基于电光调制三光梳的大尺寸快速高精度距离测量方法与流程

技术领域：

本发明涉及距离测量方法，尤其涉及一种基于电光调制三光梳的大尺寸快速高精度距离测量方法。

背景技术：
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大尺寸距离的精密测量对于科研和工业领域具有至关重要的作用。例如，新一代智能武器依赖于目标的跟踪瞄准，百米至千米范围的高精度距离测量是智能武器实现目标跟踪瞄准的前提。基于卫星编队飞行的合成孔径空间探测器需要保持和控制星群的编队构成，实现星群间的相对导航。而星群间的相对导航需要通过空间通信网络实现实时、高精度距离测量和精确时钟同步。一般而言，子卫星间距为千米量级，距离测量精度要保持在微米甚至亚微米测量精度。

在光学频率梳技术快速发展的背景下，基于双光学频率梳的距离测量干涉法以更新速率快、测量精度高的优点受到了人们的广泛关注。该方法中，使用两个具有微小重复频率差的光学频率梳作为光源，利用两个光学频率梳之间的异步光学采样过程，将携带有距离信息的脉冲相位放大，经过脉冲相位精确探测和相位反演算法后，得出待测距离值。然而，这种测量方法的非模糊距离与光学频率梳的重复频率成反比，重复频率越高，非模糊距离就越小。例如，采用100mhz的光学频率梳，非模糊距离为1.5m；而采用重复频率为10ghz的光学频率梳，非模糊距离仅为15mm。因而，为得到待测距离准确值，实际操作中必须使用一个测量精度优于非模糊距离一半如7.5mm的测距仪对待测距离进行粗测和预估。因此测距装置的非模糊距离直接影响着测距系统的复杂性。另一方面，测距系统的更新速率与双光学频率梳的重复频率差成正比。一般来讲，光学频率梳的重复频率越高，重复频率差越大，测距系统的更新速率越快。一味地追求长的非模糊距离而降低光学频率梳的重频会导致系统更新速率过低，无法满足实时测量的需求。因此，发明一种具有长非模糊距离、快更新速率的测距方法有着迫切的需求和应用价值。

为了解决上述难点，本发明提出了一种基于电光调制三光梳的大尺寸距离精密测量方法。该方法可以弥补双光梳测距方法中无法同时得到大非模糊距离和高更新速率的缺陷，并且具有与双光梳测距方法相同的测量精度。该方法更适用于百米至千米范围的大尺寸高精度距离测量，更新速率达到mhz量级，可应用于智能武器、卫星编队飞行等领域。

技术实现要素：
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本发明提出了一种基于电光调制三光梳的大尺寸快速高精度距离测量方法。该电光调制三光梳可分解成两个双光梳测距装置，通过两个双光梳之间非模糊距离的叠加计算，实现三光梳测距方法的非模糊距离扩展。这种方法具有非模糊距离长，更新速率高，测量精度高的优点，解决了大尺寸距离测量中距离预判精度要求高的难题，更适用于千米级距离测量。

本发明是通过如下技术方案实施的：一种基于电光调制三光梳的大尺寸快速高精度距离测量方法，包括电光调制三光梳光源部分及大尺寸快速高精度距离测量部分；所述电光调制三光梳部分包括连续波激光器、电光调制器及信号发生器，所述电光调制器对连续波激光器进行调制，可以产生电光调制光学频率梳，所述电光调制光学频率梳的重复频率等于所述电光调制器的驱动频率，所述电光调制器的驱动频率为用于驱动电光调制器的信号发生器的输出频率，所述电光调制三光梳具有微小的重复频率差；

所述大尺寸快速高精度距离测量部分由参考镜、目标镜、光合束器、光电探测器和数据处理模块组成；所述参考镜和目标镜之间的相对位置提供了待测距离信息，所述光合束器完成三光梳之间的异步采样过程，所述光电探测器和所述数据处理模块完成距离信号的探测和计算，最终得出待测距离信息。

优化地：所述电光调制三光梳部分包括连续波激光器、第一电光调制器、第二电光调制器、第一信号发生器及第二信号发生器；所述第一电光调制器同时与第一信号发生器连接形成电光调制双信号光梳，所述第二电光调制器与第二信号发生器连接形成电光调制本振光梳。

优化地：所述电光调制三光梳的产生过程如下：①设置第一信号发生器输出信号的频率在两个值之间发生周期性切换，周期性切换的频率为f。从而，加载在电光调制器上的信号的频率在两个频率值之间发生周期性切换；从而，连续波激光器经过电光调制器后产生光学频率梳的重复频率呈现周期性变化，分别记为frep1和frep2；其中，frep1为第一信号发生器在前半周期输出信号的频率，frep2为第一信号发生器在后半周期输出信号的频率；

②经过光纤分束器分束后，光纤延迟线对分束后的一路光信号延迟二分之一矩形波周期；

③再经过光纤合束器后，重复频率周期变化的单光学频率梳变为具有微小重复频率差的电光调制双光梳，作为双信号光梳；

④除此之外，再设置一个电光调制单光梳，作为本振光梳，记电光调制单本振光梳的重复频率为frep3；所述电光调制双信号光梳和电光调制单本振光梳的重复频率各不相同，即frep1≠frep2≠frep3。

优化地：所述第一信号发生器、第二信号发生器及第三信号发生器溯源至同一铷原子钟，可以提高所述电光调制双信号光梳和电光调制单本振光梳的稳定性。

优化地：所述电光调制三光梳均来源于同一个连续波激光器。

优化地：所述电光调制双信号光梳经过分束后分成参考光和测量光，参考光和测量光的光强可根据需要调节；参考光经参考镜反射后与所述电光调制单本振光梳经空间光分束器合束；测量光经目标镜反射后与所述电光调制单本振光合束；调节参考光和测量光的偏振态，使其与电光调制单本振光梳的偏振态一致，发生干涉；干涉信号经光电探测器探测后进行数据处理；数据处理模块完成参考镜和目标镜间相对距离的解算。

优化地：所述电光调制双信号光梳中重复频率分别为frep1和frep2的两个光学频率梳均经过了参考镜和目标镜反射，因此所述电光调制双信号光学频率梳均包含了参考镜和目标镜之间的距离信息；所述电光调制双信号光学频率梳与所述电光调制单本振光梳合束后，二者之间干涉信号的相位反应了参考镜和测量镜之间的距离，通过对相位信息的反算，可以得出参考镜和测量镜之间的距离。

优化地：所述重复频率为frep1的信号光学频率梳与所述电光调制单本振光梳之间可以构成一套双光学频率梳距离测量系统；参考镜与目标镜之间的距离表示为式中，n为整数，c为光速，n为所述重复频率为frep1的信号光学频率梳的不同频率成分组合形成的合成波长的阶数，为n阶合成波长下参考光与测量光的相位差；为所述重复频率为frep1的信号光学频率梳与所述电光调制单本振光梳测距所能达到的测量非模糊距离值，ng为空气折射率。

优化地：所述重复频率为frep2的信号光学频率梳与所述电光调制单本振光梳之间可以构成第二套双光梳距离测量系统；参考镜与目标镜之间的距离可以表示为式中，n为整数，c为光速，m为所述重复频率为frep2的信号光学频率梳的不同频率成分组合形成的合成波长的阶数，为m阶合成波长下参考光与测量光的相位差；为所述重复频率为frep2的信号光学频率梳与所述电光调制单本振光梳测距所能达到的测量非模糊距离值；ng为空气折射率。

优化地：所述电光调制双信号光梳具有不同的重复频率frep1和frep2，因此所述电光调制双信号光梳与所述电光调制单本振光梳测距时，具有不同的非模糊距离lnar1和lnar2；所述测距系统的非模糊距离可扩展至

本发明和现有技术相比所具有的优点有以下几点：

1、使用一个电光调制器实现双信号光梳的产生，简化光源结构，降低整体实验设备的成本。

2、所述电光调制双信号光梳和电光调制单本振光梳来源于同一光源，从而，所述电光调制双信号光梳和电光调制单本振光梳具有更高的相干性，同时，系统结构也更加简单。

3、所述电光调制双信号光梳和电光调制单本振光梳具有极高的稳定性。

4、所述铷原子钟可以替换为氢原子钟，进一步提高所述电光调制双信号光梳和电光调制单本振光梳的稳定性。

5、简化测距空间光路，提高测距系统的可集成性。

附图说明

图1为本发明实施流程图；

图2为本发明具体实施方式中基于电光调制三光梳的大尺寸快速高精度距离测量装置。

其中：1-连续波激光器；2-第一光纤分束器；3-第一电光调制器；4-第二电光调制器；5-铷原子钟；6-第一信号发生器；7-第二信号发生器；8-第二光纤分束器；9-光纤延迟线；10-光纤合束器；11-第一准直器；12-第一半波片；13-参考镜；14-第一四分之一波片；15-第二四分之一波片；16-目标镜；17-第一偏振分束器；18-第二准直器；19-第二半波片；20-空间光分束器；21-反射镜；22-第二偏振分束器；23-第一光电探测器；24-第二光电探测器；25-数据处理模块；26-第三半波片。

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

本发明提出了一种基于电光调制三光梳的大尺寸快速高精度距离测量方法。其实施方法见图1和图2。待测的距离信息加载在电光调制信号光梳1和电光调制信号光梳2上。电光调制本振光梳与电光调制信号光梳1和2合束后进入干涉光路。最后，经过数据处理，得到待测距离的真实值。

下面结合本发明的具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明提出的基于电光调制三光梳的大尺寸快速高精度距离测量方法，包括电光调制三光梳光源部分和大尺寸快速高精度距离测量部分。电光调制三光梳部分由电光调制双信号光梳和电光调制单本振光梳组成。其中，电光调制双信号光梳包括：连续波激光器1、第一光纤分束器2、第一电光调制器3、铷原子钟5、第一信号发生器6、第二光纤分束器8、光纤延迟线9、光纤合束器10。电光调制单本振光梳包括：第二电光调制器4、第二信号发生器7。大尺寸快速高精度距离测量部分包括：第一准直器11、第一半波片12、参考镜13、第一四分之一波片14、第二四分之一波片15、目标镜16、第一偏振分束器17、第二准直镜18、第二半波片19、空间光分束器20、反射镜21、第二偏振分束器22、第一光电探测器23、第二光电探测器24、数据处理模块25和第三半波片26。

所述电光调制双信号光梳的产生过程如下：对连续波激光器输出信号进行电光调制后，产生重复频率为电光调制频率的光学频率梳。因此，设置第一信号发生器输出信号的频率发生周期性切换，使加载在第一电光调制器3上的信号的频率发生周期性切换。从而，连续波激光器1经过第一电光调制器3后输出光学频率梳的重复频率呈现周期性变化，分别记为frep1和frep2。其中，frep1为第一信号发生器6在前半周期输出信号的频率，frep2为第一信号发生器6在后半周期输出信号的频率。经过第二光纤分束器8分束后，光纤延迟线9对分束后的一路光信号延迟二分之一矩形波周期。再经过光纤合束器10后，重复频率周期变化的单光学频率梳变为电光调制双信号光梳。

所述电光调制单本振光梳的产生过程为：用第二电光调制器4对连续波激光器输出光信号进行调制，输出电光调制单本振光梳。其中，第二电光调制器4的调制信号为第二信号发生器7输出信号。记电光调制单本振光梳的重复频率为frep3，也即第二信号发生器7输出信号的频率。

具体地，所述电光调制双信号光梳和电光调制单本振光梳的重复频率各不相同，存在微小差别，即frep1≠frep2≠frep3。且所述电光调制双信号光梳和电光调制单本振光梳的重复频率之差远远小于重复频率。

具体地，所述第一电光调制器3和第二电光调制器4可以通过电光相位调制器和电光强度调制器组成，也可以通过电光相位调制器和马赫-曾德调制器组合而成。具体实施方式可以根据实际需求进行具体设置，例如系统功耗、所需光梳光谱范围和平坦度等参数。

优选地，使用第一光纤分束器2对连续波激光器1输出信号分束，分束后的信号分别用于第一电光调制器3和第二电光调制器4，产生所述电光调制双信号光梳和电光调制单本振光梳。设置第一光纤分束器2使所述电光调制双信号光梳和电光调制单本振光梳来源于同一光源，从而，所述电光调制双信号光梳和电光调制单本振光梳具有更高的相干性，同时，系统结构也更加简单。

优选地，设置第一信号发生器6和第二信号发生器7溯源至同一铷原子钟5，可以提高所述电光调制双信号光梳和电光调制单本振光梳的稳定性。

优选地，所述铷原子钟可以替换为氢原子钟，进一步提高所述电光调制双信号光梳和电光调制单本振光梳的稳定性。

大尺寸快速高精度距离测量部分：所述电光调制双信号光梳经过第一半波片12和偏振分束器17后，分成参考光和测量光。所述第一半波片12用于调节参考光和测量光的分光比。具体地，可以设置测量光的光功率较参考光强，应用于非合作目标距离测量等领域。其中，参考光经参考镜13反射后与所述电光调制单本振光梳经空间光分束器20合束；测量光经目标镜16反射后与所述电光调制单本振光经空间光分束器20合束。第一四分之一波片14和第二四分之一波片15用于调节参考光和测量光的偏振态，使经过参考镜13和目标镜16反射的参考光和目标光能够完全通过第一偏振分束器17。合束后的信号经过第二偏振分束器22分束后分别进入两个光电探测器。第三半波片26用于调节参考光和测量光与电光调制本振光梳发生干涉时的偏振态。最后，数据处理模块25完成参考镜13和目标镜16相对距离的解算。

具体地，所述电光调制双信号光梳中重复频率分别为frep1和frep2的两个光学频率梳在分束后均经过了参考镜和目标镜反射。因此所述电光调制双信号光学频率梳均包含了参考镜和目标镜之间的距离信息。所述电光调制双信号光学频率梳与所述电光调制单本振光梳合束后，二者之间干涉信号的相位反应了参考镜和测量镜之间的距离，通过对相位信息的反算，可以得出参考镜和测量镜之间的距离。

具体地，所述重复频率为frep1的信号光学频率梳与所述电光调制单本振光梳之间可以构成一套双光学频率梳距离测量系统。参考镜16与目标镜19之间的距离表示为式中，n为整数，c为光速，n为所述重复频率为frep1的信号光学频率梳的不同频率成分组合形成的合成波长的阶数，为n阶合成波长下参考光与测量光的相位差。为所述重复频率为frep1的信号光学频率梳与所述电光调制单本振光梳测距所能达到的测量非模糊距离值。ng为空气折射率。

具体地，所述重复频率为frep2的信号光学频率梳与所述电光调制单本振光梳之间可以构成第二套双光梳距离测量系统。参考镜与目标镜之间的距离可以表示为式中，m为整数，c为光速，m为所述重复频率为frep2的信号光学频率梳的不同频率成分组合形成的合成波长的阶数，为m阶合成波长下参考光与测量光的相位差。为所述重复频率为frep2的信号光学频率梳与所述电光调制单本振光梳测距所能达到的测量非模糊距离值。ng为空气折射率。

进一步地，由于所述电光调制双信号光梳具有不同的重复频率frep1和frep2，因此所述电光调制双信号光梳与所述电光调制单本振光梳测距时，具有不同的非模糊距离和lnar2。最终，所述测距系统的非模糊距离可扩展至

具体地，所述测距系统的距离更新速率由所述电光调制双信号光梳与所述电光调制单本振光梳之间的重复频率差决定。

具体地，所述电光调制双信号光梳和所述电光调制单本振光梳的重复频率可根据实际情况具体设置。例如，可设置frep1＝10ghz，frep2＝10.001ghz，frep3＝10.0003ghz。非模糊距离为距离更新速率最高可达到mhz量级。测量精度可达微米甚至亚微米量级。由此可见，经过非模糊距离扩展后，所述测距系统可适用于大尺寸、高精度快速距离测量等应用中。

进一步地，第一偏振分束器20可以替换为光纤器件，简化测距空间光路，提高测距系统的可集成性。

以上所述的具体实施内容，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。