量）是一种直接测量基线到目标物体之间距离的方法，相对于前者具有适用范围广、操作简单等优点，因此其在工业和航天领域具有很强的应用需求和前景，一方面在高速铁路、大型飞机、核电与风电等大型机械装备系统中，对高精度大尺寸的几何量进行精确测量；另一方面为实现高精度卫星编队，也需要大量程、高精度的绝对距离测量技术作为保障。近年来，飞秒激光频率梳的出现给激光绝对距离测量带来了革命性的突破。

飞秒激光频率梳是指将飞秒脉冲激光器的重复频率(f_rep，简称重频)和相位偏移频率（f_ceo）与频率基准源锁定后的装置，它发出的激光在时域上由一系列等间隔的超短激光脉冲(脉宽为若干飞秒)组成，对应频域上存在一系列等间隔的离散光谱线，相邻光谱线的频率间隔等于飞秒激光器的重频，这些光谱线覆盖的光谱范围为数十纳米。在现有的飞秒激光频率梳测距系统中，较为常用的是美国标准计量局（NIST）提出的采用两个具有微小重频差的飞秒激光频率梳构建的测距系统，将其中一个飞秒激光频率梳的脉冲用于参考和测量，另一个飞秒激光频率梳的脉冲用于采样。在测量过程中，采样脉冲和参考脉冲及测量脉冲发生周期性的交叠，再从交叠的信号中提取出距离信息。这种测量方法分为粗测和精测两步：粗测是通过从交叠脉冲信号中提取的飞秒脉冲飞行时间信息所得到，一般能实现几个微米的测量精度；而精测则是通过对多次粗测的结果进行平均，将精度提高到四分之一波长以内，从而确定干涉条纹的整数级次（俗称干涉相位的“大数”），再根据提取的干涉相位对被测距离进行精化，实现高精度测量。这种方法的问题在于仅仅粗测时能够实现很高的测量速度但是精度不够高，而在粗测向精测过渡时需通过多次粗测取平均的方法进行，大大降低了距离测量的速度。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种双飞秒激光频率梳合成波干涉测距系统，其是利用双波长形成的合成波长作为桥梁，将双飞秒激光频率梳的粗测和干涉相位直接衔接起来，即实现了粗测向精测的直接过渡，从而避免多次测量平均，实现快速高精度测量。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种双飞秒激光频率梳合成波干涉测距系统，其特征在于：它包括第一飞秒激光频率梳、第二飞秒激光频率梳、迈克尔逊干涉系统、第二分光镜、第三分光镜、第一窄带带通滤波器、第二窄带带通滤波器、第一光电探测器、第二光电探测器、A/D转换器和信号处理单元；其中，所述迈克尔逊干涉系统包括第一分光镜、第一角反射镜和第二角反射镜；所述第一飞秒激光频率梳作为测量信号源，发出光脉冲到所述第一分光镜，经所述第一分光镜反射的光脉冲发射到所述第一角反射镜，经所述第一角反射镜反射的光脉冲又经所述第一分光镜透射到所述第二分光镜；经所述第一分光镜透射的光脉冲发射到所述第二角反射镜，经所述第二角反射镜反射后又经所述第一分光镜反射到所述第二分光镜；所述第二飞秒激光频率梳作为本机振荡信号源，发出光脉冲到所述第二分光镜，经所述第二分光镜透射的光脉冲与经所述迈克尔逊干涉系统出射的光脉冲进行混合，混合光脉冲发射到所述第三分光镜；经所述第三分光镜透射的光脉冲经所述第一窄带带通滤波器后被所述第一光电探测器探测接收；经所述第三分光镜反射的光脉冲经所述第二窄带带通滤波器后被所述第二光电探测器探测接收；所述第一光电探测器和第二光电探测器的输出端分别连接到所述A/D转换器的输入端，所述A/D转换器的输出端通过相应数据接口连接到所述信号处理单元将接收的信号进行处理得到所需的测量距离值。

所述第一飞秒激光频率梳和第二飞秒激光频率梳的光谱分布必须具有较大的宽度，且必须有比较大的重叠区域，此重叠区域占二者本身光谱宽度的一半以上。