[发明专利]基于单腔双飞秒光梳互相关分析的实时绝对测距方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于单腔双飞秒光梳互相关分析的实时绝对测距方法及系统，该方法的步骤为：S1、产生同时输出的两个不同重复频率的飞秒光梳，两个不同重复频率为fsubgt;r1/subgt;与fsubgt;r2/subgt;，并通过稳频控制将重复频率锁定至原子钟；S2、两个飞秒光梳的光束通过干涉仪光路模块后，测量光梳脉冲返回光(参考光和测量光)和本地光梳脉冲的正交偏振分量，组合产生两组偏振方向互相垂直的飞秒激光脉冲对；S3、产生参考和测量两路光学平衡互相关信号；在实施例中可以由飞秒脉冲互相关分析单元来产生；S4、对平衡互相关信号进行高速数字信号分析处理，得到测距结果。该系统为用来执行上述方法的装置。本发明具有测距量程大、更新速度快、测量精度高、操作简便等优点。

技术领域

本发明主要涉及到激光精密测距技术领域，特指一种基于单腔双飞秒光梳互相关分析的实时绝对测距方法及系统。

背景技术

激光测距相比于微波测距等其他方法，以其方向性强、单色性好、灵敏度和分辨率高、测距模式灵活多样等优势，已在尺寸测量、定位安装、系统校正、计量标定等方面得到广泛应用，是目前精度最高的距离测量手段。随着大型装备精密制造和超精加工技术的发展，先进制造业的发展瓶颈之一已转化为寻求大尺寸精密测量和定位技术的新突破，具体表现为对大量程高精度实时测距的迫切需求，如大口径天文望远镜的制造、大型超精加工机床的装配和在线检测、雷达天线的距离监测、大飞机和船舶的制造等，其测量尺寸范围一般从几米到几十米。由于这些大型装备和零部件在制造和装配时要求的测量精度非常高，而生产和测量环境又比较恶劣，因此无法使用精密导轨来进行传统激光干涉位移测量。此外，在测量过程中还普遍存在固定安装困难和光路阻断等问题，因此传统的激光干涉位移测量已难以满足现阶段的应用需求，迫切需要兼具大量程、高精度、实时快速和能防光路扰断等优点的绝对距离测量来弥补传统测量的不足。

近年来，一种由锁模技术产生的超快激光光源—飞秒光梳的出现不仅实现了微波频标与光学频率的直接连接，极大地提高了时间频率及其相关物理量的精密测量，而且直接推动了高精度绝对测距技术的革新。飞秒光梳以其极窄脉冲、超宽频谱、高峰值能量和高稳定重复频率等特性，可以直接作为获取距离信息的测量光源来实现诸多相干和非相干测距方法。在这些方法中，双光梳测距法以其潜在的测量精度高、非模糊度量程范围大和更新速度快等优势，被认为是目前最具应用潜力和价值的光梳绝对测距方法。

双光梳测距法最早由美国国家标准计量局(NIST)的科学家I.Coddington等人提出，利用重复频率略有偏差的本地光梳对测量光梳在干涉仪光路中的参考信号和测量信号进行异步采样，通过分析脉冲飞行时间和电场域的干涉条纹，从而实现高精度绝对测距，测量过程比较复杂，难以实现快速测距。

有从业者提出一种技术方案“基于非线性光学采样的飞秒激光绝对测距装置及方法”(发明人张弘元和李岩等)对I.Coddington的方法进行了改进，利用基于BBO非线性晶体的光学倍频技术来实现双光梳干涉信号的强度互相关分析，提高了测量的速度和脉冲时间的准确度，但该方法易受光强波动等干扰因素的影响。如何更好更快地提取双光梳干涉信号及其对应的信号处理是目前解决高精度、快速高效和抗干扰性等问题的关键所在。

另有从业者(天津大学秦鹏和宋有建)等利用单光梳测量和参考信号的平衡互相关分析将距离锁定至重复频率，实现了高精度绝对测距，但其可测量的范围有限，且存在较大的测量盲区。由此可见，尽管双光梳测距法优点突出，但现阶段的所有双光梳绝对测距方法均建立在产生两台相对独立的飞秒光梳基础上，系统成本较高，严重制约了其潜在的工程实用价值及实际的推广应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、操作简便、测量精度高的基于单腔双飞秒光梳互相关分析的实时绝对测距方法及系统。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于单腔双飞秒光梳互相关分析的实时绝对测距方法，其特征在于，步骤为：