[发明专利]基于时域扫描的全光纤双向锁模飞秒激光测距装置及方法

说明书

本发明涉及一种基于时域扫描的全光纤双向锁模飞秒激光测距装置及方法，属于激光测距领域。光源发出的正向脉冲通过迈克尔逊干涉单元分成一束参考光脉冲和一束测量光脉冲；光源发出的反向脉冲通过脉冲扫描单元扫描迈克尔逊干涉单元发出的参考光脉冲和测量光脉冲，产生测距信号；数据采集与处理装置根据测距信号和频率计数器测得的重频值即能够得到待测距离值。相比于双光梳测距装置，该装置使用一台产生双向脉冲的激光器代替双光梳，并且不需要调整重复频率，测量结构得到优化，大大减少了测量辅助设备，缩小了测距装置体积，节省了成本，提高了稳定性。

技术领域

本发明涉及一种基于时域扫描的全光纤双向锁模飞秒激光测距装置及方法，属于激光测距领域。

背景技术

典型的距离测量一般分为两种方法。第一种方法是时间飞行方法。时间飞行方法的原理是通过测量脉冲的往返时间间隔实现的。时间飞行方法具有距离测量范围广的优点，一般能够测量几米到几百千米，但是，探测器的时间分辨率只能到皮秒量级，所以测量精度和分辨力是有限的。第二种方法是激光干涉法。激光干涉法使用连续激光器作为光源，通过测量条纹的移动数量来确定距离变化量，因而具有亚波长的分辨力。通过条纹细分技术，其分辨力能够达到几十纳米；但是，由于两点之间的位移测量需要测量目标连续的移动，容易受到外界环境影响而出现断点，不适合用于绝对距离测量。

飞秒脉冲激光具有宽光谱、窄脉冲等特性，时域上飞秒脉冲是一系列稳定的等间隔的脉冲序列，而频域上飞秒脉冲可以提供从微波频率到光频的一系列等间隔的频率分布。将飞秒脉冲的重复频率和载波包络相位同时锁定到高稳定的外部参考铷钟上，大大提高了飞秒脉冲时域和频域上的稳定性。利用这些优势，可以实现高精度绝对距离测量。

2009年，Coddington等使用两台相位锁定的飞秒光频梳，在1.5m范围内实现了5kHz更新速率下3μm的测距精度。该方法具有测量速度快，测量精度高，量程大的特点，但是扩展量程需调换双梳的位置，操作较麻烦；2010年，Lee等人使用平衡光学互相关技术的飞秒脉冲时间飞行方法，该方法的测量范围达到了0.7km，在5ms的采样时间下，阿伦方差达到了117nm，当平均时间增加到1s时，阿伦方差减小到7nm。该方法后期处理简单，精度高，并且没有周期性不确定度和测量距离中的相干性限制。对于一定的待测距离，该方法需要相位锁定两个重复频率，而重复频率的调整范围有限，所以该方法不适用于近距离测量，存在测量死区。2014年，清华大学李岩等提出了一种基于双光梳非线性异步光学采样绝对距离测量方法。实验中使用重复频率有微小差异的两台光学频率梳实现时域光学扫描，利用基于第二类相位匹配的倍频技术实现峰值的提取从而得到飞行时间。当平均时间为0.5ms时，标准差为1.48μm，平均时间为500ms时，标准差为82.9nm。

发明内容

为了克服上述技术存在的缺点，本发明目的提供一种基于时域扫描的全光纤双向锁模飞秒激光测距装置及方法。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

基于时域扫描的全光纤双向锁模飞秒激光测距装置，包括光源、光学测量装置以及数据采集与处理装置。

所述光学测量装置由迈克尔逊干涉单元和脉冲扫描单元；

光源发出的正向脉冲通过迈克尔逊干涉单元分成一束参考光脉冲和一束测量光脉冲；光源发出的反向脉冲通过脉冲扫描单元扫描迈克尔逊干涉单元发出的参考光脉冲和测量光脉冲，产生测距信号；数据采集与处理装置根据测距信号和频率计数器测得的重频值即能够得到待测距离值。