[发明专利]一种基于三波长飞秒激光的测距装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于三波长飞秒激光的测距装置及方法，属于长度测量技术领域。

背景技术

描述空间的测距技术是人类最重要的基本工程技术之一。目前的测距技术主要有时间法和空间法两类。空间法主要采用各种尺子直接测量距离和描述空间，如使用卡尺、皮尺、钢卷尺等等，距离有限并且准确度也有限。使用光波长作为尺子的测量方法即是通常的干涉测量法，可以获得更高的测量准确度和用于更长的距离。时间法主要借助于各种波动在空间或媒介中传输所需要的时间的测量，在均匀介质内传播速度恒定、传播方向不变的假设条件下获得空间距离，可以测量特别远的距离。例如使用声波、电磁波、光波等手段的各种雷达、测距机等等。

在各种激光干涉测距和时间法高精度激光测距中，空气媒介不均匀和不理想导致的折射率变化，进而导致的光速在媒介中的变化是影响和制约测距精度的主要技术瓶颈之一。为解决该问题，科学家们进行了大量研究，著名的Edlén公式即为其中的主要成果，它揭示了空气折射率与激光波长、空气温度、压力、湿度间的函数关系。通过对激光波长、环境温度、压力和湿度的测量获得空气折射率的修正补偿值，可以用来修正和计算空气中的光速，并可获得更高的测距准确度。

目前制约高精度测距准确度的瓶颈包括长程测距中光程各点的温度、压力、湿度等不均匀，测量和补偿难以实现等等，使得Edlén公式无法有效应用，导致测距准确度一直没有大的进展，特别是长距离测距情况。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有激光测距技术中空气折射率测量与补偿难以实现的问题，提出一种基于三波长飞秒激光的测距装置及方法，在不进行环境参数测量的情况下获得高精度距离测量结果。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种基于三波长飞秒激光的测距装置，包括飞秒激光器、分光镜、参考臂光路、测量臂光路、波长选择部件、光电转换部件、相位计和计算机；

飞秒激光器用于产生重复频率为f_r、含有多个波长分量的飞秒激光，分光镜将飞秒激光一分为二，分别去往参考臂光路和测量臂光路，参考臂和测量臂光程差的绝对值即是待测距离的2倍；

参考臂光路将含有参考臂长信息的激光脉冲经光电转换部件转换为频率为f_r或其高次谐波的正弦电压信号进入相位计，测量臂光路将含有测量臂长信息的激光脉冲经光电转换部件转换为频率为f_r或其高次谐波的正弦电压信号进入相位计，相位计通过测量两路正弦信号的相位并将测量结果送入计算机，计算机计算两路正弦信号的相位差量值并转换为时间差量值，再利用基于三波长飞秒激光的测距方法解算出被测距离并输出；

波长选择部件对飞秒激光器发出的三个测距用的激光波长进行提取，用于分别在三个不同波长上进行相位差测量，获得三个不同的测距方程式，经计算机联立求解获得空气中的待测距离值输出；

所述波长选择部件采用可选波长的选通滤波片或者采用衍射光栅的方式实现。

本发明的一种基于三波长飞秒激光的测距装置，其具体测距方法的步骤如下：

1)给出传统的关于空气折射率计算方法，为采用Edlén公式：

(ns-1)=(272.6+4.608λv+0.061λv2)·10-6---(1)]]>