飞行时间和光强探测结合的光学频率梳测距装置和方法
【专利摘要】本发明公开了一种飞行时间和光强探测结合的光学频率梳测距装置，包含三个等效的迈克尔逊干涉仪，其中，一个迈克尔逊干涉仪探测光学频率梳的干涉光强，其余两个探测并记录光学频率梳的干涉条纹，本发明中设有两个遮光板S1和S2，可以避免脉冲之间的相互干扰。利用干涉光强，可以保证测距精度在纳米量级，探测并记录干涉条纹，进而确定干涉条纹之间的相对位置，可以唯一的确定测距结果，本发明公开相应的测距方法，将光强探测方法和时间飞行法结合起来，改善了光强探测法的非歧义范围，把非歧义范围拓展到理论上的最大值，本发明方法设计简洁，结构简单，易于调节。
【专利说明】飞行时间和光强探测结合的光学频率梳测距装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种飞行时间和光强探测结合的光学频率梳测距装置和方法。
【背景技术】
[0002] 光学频率梳具有宽光谱窄脉宽的优异特性，时域内光学频率梳是一个等间隔的脉 冲序列，频域内是一系列等间隔的单独的纵模。光学频率梳实现了光学频标和微波频标的 连接，从而计量的精度可以很高。
[0003] 对于光学频率梳的测距技术来说，有两个最为重要的技术指标：精度和非歧义范 围。非歧义范围，即在此范围内，可以通过测距系统唯一确定测距结果。时域内，非相干的 时间飞行法可以在很广阔的测距范围内实现测距，但是由于光电探测设备的分辨力限制， 这种方法的测距精度很低；相干的时间飞行法虽然提高了时间飞行的测距精度，但是其精 度仍然不高，且其实际测距范围很小。频域内，光谱干涉的方法测距精度很高，但是由于光 谱探测设备的分辨率限制，测距范围不大。
【发明内容】
[0004] 针对上述现有技术，本发明提供了一种飞行时间和光强探测结合的光学频率梳测 距装置和方法，装置中包含三个等效的迈克尔逊干涉仪，其中，一个迈克尔逊干涉仪探测光 学频率梳的干涉光强，其余两个探测并记录光学频率梳的干涉条纹。利用干涉光强，可以保 证测距精度在纳米量级。探测并记录干涉条纹，进而确定干涉条纹之间的相对位置，可以唯 一的确定测距结果，同时对于该方法，把非歧义范围拓展到理论上的最大值。该方法设计简 洁，结构简单，易于调节。
[0005] 本发明一种飞行时间和光强探测结合的光学频率梳测距装置，该装置包括：光学 频率梳、参考反射镜Μκ、分束器BSi、分束器BS2、目标反射镜MT1、目标反射镜M T2、遮光板Si、 遮光板S2 ;所述参考反射镜Μκ、分束器BSi、分束器BS2、目标反射镜MT1、目标反射镜M T2构成 了三个等效的迈克尔逊干涉仪，所述分束器BS2位于所述的分束器BSi和目标反射镜M T1之 间，其中，由参考反射镜坞、分束器BSi、分束器BS2和目标反射镜MT1构成迈克尔逊干涉仪A， 由参考反射镜Μ κ、分束器BSi、分束器BS2和目标反射镜MT2构成迈克尔逊干涉仪B，由目标反 射镜M T1、B分束器S2和目标反射镜MT2构成迈克尔逊干涉仪C ;所述遮光板Si位于分束器 BS2与目标反射镜MT1之间，所述遮光板S2位于分束器BS2与目标反射镜M T2之间；在所述迈 克尔逊干涉仪A和所述迈克尔逊干涉仪B的输出光路上设有一透镜和光电探测器TOi，所述 迈克尔逊干涉仪A用于探测目标反射镜M T1返回脉冲的空间相对位置，所述迈克尔逊干涉仪 B用于探测目标反射镜MT2返回脉冲的空间相对位置；在所述迈克尔逊干涉仪C的输出光路 上设有光电探测器ro 2，所述迈克尔逊干涉仪C用于探测目标反射镜MT1和目标反射镜MT2各 自返回的脉冲干涉后的光强；所述参考反射镜坞设在一纳米位移平台PZT1上，所述目标反 射镜M T1设在一纳米位移平台PZT2上；有一示波器，用于显示光电探测器^^和光电探测器 pd2的输出电信号。
[0006] 本发明一种飞行时间和光强探测结合的光学频率梳测距方法，采用上述飞行时间 和光强探测结合的光学频率梳测距装置，并包括以下步骤：
[0007] 步骤一、移动纳米位移平台PZT2,使所述迈克尔逊干涉仪C两个臂的距离差为待 测距离L ;
[0008] 步骤二、记录光强值：打开遮光板Si和遮光板S2，光源发出的光经过遮光板BSi分 为两束，一束被参考反射镜Μ κ反射，另一束经过分束器BS2又分为两束，又分出的一束被目 标反射镜mT2反射，另一束被目标反射镜m t1反射，光电探测器ro2采集到目标反射镜MT1和 目标反射镜M T2反射回的光的干涉信号，从而得到一直流光强；
[0009] 步骤三、利用时间飞行法确定目标反射镜MT1和目标反射镜MT2反射回的光的空间 相对距离：
[0010] 关闭遮光板Si，且纳米位移平台PZT1为扫描状态，光源发出的光经过分束器BSi* 为两束，一束被参考反射镜Μ κ反射，另一束经过分束器BS2又分为两束，又分出的一束被目 标反射镜MT2反射，另一束被遮光板Si遮挡，光电探测器TOi采集到参考反射镜Μ κ和目标反 射镜MT2反射回的光的干涉信号，得到干涉条纹；以纳米位移平台PZT1的驱动电压信号为基 准，确定目标反射镜M T2相对于纳米位移平台PZT1驱动电压信号的相对位置；
[0011] 打开遮光板Si，关闭遮光板S2，光源发出的光经过分束器BSi分为两束，一束被参 考反射镜Μ κ反射，另一束经过分束器BS2又分为两束，一束被目标反射镜MT1反射，另一束 被遮光板S 2遮挡，光电探测器TOi采集到参考反射镜Μκ和目标反射镜MT1反射回的光的干 涉信号，得到干涉条纹；以纳米位移平台PZT1的驱动电压信号为基准，确定目标反射镜M T1 相对于纳米位移平台PZT1驱动电压信号的相对位置；
[0012] 根据目标反射镜MT2相对于纳米位移平台PZT1驱动电压信号的相对位置及目标反 射镜M T1相对于纳米位移平台PZT1驱动电压信号的相对位置，得到目标反射镜MT1和目标反 射镜M T2反射回的光的空间相对距离；
[0013] 步骤四、根据步骤二获得的直流光强和理想脉冲模型的干涉条纹得到待测距离的 一组初算数值，从所述一组初算数值中选择出与步骤三获得的目标反射镜M T1和目标反射 镜MT2反射回的光的空间相对距离最接近的数值即为待测距离L的数值。
[0014] 进一步讲，步骤四中，所述理想脉冲模型是理想高斯脉冲模型、双曲正割模型、非 对称高斯脉冲模型、非对称双曲正割模型中的任何一种。
[0015] 一组初算数值由理想脉冲模型的干涉条纹中强度与直流光强相等的点对应的一 组距离值构成。
[0016] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0017] 本发明是将光强探测的方法和时间飞行法结合起来，改善了光强探测法（即本发 明中步骤二的内容）的非歧义范围，提高了时间飞行法的测量精度；本发明中两个遮光板 Si和S2的应用可以避免脉冲之间的相互干扰，如果不设置遮光板，无法分别得到两个目标 反射镜MT 2和Μ?\对应的干涉条纹，进而无法得到两个目标反射镜MT2和Μ?\的相对距离。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 图1是本发明飞行时间和光强探测结合的光学频率梳测距装置原理图；
[0019] 图2所示为两个干涉条纹之间的相对距离粗测图。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述。
[0021] 如图1所示，本发明一种飞行时间和光强探测结合的光学频率梳测距装置，包括： 光学频率梳、参考反射镜Μ κ、分束器BSi、分束器BS2、目标反射镜MT1、目标反射镜MT2、遮光板 Si、遮光板s2。
[0022] 所述参考反射镜Μκ、分束器BSi、分束器BS2、目标反射镜M T1、目标反射镜MT2构成了 三个等效的迈克尔逊干涉仪，所述分束器BS2位于所述的分束器BSi和目标反射镜M T1之间， 其中：
[0023] 由参考反射镜Μκ、分束器BSi、分束器BS2和目标反射镜M T1构成迈克尔逊干涉仪A，
[0024] 由参考反射镜Μκ、分束器BSi、分束器BS2和目标反射镜M T2构成迈克尔逊干涉仪B ;
[0025] 由目标反射镜MT1、B分束器S2和目标反射镜M T2构成迈克尔逊干涉仪C。
[0026] 所述遮光板Si位于分束器BS2与目标反射镜MT1之间，所述遮光板S 2位于分束器 BS2与目标反射镜MT2之间。
[0027] 在所述迈克尔逊干涉仪A和所述迈克尔逊干涉仪B的输出光路上设有一透镜和光 电探测器^^，所述迈克尔逊干涉仪A用于探测目标反射镜M T1返回脉冲的空间相对位置，所 述迈克尔逊干涉仪B用于探测目标反射镜MT2返回脉冲的空间相对位置。
[0028] 在所述迈克尔逊干涉仪C的输出光路上设有光电探测器^)2，所述迈克尔逊干涉仪 C用于探测目标反射镜MT1和目标反射镜MT2各自返回的脉冲干涉后的光强。
[0029] 所述参考反射镜坞设在一纳米位移平台PZT1上，所述目标反射镜MT1设在一纳米 位移平台PZT2上。
[0030] 有一不波器，用于显不光电探测器和光电探测器PD2的输出电信号。
[0031] 利用上述飞行时间和光强探测结合的光学频率梳测距装置进行测距，包括以下步 骤：
[0032] 步骤一、移动纳米位移平台PZT2(PZT2纳米位移平台的精度为lnm)，使所述迈克 尔逊干涉仪C两个臂的距离差为待测距离L ;
[0033] 步骤二、记录光强值Η)2探测到的光强为-0. 34645,打开遮光板Si和遮光板S2，光 源发出的光经过遮光板BSi分为两束，一束被参考反射镜Μ κ反射，另一束经过分束器BS2又 分为两束，又分出的一束被目标反射镜MT2反射，另一束被目标反射镜M T1反射，光电探测器 PDi采集到的干涉条纹是没有参考价值的，光电探测器ro2采集到目标反射镜MT1和目标反 射镜M T2反射回的光的干涉信号，从而得到一直流光强；利用光强探测方法，根据光强与距 离之间的关系，可以确定一系列的距离信息，所以仅仅依靠直流光强是无法唯一确定被测 距离的。
[0034] 步骤三、利用时间飞行法确定目标反射镜MT1和目标反射镜MT2反射回的光的空间 相对距离：
[0035] 关闭遮光板Si，且纳米位移平台PZT1为扫描状态，光源发出的光经过分束器BSi分 为两束，一束被参考反射镜Μ κ反射，另一束经过分束器BS2又分为两束，又分出的一束被目 标反射镜mT2反射，另一束被遮光板Si遮挡，光电探测器ro 2采集到的直流光强是没有参考 价值的，光电探测器采集到参考反射镜Μκ和目标反射镜M T2反射回的光的干涉信号，得 到干涉条纹；以纳米位移平台PZT1的驱动电压信号为基准，确定目标反射镜MT2相对于纳米 位移平台PZT1驱动电压信号的相对位置；
[0036] 打开遮光板Si，关闭遮光板S2，光源发出的光经过分束器BSi分为两束，一束被参 考反射镜Μ κ反射，另一束经过分束器BS2又分为两束，一束被目标反射镜MT1反射，另一束 被遮光板S 2遮挡，光电探测器TOi采集到参考反射镜Μκ和目标反射镜MT1反射回的光的干 涉信号，得到干涉条纹；以纳米位移平台PZT1的驱动电压信号为基准，确定目标反射镜M T1 相对于纳米位移平台PZT1驱动电压信号的相对位置；
[0037] 根据目标反射镜MT2相对于纳米位移平台PZT1驱动电压信号的相对位置及目标反 射镜M T1相对于纳米位移平台PZT1驱动电压信号的相对位置，得到目标反射镜MT1和目标反 射镜M T2反射回的光的空间相对距离为5 μ m，如图2所示。
[0038] 步骤四、根据步骤二获得的直流光强和理想高斯脉冲模型的干涉条纹得到待测距 离的一组初算数值为：3· 478、4· 246、4· 996、5· 803、6· 624、7· 334、8· 047 和 8. 868 μ m，该组 初算数值由理想高斯脉冲模型的干涉条纹中强度与直流光强相等的点对应的一组距离值 构成；从这一组初算数值中选择出与步骤三获得的目标反射镜M T1和目标反射镜MT2反射回 的光的空间相对距离最接近的数值即为待测距离L的数值为4. 996 μ m。当然，本发明的步 骤四中还可以根据步骤二获得的直流光强和双曲正割模型（或非对称高斯脉冲模型或非 对称正割模型）的干涉条纹得到该组初算数值。
[0039] 本发明中，时间飞行法部分只是为光强探测提供了一个筛选条件，即由光强探测 的方法能够确定一系列的距离值，再由时间飞行法来辅助筛选出一个距离值，就可以实现 唯一确定待测距离L，根据之前的分析，光强探测的方法测量误差在4nm左右。
[0040] 另外，三个迈克尔逊干涉仪不是同时工作的，由于光源发出的脉冲质量不是完美 的，干涉条纹很宽，且不是只有一个峰值，而只有最大峰值对测量有参考意义，其余的峰值 都是噪声。引入两个遮光板Si和S 2，可以避免迈克尔逊干涉仪A和B两个干涉仪形成的两 个干涉条纹之间互相影响。实验中，如果不设置两个遮光板Si和S 2，结果表明，影响是很大 的，甚至条纹只有一个峰值点。所以，两个遮光板Si和S2是必要的。
[0041] 本发明测距装置及方法具有两个优点：一是将光强探测的方法和时间飞行法结合 起来，改善了光强探测法（即本发明中步骤二的内容）的非歧义范围，提高了时间飞行法的 测量精度；二是两个遮光板Si和S 2的应用可以避免脉冲之间的相互干扰，如果不设置遮光 板，无法分别得到两个目标反射镜MT2和Μ?\对应的干涉条纹，进而无法得到两个目标反射 镜奶^和奶^的相对距离。
[0042] 尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施 方式，上述的【具体实施方式】仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本 发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的 保护之内。
【权利要求】
1. 一种飞行时间和光强探测结合的光学频率梳测距装置，其特征在于，包括：光学频 率梳、参考反射镜Μ κ、分束器BSi、分束器BS2、目标反射镜MT1、目标反射镜MT2、遮光板Si、遮 光板s 2 ;所述参考反射镜Μκ、分束器BSi、分束器BS2、目标反射镜MT1、目标反射镜M T2构成了 三个等效的迈克尔逊干涉仪，所述分束器BS2位于所述的分束器BSi和目标反射镜M T1之间， 其中，由参考反射镜Μκ、分束器BSi、分束器BS2和目标反射镜M T1构成迈克尔逊干涉仪A，由 参考反射镜Μκ、分束器BSi、分束器BS2和目标反射镜M T2构成迈克尔逊干涉仪B，由目标反射 镜MT1、B分束器S2和目标反射镜M T2构成迈克尔逊干涉仪C ;所述遮光板Si位于分束器BS2 与目标反射镜MT1之间，所述遮光板S2位于分束器BS2与目标反射镜M T2之间； 在所述迈克尔逊干涉仪A和所述迈克尔逊干涉仪B的输出光路上设有一透镜和光电探 测器，所述迈克尔逊干涉仪A用于探测目标反射镜MT1返回脉冲的空间相对位置，所述迈 克尔逊干涉仪B用于探测目标反射镜M T2返回脉冲的空间相对位置； 在所述迈克尔逊干涉仪c的输出光路上设有光电探测器ro2，所述迈克尔逊干涉仪C用 于探测目标反射镜MT1和目标反射镜MT2各自返回的脉冲干涉后的光强； 所述参考反射镜坞设在一纳米位移平台PZT1上，所述目标反射镜MT1设在一纳米位移 平台PZT2上； 有一不波器，用于显不光电探测器和光电探测器PD2的输出电信号。
2. -种飞行时间和光强探测结合的光学频率梳测距方法，其特征在于，采用如权利要 求1所述的飞行时间和光强探测结合的光学频率梳测距装置，并包括以下步骤： 步骤一、移动纳米位移平台PZT2,使所述迈克尔逊干涉仪C两个臂的距离差为待测距 离L ; 步骤二、记录光强值：打开遮光板Si和遮光板S2，光源发出的光经过遮光板BSi分为两 束，一束被参考反射镜Μκ反射，另一束经过分束器BS2又分为两束，又分出的一束被目标反 射镜mT2反射，另一束被目标反射镜m t1反射，光电探测器ro2采集到目标反射镜MT1和目标 反射镜M T2反射回的光的干涉信号，从而得到一直流光强； 步骤三、利用时间飞行法确定目标反射镜MT1和目标反射镜MT2反射回的光的空间相对 距离： 关闭遮光板Si，且纳米位移平台PZT1为扫描状态，光源发出的光经过分束器BSi分为两 束，一束被参考反射镜Μκ反射，另一束经过分束器BS2又分为两束，又分出的一束被目标反 射镜MT2反射，另一束被遮光板Si遮挡，光电探测器采集到参考反射镜Μ κ和目标反射镜 MT2反射回的光的干涉信号，得到干涉条纹；以纳米位移平台PZT1的驱动电压信号为基准， 确定目标反射镜M T2相对于纳米位移平台PZT1驱动电压信号的相对位置； 打开遮光板Si，关闭遮光板S2，光源发出的光经过分束器BSi分为两束，一束被参考反 射镜Μκ反射，另一束经过分束器BS2又分为两束，一束被目标反射镜MT1反射，另一束被遮 光板S 2遮挡，光电探测器TOi采集到参考反射镜Μκ和目标反射镜MT1反射回的光的干涉信 号，得到干涉条纹；以纳米位移平台PZT1的驱动电压信号为基准，确定目标反射镜M T1相对 于纳米位移平台PZT1驱动电压信号的相对位置； 根据目标反射镜MT2相对于纳米位移平台PZT1驱动电压信号的相对位置及目标反射镜 MT1相对于纳米位移平台PZT1驱动电压信号的相对位置，得到目标反射镜MT1和目标反射镜 MT2反射回的光的空间相对距离； 步骤四、根据步骤二获得的直流光强和理想脉冲模型的干涉条纹得到待测距离的一组 初算数值，从所述一组初算数值中选择出与步骤三获得的目标反射镜MT1和目标反射镜MT2 反射回的光的空间相对距离最接近的数值即为待测距离L的数值。
3. 根据权利要求2所述飞行时间和光强探测结合的光学频率梳测距方法，其特征在 于，步骤四中，所述理想脉冲模型是理想高斯脉冲模型、双曲正割模型、非对称高斯脉冲模 型、非对称双曲正割模型中的任何一种。
4. 根据权利要求2所述飞行时间和光强探测结合的光学频率梳测距方法，其特征在 于，步骤四中，一组初算数值由理想脉冲模型的干涉条纹中强度与直流光强相等的点对应 的一组距离值构成。
【文档编号】G01S17/08GK104142503SQ201410378653
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年7月31日 优先权日:2014年7月31日
【发明者】张福民, 吴翰钟, 曲兴华 申请人:天津大学