专利名称：一种基于四通道探测技术的弱光锁相星间位移测量方法及实现该方法的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于四通道探测技术的弱光锁相星间位移测量方法及实现该方法的装置，属于光学领域。
背景技术：
从发射地球卫星到成功登月，从探索外星生命到进行空间引力波探测，人类向太空的探索永未停歇。在这个过程中，用于监测飞行器运动状态的星间位移测量技术得到了极大的发展。通过采用激光外差干涉测量方法，在保证微米甚至纳米级精度的前提下，其探测距离已经扩展到几百万公里。在探测距离如此远的情况下，传统位移与距离测量所使用的目标端被动反射测量激光的方法已经不再适用，测量激光在两倍探测距离下光束的发散将导致激光功率大幅度衰减而无法探测。针对这一问题，研究人员提出了在目标端设置回传激光器，控制回传激光对入射激光进行频率相位锁定来实现对入射测量激光放大回传的方法。2000年美国国家航空航天局(NASA)喷气动力实验室(Jet Propulsion Laboratory)的 Muthu Jeganathan 禾口 Serge Dubovitsky等人利用上述方法进行了相关实验，其使用激光偏频锁定装置(LOLA)实现了目标端1.319 μ m波长回传激光对发射端激光50MHz的频率锁定。其通过在目标端设置压电陶瓷微位移平台控制反射镜位置，验证了测量系统的测量分辨率在350nm位移范围内达到2.6歷。经过实验与分析，Muthu Jeganathan等人提出利用该方法实现远距离位移测量的关键在于保证目标端回传激光对测量端发射激光频率相位的精确锁定跟踪。20世纪90年代初期，光学锁相技术在电学领域的锁相环技术基础上发展成型，由于能够实现对激光频率相位的锁定跟踪，其一经出现便受到研究人员的广泛关注。光学锁相环根据产生反馈控制信号的不同可以分为零差式光学锁相环和外差式光学锁相环。其中，零差式光学锁相环直接提取出回传激光与入射激光的相位差值，并以此为反馈信号对回传激光进行控制，最终实现回传激光与入射激光频率一致的锁相跟踪。外差式光学锁相环则将回传激光与入射激光混频信号的频率与本地振荡器的参考频率进行比较，以产生的频率偏差信号反馈控制回传激光，最终实现回传激光与入射激光频率差值恒定为本地振荡器的参考频率。目前，光学锁相技术已经在空间引力波探测这一国内外热点研究课题中得到了应用。空间引力波探测需要对多个超远距离、特定轨道的航天器进行实时的间距与位置测量， 航天器间距离通常为数百万公里。因此对测量激光的弱光锁相成为保证在如此远的探测距离下进行位移精密测量的关键技术。现有的空间引力波探测计划有空间激光干涉天线计划 (LISA)和激光天文动力学空间计划(ASTROD)。其中，空间激光干涉天线计划(LISA)由美国国家航天局(NASA)和欧洲空间局(ESA)合作进行研究，该项目需要对两颗距离远达500 万公里航天器的间距进行精密测量，其选取外差式光学锁相回路以实现弱光回传。该计划采用两支1064nm的Nd: YAG激光器作为光源，对其实现了参考频率为3 30MHz的可调外差锁相。其光强相差最大时，弱光仅为320pW而强光为2mW。该项目所选用的外差式弱光锁相回路能够消除航天器相对运动所引入多普勒频移对锁相造成的影响，但是由于其采用本地振荡器作为锁相的基准，该振荡器带来的误差会直接引入锁相结果中对锁相精度产生影响。另外，外差锁相环由于其选取频率差作为反馈信号，无法真正实现回传激光与入射激光相位差的精确锁定。激光天文动力学空间计划(ASTROD)由中国与欧洲合作执行，为避免多普勒频移对锁相带来的影响，该项目仍计划使用外差锁相方案对回传激光进行控制，但在前期实验中进行了零差锁相的相关探索。台湾清华大学的倪维斗、廖安琪等人利用两台Nd:YAG激光器作为光源，利用光阻隔器分别控制两激光器的输出光强以模拟远程入射弱光及本地回传强光。采用均衡二阶零差锁相回路，通过调节本地激光器的温度和直接由压电陶瓷驱动器调控共振腔长度两种途径对本地激光器光信号相位进行反馈控制，使本地回传激光的相位锁定于远程入射激光，形成光锁相回路。实验表明，该零差锁相环最终实现了对2nW弱光与 2!^强光的持久锁相，实现了对200 1弱光与20(^1强光池以上的锁相。但是需要注意的是，该实验中两激光器相对静止，因此并没有测试多普勒频移效应对零差锁相的影响。然而在实际的星间测距过程中，本地与远程激光器由相对运动而导致的多普勒频移难以避免， 受限于现有零差锁相环只有几十kHz的捕捉带宽，对远程入射弱光的锁相跟踪难以实现。综上所述，对外差式激光锁相环和零差式激光锁相环在超远距离星间位移测量中的应用进行对比外差式激光锁相环具有较大的捕获带宽，能够有效避免多普勒频移带来的两激光频率差变化对锁相的影响。但是由于回传激光和入射激光之间存在频率差，其并不能实现真正意义上的锁相跟踪。同时由于采用本地震荡器作为锁相的基准，其工作特性会对锁相精度产生很大影响。零差式激光锁相环能够实现两束激光的精确锁频锁相，同时其不需要本地振荡器作为锁相参考基准，但要应用于实际测量环境，首先要解决多普勒频移对其锁相的影响。
发明内容
本发明目的是为了解决超远距离星间位移测量中光束能量难以满足测量需要的问题，提供了一种基于四通道探测技术的弱光锁相星间位移测量方法及实现该方法的装置。本发明所述一种基于四通道探测技术的弱光锁相星间位移测量方法，该方法包括以下步骤步骤一、开启处于目标端的激光模块，经过预热过程后该激光模块进入稳定工作状态，利用二分之一波片和偏振分光棱镜将激光模块输出的线偏振激光分为两部分，一部分作为目标端的回传激光，将其记SLb，另一部分作为锁相激光用于反馈控制激光模块，将其记为U，锁相激光k的为竖直线偏振激光，回传激光Lb的频率与锁相激光k的频率相同， 将其分别记为vB和A ；步骤二、开启处于测量端的双纵模激光模块，经过预热及稳频控制过程后，双纵模激光模块输出激光包含偏振态相互垂直的两个纵模激光成分，调整两个纵模激光的偏振态使其分别成为水平线偏振激光Lm和竖直线偏振激光Lk，水平线偏振激光的频率为^，竖直线偏振激光的频率为νκ，且％ > νκ ；
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步骤三、利用消偏振分光棱镜将所述水平线偏振激光Lm和竖直线偏振激光Lk分为反射部分和透射部分，反射部分的水平线偏振激光Lm和竖直线偏振激光Lk进行光学混频得到外差干涉测量的参考信号，由高速光电探测器将该拍频信号转化为电信号，将其记为 Sref，其频率为两个纵模激光的频率差VM = VM-VE ；透射部分的竖直线偏振激光Lk作为参考激光与目标端的回传激光Lb进行激光合束及光学混频，透射部分的水平线偏振激光Lm被转化为圆偏振光后，作为测量激光由测量端向目标端射出；步骤四、所述测量激光到达目标端以后，先将其由圆偏振光转换为偏振方向为水平的线偏振光，再与目标端的锁相激光k进行激光合束形成合光光束，利用二分之一波片调整所述合光光束中激光Lm与k的偏振方向，使得两束激光的偏振方向都与水平方向成 45°夹角；步骤五、利用消偏振分光棱镜将所述合光光束分为反射合光光束Lf和透射合光光束！^，其中反射合光光束Lf经偏振分光棱镜形成两路相位相差180°的拍频光信号，分别由两个高速光电探测器转换为拍频电信号并送入信号调理模块，透射合光光束Lt首先经光学相位延迟器将合光光束中测量激光的相位延迟90°，然后通过偏振分光棱镜形成两路相位相差180°的拍频光信号，分别由另外两路高速光电探测器转换为拍频电信号并送入信号调理模块；步骤六、由于目标端相对测量端位移变化引入多普勒频移效应，测量激光到达目标端的频率发生变化，将其表示为ν' ,同时将反射合光光束Lf中的测量激光到达光电探测器的相位记为礼，将反射合光光束Lf中的锁相激光k到达光电探测器的相位记为％，信号调理模块将反射合光光束Lf对应的两路拍频电信号相减得到合光反射拍频信号，将其记为Sk,则当V' M = Vl 时，&=COS(i3M—外)，当V' M> Vl 时，&=cos[(V'M_Vi)i + ( >M_%]，当ν'+步骤七、信号调理模块同时将透射合光光束Lt对应的两路拍频电信号相减得到合光透射拍频信号，将其记为ST，由于光学相位延迟器的作用，透射合光光束Lt中的测量激光到达光电探测器的相位记为私"90°，透射合光光束Lt中的锁相激光k到达光电探测器的相位记为外，则当ν' M = vL 时，& =cos(<^M-%-90°)，当ν' >\时，&=003[一似-\> + 礼-%-90°]，当ν' M< vL 时，&=。03[(々-"'似> + %-礼+90°];步骤八、目标端的激光模块进入光频锁定控制阶段，首先取合光反射拍频信号、 和合光透射拍频信号&进行频率测量，测频结果记为v_s，
_] Vffleas= |v' M-vL|,当合光反射拍频信号&相位超前合光透射拍频信号时，表明ν' M>^，此时测频结果为Vmeas = v' M-vL,
得到测量激光与锁相激光U的鉴频结果为Avm_l = V' m-Vl = Vmeas，当合光反射拍频信号&相位滞后合光透射拍频信号时，表明ν' M<^，此时测频结果为Vmeas = vL-v ‘ M，得到测量激光与锁相激光U的鉴频结果为AVm-L = V' m-Vl = -Vmeas ;步骤九、将测量得到的频率值△ vM_L作为光频锁定信号输入数字控制器，根据激光模块输出的锁相激光k频率与其谐振腔长度的对应关系，通过温度控制模块调整激光模块谐振腔温度以实现对谐振腔长度的大范围调节，同时通过PZT驱动控制模块对谐振腔长度进行快速直接的调节，从而反馈控制锁相激光k的频率A使得δ VM_L趋于0，当Δ VM_L = 0 时，目标端激光模块的光频锁定阶段结束，其输出锁相激光k及回传激光Lb的频率锁定为入射的测量激光的频率，即Vb = Vl = v' M ；步骤十、目标端的激光模块在其光频锁定控制阶段结束后进入锁相跟踪控制阶段，首先取合光反射拍频信号&和合光透射拍频信号&进行反正切相位测量，得到测量激光与锁相激光k的鉴相结果为i H ；将测量得到的相位值ι作为锁相闭环控制信号输入数字控制器，通过PZT驱动控制模块对激光模块的谐振腔长度进行精细快速调节，反馈控制锁相激光k的相位外使得,趋于0，坐(PM—L = 0时，激光模块的锁相控制过程完成，其输出锁相激光k及回传激光Lb的频率锁定为入射的测量激光的相位，即％ =φ^φΜ·,步骤十一、当光学锁相跟踪系统失锁时，重复步骤九和步骤十，激光模块的锁相激光U及回传激光Lb即可对测量激光重新锁相跟踪；步骤十二、利用四分之一波片将频率和相位均锁定于测量激光的线偏振回传激光 Lb转化为圆偏振光，回传至测量端后再由四分之一波片将其转化为偏振方向水平的线偏振光，受目标端相对测量端位移变化而导致多普勒频移效应的影响，回传激光Lb到达测量端的频率发生变化，将其表示为ν' Β，则根据多普勒频移的近似公式有
,2uV'￡=yM+—;式中，U为目标端相对测量端的运动速度，λ为测量激光与回传激光Lb的平均波长，步骤十三、将回传激光Lb与参考激光Lk合光并进行混频得到外差干涉测量的测量信号，利用高速探测器将该拍频信号转化为电信号，将其记为Snreas，其频率为参考激光Lk与回传激光Lb的频率差
,2uVmeas =v B-vR=vM-vR+—；步骤十四、将外差干涉测量的参考信号和测量信号分别输入相位细分模块后进行频率相减，由此得到目标端运动而产生的多普勒频移信号，对其进行相位细分及累加计算后，由位移计算模块根据累计的相位值解算出目标端相对测量端的位移。
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实现上述一种基于四通道探测技术的弱光锁相星间位移测量方法的装置，它包括测量端和目标端，测量端包括双纵模激光模块、稳频控制模块、第一二分之一波片、第一消偏振分光棱镜、第一检偏器、第一高速光电探测器、第一偏振分光棱镜、第一四分之一波片、第四四分之一波片、第六偏振分光棱镜、第二检偏器、第六高速光电探测器、相位细分模块和位移计算模块，目标端包括第二四分之一波片、第二偏振分光棱镜、第二二分之一波片、第二消偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜、第二高速光电探测器、第三高速光电探测器、光学相位延迟器、第四偏振分光棱镜、第四高速光电探测器、第五高速光电探测器、信号调理模块、频率测量模块、正交鉴相模块、数字控制器、温度控制模块、PZT驱动控制模块、激光模块、第三二分之一波片、第五偏振分光棱镜、第三四分之一波片，稳频控制模块的输出端与双纵模激光模块的输入端相连，第一二分之一波片、第一消偏振分光棱镜、第一偏振分光棱镜、第一四分之一波片、第二四分之一波片、第二偏振分光棱镜、第二二分之一波片、第二消偏振分光棱镜、光学相位延迟器、第四偏振分光棱镜和第五高速光电探测器顺次放置在双纵模激光模块的出射光路上，第一检偏器和第一高速光电探测器顺次放置在第一消偏振分光棱镜的反射输出面之后，双纵模激光模块出射的双纵模激光经第一二分之一波片透射至第一消偏振分光棱镜，第一消偏振分光棱镜的反射光束入射至第一检偏器，经第一检偏器透射的光束入射至第一高速光电探测器，第一高速光电探测器的电信号输出端与相位细分模块的第一输入端相连，第一消偏振分光棱镜的透射光束入射至第一偏振分光棱镜，第一偏振分光棱镜的透射光束经第一四分之一波片透射后作为测量激光发射至目标端，目标端的第二四分之一波片接收测量激光，并透射至第二偏振分光棱镜，激光模块发出的线偏振激光经第三二分之一波片透射至第五偏振分光棱镜，第五偏振分光棱镜反射的竖直线偏振激光作为锁相激光k与第二偏振分光棱镜的透射光束形成合光光束，所述合光光束经第二二分之一波片透射至第二消偏振分光棱镜，经第二消偏振分光棱镜反射的合光反射光束入射至第三偏振分光棱镜，经第三偏振分光棱镜反射的反射光束入射至第二高速光电探测器，经第三偏振分光棱镜透射的透射光束入射至第三高速光电探测器，经第二消偏振分光棱镜透射的合光透射光束入射至光学相位延迟器，光学相位延迟器输出的延迟光束入射至第四偏振分光棱镜，经第四偏振分光棱镜反射的反射光束入射至第四高速光电探测器，经第四偏振分光棱镜透射的透射光束入射至第五高速光电探测器，第二高速光电探测器、第三高速光电探测器、第四高速光电探测器和第五高速光电探测器采集的信号分别输出给信号调理模块，信号调理模块的反射光束差信号输出端同时与频率测量模块的输入端和正交鉴相模块的输入端相连，信号调理模块的透射光束差信号输出端同时与频率测量模块的输入端和正交鉴相模块的输入端相连，频率测量模块的输出端与数字控制器的第一输入端相连，正交鉴相模块的输出端与数字控制器的第二输入端相连，数字控制器的控制温度信号输出端与温度控制模块的输入端相连，温度控制模块的输出端与激光模块的第一控制端相连，数字控制器的PZT驱动信号输出端与PZT驱动控制模块的输入端相连，PZT驱动控制模块的输出端与激光模块的PZT驱动信号控制端相连，第五偏振分光棱镜的透射光束经第三四分之一波片透射后作为回传激光发射回测量端，测量端的第四四分之一波片接收回传激光，并透射至第六偏振分光棱镜，透射至第六偏振分光棱镜的回传激光Lb与第一偏振分光棱镜反射的参考激光合光后，再经第二检偏器透射至第六高速光电探测器，第六高速光电探测器的电信号输出端与相位细分模块的第二输入端相连，相位细分模块的输出端与位移计算模块的输出端相连。本发明的优点(1)与现有的星间位移测量方法相比，本发明所设计的弱光锁相星间位移测量方法在将回传激光与测量激光锁相之前增加了光频锁定控制过程。由于光频锁定的捕获带宽远大于锁相跟踪的捕获带宽，因此目标端与测量端相对运动引入实时变化的多普勒频移时，回传激光仍能够通过先锁频再锁相的过程实现对测量激光的高精度锁相跟踪，同时大幅度的提高系统的抗干扰性，这是区别于现有技术的创新点之一。(2)本发明所设计的弱光锁相星间位移测量装置中使用了高精度的集成激光鉴频鉴相器，其中的激光鉴频环节在测得两束激光频率差绝对值的同时，还根据两路合光拍频信号的超前滞后关系确定了两束入射激光的频率大小关系，真正实现了对两束入射激光频率差的准确测量；激光鉴相环节则通过对四个探测通道所生成的两路正交拍频信号的反正切相位测量与信号辨向，实现了高精度的相位测量。其四个通道的平衡探测，使得激光功率波动对测量结果的影响得到了很好的抑制，这是区别于现有技术的创新点之二。
图1为本发明装置的结构示意图；图2为到达目标端的测量激光频率υ' M大于锁相激光k频率A时，合光反射拍频信号&与合光透射拍频信号&的相位关系示意图；图3为到达目标端的测量激光频率υ' M小于锁相激光k频率A时，合光反射拍频信号&与合光透射拍频信号&的相位关系示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述一种基于四通道探测技术的弱光锁相星间位移测量方法，该方法包括以下步骤步骤一、开启处于目标端的激光模块，经过预热过程后该激光模块进入稳定工作状态，利用二分之一波片和偏振分光棱镜将激光模块输出的线偏振激光分为两部分，一部分作为目标端的回传激光，将其记SLb，另一部分作为锁相激光用于反馈控制激光模块，将其记为U，锁相激光k的为竖直线偏振激光，回传激光Lb的频率与锁相激光k的频率相同， 将其分别记为vB和A ；步骤二、开启处于测量端的双纵模激光模块，经过预热及稳频控制过程后，双纵模激光模块输出激光包含偏振态相互垂直的两个纵模激光成分，调整两个纵模激光的偏振态使其分别成为水平线偏振激光Lm和竖直线偏振激光Lk，水平线偏振激光的频率为^，竖直线偏振激光的频率为νκ，且％ > νκ ；步骤三、利用消偏振分光棱镜将所述水平线偏振激光Lm和竖直线偏振激光Lk分为反射部分和透射部分，反射部分的水平线偏振激光Lm和竖直线偏振激光Lk进行光学混频得到外差干涉测量的参考信号，由高速光电探测器将该拍频信号转化为电信号，将其记为 Sref，其频率为两个纵模激光的频率差VM = VM-VE ；透射部分的竖直线偏振激光Lk作为参考激光与目标端的回传激光Lb进行激光合束及光学混频，透射部分的水平线偏振激光Lm被转化为圆偏振光后，作为测量激光由测量端向目标端射出；步骤四、所述测量激光到达目标端以后，先将其由圆偏振光转换为偏振方向为水平的线偏振光，再与目标端的锁相激光k进行激光合束形成合光光束，利用二分之一波片调整所述合光光束中激光Lm与k的偏振方向，使得两束激光的偏振方向都与水平方向成 45°夹角；步骤五、利用消偏振分光棱镜将所述合光光束分为反射合光光束Lf和透射合光光束！^，其中反射合光光束Lf经偏振分光棱镜形成两路相位相差180°的拍频光信号，分别由两个高速光电探测器转换为拍频电信号并送入信号调理模块，透射合光光束Lt首先经光学相位延迟器将合光光束中测量激光的相位延迟90°，然后通过偏振分光棱镜形成两路相位相差180°的拍频光信号，分别由另外两路高速光电探测器转换为拍频电信号并送入信号调理模块步骤六、由于目标端相对测量端位移变化引入多普勒频移效应，测量激光到达目标端的频率发生变化，将其表示为ν' ,同时将反射合光光束Lf中的测量激光到达光电探测器的相位记为礼，将反射合光光束Lf中的锁相激光k到达光电探测器的相位记为％，信号调理模块将反射合光光束Lf对应的两路拍频电信号相减得到合光反射拍频信号，将其记为Sk,则当V' M = Vl 时，&=COS(i3M—外)，当ν' M> vL 时+，当ν'+步骤七、信号调理模块同时将透射合光光束Lt对应的两路拍频电信号相减得到合光透射拍频信号，将其记为ST，由于光学相位延迟器的作用，透射合光光束Lt中的测量激光到达光电探测器的相位记为礼"90°，透射合光光束Lt中的锁相激光k到达光电探测器的相位记为外，则当ν' = \时，&=腳(<^-%-90°)，当V, >\时， =003[&:_々> + <^_%_90°]，当ν' M< vL 时，+步骤八、目标端的激光模块进入光频锁定控制阶段，首先取合光反射拍频信号、 和合光透射拍频信号&进行频率测量，测频结果记为v_s，
_] Vffleas= |v' M-vL|, 当合光反射拍频信号&相位超前合光透射拍频信号时，表明ν' M>^，此时测频结果为
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Vmeas = v' M-vL,得到测量激光与锁相激光U的鉴频结果为AVm-L = V' M-VL = Vmeas,当合光反射拍频信号&相位滞后合光透射拍频信号时，表明ν' M<\，此时测频结果为Vmeas = vL-v ‘ M，得到测量激光与锁相激光U的鉴频结果为AVm-L = V' m-Vl = -Vmeas ;步骤九、将测量得到的频率值△ vM_L作为光频锁定信号输入数字控制器，根据激光模块输出的锁相激光k频率与其谐振腔长度的对应关系，通过温度控制模块调整激光模块谐振腔温度以实现对谐振腔长度的大范围调节，同时通过PZT驱动控制模块对谐振腔长度进行快速直接的调节，从而反馈控制锁相激光k的频率A使得δ VM_L趋于0，当Δ VM_L = 0 时，目标端激光模块的光频锁定阶段结束，其输出锁相激光k及回传激光Lb的频率锁定为入射的测量激光的频率，即Vb = Vl = v' M ；步骤十、目标端的激光模块在其光频锁定控制阶段结束后进入锁相跟踪控制阶段，首先取合光反射拍频信号&和合光透射拍频信号&进行反正切相位测量，得到测量激光与锁相激光k的鉴相结果为i H ；将测量得到的相位值ι作为锁相闭环控制信号输入数字控制器，通过PZT驱动控制模块对激光模块的谐振腔长度进行精细快速调节，反馈控制锁相激光k的相位外使得,趋于0，坐cpM—L = 0时，激光模块的锁相控制过程完成，其输出锁相激光k及回传激光Lb的频率锁定为入射的测量激光的相位，即％ =φ^φΜ·,步骤十一、当光学锁相跟踪系统失锁时，重复步骤九和步骤十，激光模块的锁相激光U及回传激光Lb即可对测量激光重新锁相跟踪；步骤十二、利用四分之一波片将频率和相位均锁定于测量激光的线偏振回传激光 Lb转化为圆偏振光，回传至测量端后再由四分之一波片将其转化为偏振方向水平的线偏振光，受目标端相对测量端位移变化而导致多普勒频移效应的影响，回传激光Lb到达测量端的频率发生变化，将其表示为ν'Β，则根据多普勒频移的近似公式有
,2u
_5] ^b=Vm+-.式中，U为目标端相对测量端的运动速度，λ为测量激光与回传激光Lb的平均波长，步骤十三、将回传激光Lb与参考激光Lk合光并进行混频得到外差干涉测量的测量信号，利用高速探测器将该拍频信号转化为电信号，将其记为Snreas，其频率为参考激光Lk与回传激光Lk的频率差
,2uVmeas =v B-vR=vM-vR+—；步骤十四、将外差干涉测量的参考信号和测量信号分别输入相位细分模块后进行频率相减，由此得到目标端运动而产生的多普勒频移信号，对其进行相位细分及累加计算后，由位移计算模块根据累计的相位值解算出目标端相对测量端的位移。开始工作时，开启处于目标端的激光模块沈，经过预热过程其进入稳定工作状态。 利用第三二分之一波片27和第五偏振分光棱镜观将其输出的线偏振激光分为两部分，其中透过偏振分光棱镜的水平偏振分量作为目标端的回传激光，将其记为Lb，由偏振分光棱镜反射的竖直偏振分量作为锁相激光，将其记为b回传激光Lb与锁相激光k的频率相同， 将其分别记为vB和\。开启处于测量端的双纵模激光模块1，经过预热过程后由稳频控制模块2控制其进入频率稳定状态，其输出激光包含偏振态相互垂直的两个线偏振纵模成分。利用第一二分之一波片3将两个纵模激光的偏振方向分别调整为水平和竖直方向，将水平和竖直线偏振纵模激光分别记为Lm和Lk，其频率分别记为％和νκ，其中％ > Vr。使用第一消偏振分光棱镜4提取双纵模激光的一部分，由第一检偏器5将两个纵模激光转化为同一偏振方向并进行光学混频得到拍频信号。由第一高速光电探测器6将该拍频信号转化为电信号，将其记为，其频率为两个纵模激光的频率差Vref = vM-vK。利用第一偏振分光棱镜7将剩余双纵模激光中的两个纵模分量进行分离。其中水平偏振激光Lm透射后由第一四分之一波片8转化为圆偏振光，然后作为测量激光由测量端进行发射。竖直偏振激光Lk被直接反射后射入第六偏振分光棱镜31，将其作为参考激光Lk 与目标端的回传激光Lb进行光学合束。测量激光到达目标端以后，由第二四分之一波片9将其由圆偏振光转换为偏振方向为水平的线偏振光，利用第二偏振分光棱镜10将其与第五偏振分光棱镜观反射的锁相激光k进行光学合束。由于目标端相对测量端位移变化引入多普勒频移效应，测量激光到达目标端的频率发生变化，将其表示为V’M。此合光中包含测量激光和锁相激光k到达高速光电探测量器时的振动方程可以分别表示为
权利要求
1. 一种基于四通道探测技术的弱光锁相星间位移测量方法，对分别作为测量端和目标端的两个卫星进行相对位移测量，其特征在于，该方法包括以下步骤步骤一、开启处于目标端的激光模块，经过预热过程后该激光模块进入稳定工作状态， 利用二分之一波片和偏振分光棱镜将激光模块输出的线偏振激光分为两部分，一部分作为目标端的回传激光，将其记为Lb，另一部分作为锁相激光用于反馈控制激光模块，将其记为 Ll,锁相激光k的为竖直线偏振激光，回传激光Lb的频率与锁相激光k的频率相同，将其分别记为vB和A ；步骤二、开启处于测量端的双纵模激光模块，经过预热及稳频控制过程后，双纵模激光模块输出激光包含偏振态相互垂直的两个纵模激光成分，调整两个纵模激光的偏振态使其分别成为水平线偏振激光Lm和竖直线偏振激光LK，水平线偏振激光的频率为vM，竖直线偏振激光的频率为νκ，且νΜ>步骤三、利用消偏振分光棱镜将所述水平线偏振激光Lm和竖直线偏振激光1^分为反射部分和透射部分，反射部分的水平线偏振激光Lm和竖直线偏振激光Lk进行光学混频得到外差干涉测量的参考信号，由高速光电探测器将该拍频信号转化为电信号，将其记为，其频率为两个纵模激光的频率差vMf = vM-vE ；透射部分的竖直线偏振激光Lk作为参考激光与目标端的回传激光Lb进行激光合束及光学混频，透射部分的水平线偏振激光Lm被转化为圆偏振光后，作为测量激光由测量端向目标端射出；步骤四、所述测量激光到达目标端以后，先将其由圆偏振光转换为偏振方向为水平的线偏振光，再与目标端的锁相激光U进行激光合束形成合光光束，利用二分之一波片调整所述合光光束中激光Lm与k的偏振方向，使得两束激光的偏振方向都与水平方向成45° 夹角；步骤五、利用消偏振分光棱镜将所述合光光束分为反射合光光束Lf和透射合光光束 Lt，其中反射合光光束Lf经偏振分光棱镜形成两路相位相差180°的拍频光信号，分别由两个高速光电探测器转换为拍频电信号并送入信号调理模块，透射合光光束Lt首先经光学相位延迟器将合光光束中测量激光的相位延迟90°，然后通过偏振分光棱镜形成两路相位相差180°的拍频光信号，分别由另外两路高速光电探测器转换为拍频电信号并送入信号调理模块；步骤六、由于目标端相对测量端位移变化引入多普勒频移效应，测量激光到达目标端的频率发生变化，将其表示为ν' ,同时将反射合光光束Lf中的测量激光到达光电探测器的相位记为礼，将反射合光光束Lf中的锁相激光k到达光电探测器的相位记为％，信号调理模块将反射合光光束Lf对应的两路拍频电信号相减得到合光反射拍频信号，将其记为Sr，则当 V' M= Vl 时，&=COS(i3M—饩)，当 V' M> Vl 时, =。03[(ν'Μ-&) + <^Μ-%]，当 V' M< Vl 时, =。03[(\-ν'Μ) + %-<^Μ];步骤七、信号调理模块同时将透射合光光束Lt对应的两路拍频电信号相减得到合光透射拍频信号，将其记为ST，由于光学相位延迟器的作用，透射合光光束Lt中的测量激光到达光电探测器的相位记为私"90°，透射合光光束Lt中的锁相激光k到达光电探测器的相位记为外，则当 ν' m = VlW，4=coS(<^m-%-90°)，当 ν, M> vL 时， =cos[(V'M_Vi)i + < >M_%_90°]，当 ν' M< vL 时， =COs[(Vi-ν'Μ) + φ,-φΜ +90°]；步骤八、目标端的激光模块进入光频锁定控制阶段，首先取合光反射拍频信号&和合光透射拍频信号&进行频率测量，测频结果记为v_s，VmeasI V m ^L I，当合光反射拍频信号&相位超前合光透射拍频信号时，表明ν' M>^，此时测频结果为Vmeas 一 V M ^L'得到测量激光与锁相激光k的鉴频结果为AVM-L = V' M-VL = Vmeas'当合光反射拍频信号&相位滞后合光透射拍频信号时，表明ν' M<^，此时测频结果为Vmeas 一 ^L V M，得到测量激光与锁相激光k的鉴频结果为AVM-L = V' m"Vl = -Vmeas ；步骤九、将测量得到的频率值△ VM-L作为光频锁定信号输入数字控制器，根据激光模块输出的锁相激光k频率与其谐振腔长度的对应关系，通过温度控制模块调整激光模块谐振腔温度以实现对谐振腔长度的大范围调节，同时通过PZT驱动控制模块对谐振腔长度进行快速直接的调节，从而反馈控制锁相激光k的频率A使得Δ VM_L趋于0，当Δ = 0时， 目标端激光模块的光频锁定阶段结束，其输出锁相激光k及回传激光Lb的频率锁定为入射的测量激光的频率，即 Vb = Vl = V' M ；步骤十、目标端的激光模块在其光频锁定控制阶段结束后进入锁相跟踪控制阶段，首先取合光反射拍频信号&和合光透射拍频信号&进行反正切相位测量，得到测量激光与锁相激光k的鉴相结果为, =CPm-CPl ；将测量得到的相位值作为锁相闭环控制信号输入数字控制器，通过PZT驱动控制模块对激光模块的谐振腔长度进行精细快速调节，反馈控制锁相激光k的相位％使得趋于0，当ι =0时，激光模块的锁相控制过程完成，其输出锁相激光k及回传激光Lk的频率锁定为入射的测量激光的相位，即％ = (Pl= ψ Μ ·>步骤十一、当光学锁相跟踪系统失锁时，重复步骤九和步骤十，激光模块的锁相激光k 及回传激光Lk即可对测量激光重新锁相跟踪；步骤十二、利用四分之一波片将频率和相位均锁定于测量激光的线偏振回传激光Lb转化为圆偏振光，回传至测量端后再由四分之一波片将其转化为偏振方向水平的线偏振光， 受目标端相对测量端位移变化而导致多普勒频移效应的影响，回传激光Lb到达测量端的频率发生变化，将其表示为V B，则根据多普勒频移的近似公式有
2.实现权利要求1所述的一种基于四通道探测技术的弱光锁相星间位移测量方法的装置，其特征在于，它包括测量端和目标端，测量端包括双纵模激光模块(1)、稳频控制模块O)、第一二分之一波片(3)、第一消偏振分光棱镜(4)、第一检偏器( 、第一高速光电探测器(6)、第一偏振分光棱镜(7)、第一四分之一波片(8)、第四四分之一波片(30)、第六偏振分光棱镜(31)、第二检偏器(32)、第六高速光电探测器(33)、相位细分模块(34)和位移计算模块(35)，目标端包括第二四分之一波片(9)、第二偏振分光棱镜(10)、第二二分之一波片(11)、 第二消偏振分光棱镜(12)、第三偏振分光棱镜(13)、第二高速光电探测器(14)、第三高速光电探测器(15)、光学相位延迟器(16)、第四偏振分光棱镜(17)、第四高速光电探测器 (18)、第五高速光电探测器(19)、信号调理模块(20)、频率测量模块(21)、正交鉴相模块 (22)、数字控制器、温度控制模块04)、PZT驱动控制模块0 、激光模块06)、第三二分之一波片(27)、第五偏振分光棱镜( )、第三四分之一波片09)，稳频控制模块⑵的输出端与双纵模激光模块⑴的输入端相连，第一二分之一波片 (3)、第一消偏振分光棱镜G)、第一偏振分光棱镜(7)、第一四分之一波片(8)、第二四分之一波片(9)、第二偏振分光棱镜(10)、第二二分之一波片(11)、第二消偏振分光棱镜(12)、 光学相位延迟器(16)、第四偏振分光棱镜(17)和第五高速光电探测器(19)顺次放置在双纵模激光模块(1)的出射光路上，第一检偏器( 和第一高速光电探测器(6)顺次放置在第一消偏振分光棱镜(4)的反射输出光路上，双纵模激光模块(1)出射的双纵模激光经第一二分之一波片( 透射至第一消偏振分光棱镜，第一消偏振分光棱镜(4)的反射光束入射至第一检偏器(5)，经第一检偏器(5) 透射的光束入射至第一高速光电探测器(6)，第一高速光电探测器(6)的电信号输出端与相位细分模块(34)的第一输入端相连，第一消偏振分光棱镜的透射光束入射至第一偏振分光棱镜(7)，第一偏振分光棱镜(7)的透射光束经第一四分之一波片(8)透射后作为测量激光发射至目标端，目标端的第二四分之一波片(9)接收测量激光，并透射至第二偏振分光棱镜(10)，激光模块06)发出的线偏振激光经第三二分之一波片(XT)透射至第五偏振分光棱镜(观)， 第五偏振分光棱镜08)反射的竖直线偏振激光作为锁相激光k与第二偏振分光棱镜(10)的透射光束形成合光光束，所述合光光束经第二二分之一波片(11)透射至第二消偏振分光棱镜(12)，经第二消偏振分光棱镜(1 反射的合光反射光束入射至第三偏振分光棱镜(13)，经第三偏振分光棱镜(1 反射的反射光束入射至第二高速光电探测器(14)，经第三偏振分光棱镜(1 透射的透射光束入射至第三高速光电探测器(15)，经第二消偏振分光棱镜(1 透射的合光透射光束入射至光学相位延迟器(16)，光学相位延迟器(16)输出的延迟光束入射至第四偏振分光棱镜(17)，经第四偏振分光棱镜 (17)反射的反射光束入射至第四高速光电探测器(18)，经第四偏振分光棱镜(17)透射的透射光束入射至第五高速光电探测器(19)，第二高速光电探测器(14)、第三高速光电探测器(15)、第四高速光电探测器(18)和第五高速光电探测器(19)采集的信号分别输出给信号调理模块00)的四个信号输入端，信号调理模块OO)的反射光束差信号输出端同时与频率测量模块的输入端和正交鉴相模块0 的输入端相连，信号调理模块OO)的透射光束差信号输出端同时与频率测量模块的输入端和正交鉴相模块0 的输入端相连，频率测量模块的输出端与数字控制器的第一输入端相连，正交鉴相模块0 的输出端与数字控制器的第二输入端相连，数字控制器的控制温度信号输出端与温度控制模块04)的输入端相连，温度控制模块04)的输出端与激光模块06)的第一控制端相连，数字控制器的PZT驱动信号输出端与PZT驱动控制模块0 的输入端相连，PZT驱动控制模块0 的输出端与激光模块06)的PZT驱动信号控制端相连，第五偏振分光棱镜08)的透射光束经第三四分之一波片09)透射后作为回传激光发射回测量端，测量端的第四四分之一波片(30)接收回传激光，并透射至第六偏振分光棱镜 (31)，透射至第六偏振分光棱镜(31)的回传激光与第一偏振分光棱镜(7)反射的参考激光合光后，再经第二检偏器(3 透射至第六高速光电探测器(33)，第六高速光电探测器(33) 的电信号输出端与相位细分模块(34)的第二输入端相连，相位细分模块(34)的输出端与位移计算模块(3 的输出端相连。
3.根据权利要求2所述的一种基于四通道探测技术的弱光锁相星间位移测量方法的实现装置，其特征在于，光学相位延迟器(16)为波片相位延迟器、反射式相位延迟镜、液晶相位延迟器或电光移相器。
全文摘要
一种基于四通道探测技术的弱光锁相星间位移测量方法及实现该方法的装置，属于光学领域，本发明为解决超远距离星间位移测量中光束能量难以满足测量需要的问题。本发明测量两个卫星之间的位移，分别命名为目标端和测量端，测量端的双纵模激光模块输出激光包含偏振态相互垂直的两个纵模激光成分，调整后作为测量激光发射到目标端，并形成参考信号Sref，测量激光在目标端经过处理后，与目标端的激光模块发射的激光进行合束，形成的回传激光返回测量端，将回传激光与参考激光合光并进行混频得到外差干涉测量的测量信号Smeas，将参考信号Sref和测量信号Smeas分别输入相位细分模块后，再由位移计算模块根据累计的相位值解算出目标端相对测量端的位移。
文档编号G01S17/50GK102419441SQ20111025617
公开日2012年4月18日 申请日期2011年9月1日 优先权日2011年9月1日
发明者杨睿韬, 胡鹏程, 谭久彬 申请人:哈尔滨工业大学