无导轨的绝对距离测量方法和系统与流程

本发明涉及激光测距领域，特别涉及一种无导轨的绝对距离测量方法和系统。

背景技术：

长度测量是最基本的测量，长度单位“米(m)”在国际单位制(si)中被列为七个基本单位之一。大长度或大尺寸的精确测量在高端装备制造、空间工程和计量技术等领域有着广泛的应用，在前沿科学和先进技术的基础研究方面具有重要的科学意义。

激光干涉法是长度测量中精度最高的方法，但传统的激光干涉仪通常采用增量式的位移测量方法，需要预先配备供测量镜移动的、长度至少大于被测距离的精密平直导轨，并且测量过程中条纹计数不能中断，这极大地限制了它的应用。在导轨不能铺设、导轨长距离平直度不够或者测量过程不能连续进行的场合，上述方法根本无法使用。因此，开展大长度、高精度的绝对距离测量技术研究及仪器研制，对提升我国重大精密工程、空间科学实验研究和精密计量技术的原始创新能力具有重要科学意义。

在绝对大长度测量领域，测量量程、测量精度和测量速度这三个要素是最受关注的重点。传统大长度绝对距离测量可分为飞行时间法和干涉测量法两大类。

飞行时间法通过测量脉冲发射和返回之间的时间间隔来确定测量距离，虽然测量范围大，但是由于光速极快，电子器件直接测量时间间隔的精度难以突破皮秒量级，受到探测光脉冲到达时间精度的限制，距离测量精度只能达到毫米量级。

传统的干涉测量法是基于迈克尔逊干涉仪结构的光路，通过测量参考臂和测量臂之间的光相位信息得到测量距离，测量分辨率最高可到纳米，但单纯相位分辨无法确定大于2π的整数周期因而量程受限，即使通过干涉条纹计数来得到被测距离的光波整周期倍数，也只适合于增量式的位移测量，无法实现绝对距离测量。

在飞秒光梳出现之前，传统的干涉测量方法所使用的光源是单一频率的连续激光，而飞秒光梳出现改变了这一切，因为其在时域上看是脉宽极窄(飞秒量级，一飞秒等于10^-15秒)的超短脉冲，而在频域上则对应为由多个离散谱线组成的宽光谱，相当于同时输出多个单频激光。因此飞秒光梳可以同时使用以上两种方法测距，从而兼顾绝对距离测量对量程和精度的要求，其中代表性的方法如飞秒脉冲光学平衡互相关法、合成波长法、光谱分辨干涉法。而基于两台重复频率略有差异的光梳来作为光源进行绝对距离测量方法，则是对传统的单光梳测距方法的重大革新。这种方法利用两台光梳之间的重复频率的微小差异，在时域上用其中一台光梳(本地光梳)的脉冲来异步扫描另一台光梳(信号光梳)的脉冲，得到异步采样信号并由此解算出待测距离。这种方法第一个优点是使时域测量过程“变慢”，降低了对探测器带宽要求，从而实现脉冲的时域探测，同时也扩大测量范围，测量无死角。同时，由于测量过程中两脉冲重合过程是自动实时并且周而复始的，不需要移动导轨等辅助机械设备，这是一种全新的绝对距离测量方法，有别于传统增量式的位移测量方法，并且由于测量速度取决于两脉冲重频之差，因此测量速度很快，有利于提高系统的实时性，便于实时反馈。因此，双光梳法不仅结合了普通单光梳方法兼具大量程和高精度测量的特点，而且还具有很快的测量速度，真正把长度测量的三大要素——量程、精度和速度三者完美结合在一起，并且有别于传统增量式的位移测量方法，这是一种绝对距离测量方法，不需要移动导轨等机械器件，避免由此引入的误差。但这种方法对两台光梳的相干性有着很苛刻的要求，通常做法是将两台光梳锁定到超稳腔来压窄光梳梳齿的线宽，如美国nist的coddington等人利于这种方法实现了测量了一段约1.14km长光纤的长度，测量精度达到5nm。但由于系统要实现高精度，同时需要光梳锁定和超稳激光技术，技术门槛高、操作复杂，实现极其困难。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种无导轨的绝对距离测量方法和系统，

为了解决传统的测距方法中，时间分辨率不高、需要增量式位移测量，难以获取绝对距离信息的问题，同时为了克服了传统双光梳测距方法系统复杂、操作繁琐的缺点，本发明提出一种能够输出两套重复频率有微小差别的脉冲序列作为测距光源搭建的双波长脉冲绝对测距系统，既克服了传统测距方法的弊端，实现大量程、高精度、快速实时测量。

根据本发明的一个方面，提供一种无导轨的绝对距离测量系统，包括：

激光器，用于输出光脉冲序列，其中光脉冲序列中包括具有不同的中心波长和重复频率的第一光脉冲序列和第二光脉冲序列；

第一光学处理器件，用于从激光器输出的光脉冲序列中分离出第一光脉冲序列和第二光脉冲序列，将第一光脉冲序列进行光谱扩展，以便使第一光脉冲序列和第二光脉冲序列的光谱重叠；

待测距装置，用于使光谱扩展后的第一光脉冲序列分别通过待测距装置中的目标镜和参考镜的反射，以生成目标脉冲序列和参考脉冲序列；

光学干涉装置，用于使第二光脉冲序列分别与目标脉冲序列和参考脉冲序列进行干涉，以生成目标干涉信号和参考干涉信号；

信息处理装置，用于采集目标干涉信号和参考干涉信号，并利用目标干涉信号和参考干涉信号的相位谱线之差，得到目标镜对应的目标臂和参考镜对应的参考臂之间的距离差。

在一个实施例中，上述系统还包括：

第二光学处理器件，用于将第二光脉冲序列分为第一本地脉冲序列和第二本地脉冲序列，以便光学干涉装置使用第一本地脉冲序列分别与目标脉冲序列和参考脉冲序列进行干涉。

在一个实施例中，第一本地脉冲序列的光功率小于第二本地脉冲序列的光功率。

在一个实施例中，上述系统还包括光电探测器，用于探测第二本地脉冲序列的重复频率，以作为信息处理装置的信号采集时钟信号。

在一个实施例中，信息处理装置用于在时域上采集目标干涉信号和参考干涉信号，分别对采集的目标干涉信号和参考干涉信号进行时频域变换，以分别得到目标干涉信号对应的第一相位谱线和参考干涉信号对应的第二相位谱线，通过利用第一相位谱线和第二相位谱线之差，得到目标臂和参考臂之间的距离差。

在一个实施例中，第一相位谱线和第二相位谱线之差与目标臂和参考臂之间的距离差成正比。

根据本发明的另一方面，提供一种无导轨的绝对距离测量方法，包括：

激光器输出光脉冲序列，其中光脉冲序列中包括具有不同的中心波长和重复频率的第一光脉冲序列和第二光脉冲序列；

第一光学处理器件从激光器输出的光脉冲序列中分离出第一光脉冲序列和第二光脉冲序列，将第一光脉冲序列进行光谱扩展，以便使第一光脉冲序列和第二光脉冲序列的光谱重叠；

待测距装置使光谱扩展后的第一光脉冲序列分别通过待测距装置中的目标镜和参考镜的反射，以生成目标脉冲序列和参考脉冲序列；

光学干涉装置使第二光脉冲序列分别与目标脉冲序列和参考脉冲序列进行干涉，以生成目标干涉信号和参考干涉信号；

信息处理装置采集目标干涉信号和参考干涉信号，并利用目标干涉信号和参考干涉信号的相位谱线之差，得到目标镜对应的目标臂和参考镜对应的参考臂之间的距离差。

在一个实施例中，第二光学处理器件将第二光脉冲序列分为第一本地脉冲序列和第二本地脉冲序列，以便光学干涉装置使用第一本地脉冲序列分别与目标脉冲序列和参考脉冲序列进行干涉。

在一个实施例中，第一本地脉冲序列的光功率小于第二本地脉冲序列的光功率。

在一个实施例中，光电探测器探测第二本地脉冲序列的重复频率，以作为信息处理装置的信号采集时钟信号。

在一个实施例中，信息处理装置在时域上采集目标干涉信号和参考干涉信号；

分别对采集的目标干涉信号和参考干涉信号进行时频域变换，以分别得到目标干涉信号对应的第一相位谱线和参考干涉信号对应的第二相位谱线；

通过利用第一相位谱线和第二相位谱线之差，得到目标臂和参考臂之间的距离差。

在一个实施例中，第一相位谱线和第二相位谱线之差与目标臂和参考臂之间的距离差成正比。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明无导轨的绝对距离测量系统一个实施例的示意图。

图2为本发明无导轨的绝对距离测量系统另一实施例的示意图。

图3为本发明无导轨绝对距离测量系统配置一个实施例的示意图。

图4为本发明无导轨的绝对距离测量方法一个实施例的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

图1为本发明无导轨的绝对距离测量系统一个实施例的示意图。如图1所示，该测量系统包括：

激光器1用于输出光脉冲序列，其中光脉冲序列中包括具有不同的中心波长和重复频率的第一光脉冲序列和第二光脉冲序列，第一光脉冲序列和第二光脉冲序列的重复频率有微小差别。

第一光学处理器件2用于从激光器1输出的光脉冲序列中分离出第一光脉冲序列和第二光脉冲序列，将第一光脉冲序列进行光谱扩展，以便使第一光脉冲序列和第二光脉冲序列的光谱重叠。

待测距装置3用于使光谱扩展后的第一光脉冲序列分别通过待测距装置中的目标镜和参考镜的反射，以生成目标脉冲序列和参考脉冲序列。

可选地，待测距装置3可为迈克尔逊干涉仪。其中在待测距装置3中，第一光脉冲序列分别通过待测距装置中的目标镜和参考镜的反射，以生成通过目标臂的目标脉冲序列和通过参考臂的参考脉冲序列。

由于迈克尔逊干涉仪是本领域技术人员所了解的，因此这里不展开描述。

光学干涉装置4用于使第二光脉冲序列分别与目标脉冲序列和参考脉冲序列进行干涉，以生成目标干涉信号和参考干涉信号。

信息处理装置5用于采集目标干涉信号和参考干涉信号，并利用目标干涉信号和参考干涉信号的相位谱线之差，得到目标镜对应的目标臂和参考镜对应的参考臂之间的距离差。

基于本发明上述实施例提供的无导轨的绝对距离测量系统，通过利用能够输出两套重复频率有微小差别的脉冲序列作为测距光源搭建的双波长脉冲绝对测距系统，既克服了传统测距方法的弊端，实现大量程、高精度、快速实时测量。

可选地，信息处理装置5在时域上采集目标干涉信号和参考干涉信号，分别对采集的目标干涉信号和参考干涉信号进行时频域变换，以分别得到目标干涉信号对应的第一相位谱线和参考干涉信号对应的第二相位谱线，通过利用第一相位谱线和第二相位谱线之差，得到目标臂和参考臂之间的距离差。

其中，第一相位谱线和第二相位谱线之差与目标臂和参考臂之间的距离差成正比。

图2为本发明无导轨的绝对距离测量系统一个实施例的示意图。与图1所示实施例相比，在图2中，该测量系统还进一步包括：

第二光学处理器件6用于将第二光脉冲序列分为第一本地脉冲序列和第二本地脉冲序列，以便光学干涉装置4使用第一本地脉冲序列分别与目标脉冲序列和参考脉冲序列进行干涉。

可选地，第一本地脉冲序列的光功率小于第二本地脉冲序列的光功率。例如，第一本地脉冲序列与第二本地脉冲序列的光功率之比为3：7。

此外，在图2所示实施例中，还包括光电探测器7，用于探测第二本地脉冲序列的重复频率，以作为信息处理装置5的信号采集时钟信号。

下面通过一个具体示例对本发明进行说明。

如图3所示，激光器301为双波长锁模激光器，它能产生两路有微小重频差的锁模光脉冲序列。在光谱仪上看这两路脉冲序列，分别隶属于两个相邻的光谱峰值，其中心波长分别为1533nm和1542nm(实际的波长值可随着锁模状态不同会有所区别)，正是由于不同光波长对腔内折射率的差异，最终导致了这两个中心波长不同的脉冲序列其各自对应重频的差异。在利用这个光源进行测量之前，通过cwdm波分复用器302将这两个脉冲序列分离开来。这里选取其中一路脉冲序列(这里定为1542nm)作为第一光脉冲序列，另一路脉冲序列(1533nm)作为实施异步采样的第二光脉冲序列。通过掺铒光纤放大器edfa303将第一光脉冲序列放大和光谱展宽后，使其光谱能够覆盖到1533nm波段，再通过一3db宽度约0.8nm的窄带滤波器304，只保留第一光脉冲序列在1533nm附近的光谱。

其次，将这个放大滤波后的光脉冲序列，通过光纤准直器(fc)305转化为空间光，进入到一个迈克尔逊干涉仪结构的空间光路。这样，经过偏振分光棱镜pbs306和干涉仪参考镜307之间的光路(参考臂)，以及偏振分光棱镜pbs306和目标镜308之间的光路(目标臂)，参考镜307和目标镜308分别反射回参考脉冲和目标脉冲。这两个脉冲序列在干涉仪的尾端合束在一起，通过准直器(fc)耦合进光纤，进入一根2×2的光纤耦合器309其中一个输入端，同时通过光纤耦合器311将第二光脉冲序列分出一部分功率(30％)接入该耦合器309的另一个输入端，而耦合器309的输出端则接入平衡探测器(bpd)310。将第二光脉冲序列剩下的功率(70％)，用光电探测器(pd)312探测，可以得到其重频fr1，经过滤波器(lpf)313和电学放大器(amp)314后，作为高速ad采集卡315的外时钟信号。

随后，干涉图分析模块316将采集得到的两路干涉信号，在时域上截取并分离开，分别计算对其做傅里叶变换，求出各自对应的相位谱。将两个相位谱上各自对应傅里叶频率上的相位值相减，得到反映两路信号相位差的相位谱图，并通过该相位谱图计算待测距离。

相关理论分析和算法如下：

如图3所示，cwdm波分复用器302分离出来的1542nm脉冲序列(信号脉冲)和1533nm脉冲序列(本地脉冲)，其电场表达式可分别表示为：

这其中，eref(t)和etar(t)分别代表1542nm脉冲序列(信号脉冲)经过迈克尔逊干涉仪参考臂和测量臂返回的脉冲序列，fr和f01分别为其重复频率和系统频移，τ代表测量臂和参考臂之间的延时。而elo(t)代表1533nm脉冲序列(本地脉冲)，fr+δfr和f02分别为其重复频率和系统频移。因此，当公式(1)和(2)所涉及的信号分别与公式(3)所涉及的电场相干涉时，在光电探测器上得到参考臂干涉信号和测量臂干涉信号可以分别表示为：

iref＝(eref+elo)(eref+elo)^*(4)

itar＝(etar+elo)(etar+elo)^*(5)

将公式(1)、(2)和(3)代入公式(4)、(5)，由于采取了平衡探测的方法，公式(4)、(5)中展开的直流平方分项将被消除，只剩下相关分项erefelo或者etarelo。并且通过低通滤波滤除高频成分，只保留零到0.5fr的频率成分。因此，最后通过数据采集卡(ad)采样得到的参考臂干涉信号和测量臂干涉信号的电场可表示为：

其中，i的取值范围为0到n/2，n通常被称为转换因子，其值等于(fr+δfr)/δfr。

通常情况下，m和n并不相等，所以i和m或者n并不相等。但如果fr、δfr、f01和f02是确定的话，公式(7)中的i和m存在唯一对应关系。根据公式(6)和(7)，得到测量臂和参考臂对应谱线的相位差表达式：

式中l代表测量臂和参考臂之间的距离差，也即待测距离。c为真空光速，ng为空气折射率修正值。公式(8)即为第三步最终得到的测量臂干涉信号和参考臂干涉信号的相位差谱图。根据该公式(8)，很容易得知该相位差谱图为一线性曲线：其中φ(0)为曲线在纵轴的截距，根据公式(8)，也即序数i为零时，光频mfr+f01经过待测距离所历经的光相位变化，如前所述如果fr、δfr、f01和f02是确定的，则光频mfr+f01是唯一确定的，b为该曲线的斜率。具体求解待测距离的方法如下：

第一步采用飞行时间法求解待测距离粗测值。通过斜率b计算待测距离粗测值，根据公式(8)，求解斜率

则被测距离粗测值为：

在长度测量领域，我们一般把测量系统的最大量程，称为模糊范围。由公式(9)可知飞行时间法测距的模糊范围为

以重频fr＝58mhz为例，模糊范围约为2.6m，即该法所能测量的最大量程。

第二步利用干涉法来求解距离精测值。根据激光干涉法测距的原理，待测距离精测值可表示为：

λ0为光频mfr+f01对应的波长值，大数k由上一步粗测值ltof决定，其必要条件是ltof的不确定度至少优于λ0/2。公式(10)中值是小于2π整周期倍数的部分，即φ(0)除以2π所得余数。由公式(10)可知该干涉法模糊范围为λ02，达到光波长量级的分辨力。

第三步利用游标原理扩展最大量程。综上所述即使采用飞行时间法，其最大量程也仅到m量级，无法应对更长距离的测量。可通过游标原理来扩展量程，具体方法是，先通过原系统测量得到距离l1，然后交换两脉冲序列的角色(即1533nm脉冲序列作为信号脉冲，1542nm脉冲序列作为本地脉冲)，重新测量得到距离l2。则两次测量结果可以表示为：

d＝mr1+l1＝mr2+l2(11)

其中d为待测距离，r_1和r_2分别为两次测量中飞行时间法的模糊范围，即:

为确保式(11)中等式左右两边的m相同，需要满足条件:

d＜r1r2/(r1+r2)

r1、r2、l1、l2已知，根据式(11)解出m，即可以得到d。以fr≈58mhz、δfr≈800hz为例，最大量程可达187km！

图4为本发明无导轨的绝对距离测量方法一个实施例的示意图。其中：

步骤401，激光器输出光脉冲序列，其中光脉冲序列中包括具有不同的中心波长和重复频率的第一光脉冲序列和第二光脉冲序列。

步骤402，第一光学处理器件从激光器输出的光脉冲序列中分离出第一光脉冲序列和第二光脉冲序列，将第一光脉冲序列进行光谱扩展，以便使第一光脉冲序列和第二光脉冲序列的光谱重叠。

步骤403，待测距装置使光谱扩展后的第一光脉冲序列分别通过待测距装置中的目标镜和参考镜的反射，以生成目标脉冲序列和参考脉冲序列。

步骤404，光学干涉装置使第二光脉冲序列分别与目标脉冲序列和参考脉冲序列进行干涉，以生成目标干涉信号和参考干涉信号。

可选地，第二光学处理器件将第二光脉冲序列分为第一本地脉冲序列和第二本地脉冲序列。光学干涉装置使用第一本地脉冲序列分别与目标脉冲序列和参考脉冲序列进行干涉，以生成目标干涉信号和参考干涉信号

其中，第一本地脉冲序列的光功率小于第二本地脉冲序列的光功率。

步骤405，信息处理装置采集目标干涉信号和参考干涉信号，并利用目标干涉信号和参考干涉信号的相位谱线之差，得到目标镜对应的目标臂和参考镜对应的参考臂之间的距离差。

可选地，光电探测器探测第二本地脉冲序列的重复频率，以作为信息处理装置的信号采集时钟信号。

可选地，信息处理装置在时域上采集目标干涉信号和参考干涉信号，分别对采集的目标干涉信号和参考干涉信号进行时频域变换，以分别得到目标干涉信号对应的第一相位谱线和参考干涉信号对应的第二相位谱线；通过利用第一相位谱线和第二相位谱线之差，得到目标臂和参考臂之间的距离差。

其中，第一相位谱线和第二相位谱线之差与目标臂和参考臂之间的距离差成正比。

基于本发明上述实施例提供的无导轨的绝对距离测量方法，通过利用能够输出两套重复频率有微小差别的脉冲序列作为测距光源搭建的双波长脉冲绝对测距系统，既克服了传统测距方法的弊端，实现大量程、高精度、快速实时测量。

通过实施本发明，采用能同时输出两个重复频率有微小差别的脉冲序列的双波长锁模脉冲激光器替代传统双光梳方案作为无导轨的绝对测距光源，极大地简化了测距系统的复杂程度，使双光梳这种无导轨的绝对测距方法真正有可能应用在实际测量场合。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。