[发明专利]克尔光梳校正调频连续波非线性的三维坐标测量装置

权利要求书

1.一种克尔光梳校正调频连续波非线性的三维坐标测量装置，其特征在于，包括外腔式可调谐激光器(1)和微谐振腔克尔光梳(2)；

所述外腔式可调谐激光器(1)所发射的三角调频波经第一耦合器(3)分为A路光束和B路光束；

其中，所述A路光束进入测量模块(4)，并经第三耦合器(41)分为本地参考路激光和测量路激光，所述测量路激光经环形器(42)、准直镜(43)和二维扫描振镜(44)打到待测物体(45)得到回光，同时，通过所述二维扫描振镜(44)得到所述测量路激光的角度信息；所述回光经所述环形器(42)后与所述本地参考路激光在第四耦合器(46)内进行干涉得到测量路信号，所述测量路信号传入第一光电探测器(47)，通过所述第一光电探测器(47)记录所述测量路信号的距离信息；

其中，所述B路光束进入频率校正模块(5)接入正交混频器(51)的信号路(Ⅰ)；

所述微谐振腔克尔光梳(2)所发射的飞秒激光经第二耦合器(6)分为C路光束和D路光束；

其中，所述C路光束进入频率校正模块(5)接入所述正交混频器(51)的本振路(Ⅱ)，所述正交混频器(51)的信号路(Ⅰ)和本振路(Ⅱ)接至第一平衡探测器(52)，同时，所述正交混频器(51)的信号路(Ⅰ)和本振路(Ⅱ)接至第二平衡探测器(53)，通过所述第一平衡探测器(52)探测所述外腔式可调谐激光器(1)和所述微谐振腔克尔光梳(2)相互干涉得到的第一拍频信号，通过所述第二平衡探测器(53)探测所述外腔式可调谐激光器(1)和所述微谐振腔克尔光梳(2)相互干涉得到的第二拍频信号；

其中，所述D路光束进入时钟模块(7)接入第二光电探测器(71)，通过所述第二光电探测器(71)探测所述微谐振腔克尔光梳(2)的自拍频信号，作为时钟信号；

所述测量模块(4)得到的角度信息和距离信息、所述频率校正模块(5)得到的第一拍频信号和第二拍频信号，以及所述时钟模块(7)得到的时钟信号通过数据采集系统(8)传入计算机(9)。

2.根据权利要求1所述的一种克尔光梳校正调频连续波非线性的三维坐标测量装置，其特征在于，所述测量模块(4)得到的测量路信号为：

I_A(τ，t)＝V_Acos(2π·(τ·α·t+f₀·τ)) (1)

其中，I_A(τ，t)为测量路信号，V_A为第一光电探测器(47)探测到的测量路信号幅值，τ为待测距离引起的时延，t为时间变化，α为三角调频波的扫频速率，f₀为三角调频波初始频率。

3.根据权利要求1所述的一种克尔光梳校正调频连续波非线性的三维坐标测量装置，其特征在于，所述频率校正模块(5)得到的所述第一拍频信号和所述第二拍频信号幅值相等、相位差为90°，所述第一拍频信号和所述第二拍频信号如式(2)和(3)所示：

I_B(t)＝V_B·sin(2π·(f₀-f_ceo-n·f_rep)·t+2π·α/2·t²) (2)

I_C(t)＝V_C·cos(2π·(f₀-f_ceo-n·f_rep)·t+2π·α/2·t²) (3)

其中，I_B(t)为入射第一平衡探测器(52)的第一拍频信号，V_B为第一平衡探测器(52)探测到的第一拍频信号幅值，f_ceo为飞秒激光偏移频率，n为拍频对应梳齿，f_rep为飞秒激光重复频率，I_C(t)为入射第二平衡探测器(53)的第二拍频信号，V_C为第二平衡探测器(53)探测到的第二拍频信号幅值；

所述外腔式可调谐激光器(1)和微谐振腔克尔光梳(2)相互干涉得到的第一拍频信号和第二拍频信号相除得到正切函数，再对所述第一拍频信号和所述第二拍频信号相除后的结果求反正切变换，通过相位解包裹和微分处理得到第一拍频信号和第二拍频信号的瞬时频率值，所述第一拍频信号的瞬时频率值和所述第二拍频信号的瞬时频率值相等，采用f(t)表示所述第一拍频信号的瞬时频率值和所述第二拍频信号的瞬时频率值：

f(t)＝f₀-f_ceo-n·f_rep+αt (4)

利用得到的瞬时频率值的点可以对所述第一光电探测器(47)记录的测量路信号进行等时间间隔的重采样计算，即将时钟信号作为采样点对测量路信号进行时域上的重新采样得到重采样信号，重采样信号为：

V(i)＝cos(2π·τ·f₀+2π·τ·i·f_rep) (5)

其中，V(i)为重采样信号，i为采样点；

进行N个点的傅里叶变换，待测距离R可表示为：

其中，R为待测距离，T为重采样信号经过N点傅里叶变换后的对应的峰值点位置，f_sta为重采样信号对应的频率间隔，c为光速；而待测点的三维坐标(x，y，z)可以表示为：

其中，θ为所述二维扫描振镜(44)控制的待测点到原点的俯仰角，θ∈[0，π]；为所述二维扫描振镜(44)控制的待测点到原点的方位角，