基于飞秒光频梳的正弦相位调制干涉绝对测距装置与方法与流程

本发明属于激光干涉绝对距离测量技术领域，具体涉及到一种基于飞秒光频梳的正弦相位调制干涉绝对测距装置与方法。

背景技术：

随着我国先进制造业水平的不断提高，大型精密机床的测量、大型飞机轮船的装配、汽轮机和水轮机主轴长度的测量、卫星编队飞行中卫星位置监测等应用迫切需求大范围、高精度的绝对距离测量技术。飞行时间法和基于合成波长的干涉法是实现绝对距离测量的两大类方法。飞行时间法受时间测量精度的限制，距离测量精度只能达到毫米量级。基于合成波长的干涉法中合成波长可用多台不同波长的激光器通过多波长干涉法(mwi)构建，但光源结构复杂、灵活性差；也可用一台可调谐激光器通过频率扫描干涉法(fsi)得到，然而目前常用的可调谐激光器的频率扫描范围将合成波长限制在毫米级，从而限制了距离测量精度；将fsi与mwi相结合，fsi作为粗测，mwi作为精测，构建一系列从大到小的合成波长，可实现大范围、高精度的绝对距离测量。fsi与mwi相结合进行绝对距离测量的关键问题是：频率扫描范围和各波长值的标定、频率扫描或波长调节过程中目标漂移的补偿以及相位的精确解调。

传统的频率扫描范围和各波长值的标定方法大多采用fp干涉仪或分子吸收线法，采用fp干涉仪频率标定精度较低，而分子吸收线只有某些固定频率可用，使用不灵活。飞秒光频梳的出现是激光光源技术的一次重大飞跃，建立了光学频率和微波频率之间的桥梁，飞秒光频梳的频率稳定性可达10^-12，且频谱成分丰富，频带宽度可达几十thz，各频率成分以重复频率为间隔均匀分布。fsi中的频率扫描范围和mwi中各激光的波长通过飞秒光频梳标定，不但能大大提高激光波长的稳定性，还可将距离测量直接溯源至时间频率基准。频率扫描和波长调节过程中目标的漂移引起的干涉条纹变化会被误认为合成波长干涉条纹，乘以放大因子a＝合成波长/激光波长，产生测量误差，故频率扫描和波长调节过程中目标漂移的补偿至关重要。fsi和mwi中的相位解调方法可分为外差探测法和零差探测法两大类，外差探测中工作光源为一对具有微小频差的正交线偏振光，一般通过声光调制器移频再经过偏振分光镜合光得到，光路结构较复杂，且光源的非理想正交和偏振分光镜引起的偏振泄露会引入非线性解调误差。零差探测法可分为有源零差法、无源零差法和相位生成载波(pgc)零差法。有源零差法采用光路方法实现正交偏置，为了减小信号衰落带来的影响，需要在干涉仪中加入移相器进行反馈控制，使得干涉仪工作在正交工作点处，该方法动态范围小，且工作环境带来的初相漂移影响其低频解调特性；无源零差法采用电路方法实现正交偏置，其代表是3×3耦合器法，无需在干涉仪中加入移相器，但干涉仪的随机相位衰落导致输出信号信噪比随机涨落，甚至信号完全消隐。pgc零差法是在干涉信号中引入一个解调信号带宽外的高频周期性信号，克服了有源零差法中动态范围小，闭环容易产生振荡现象等不足，同时克服了无源零差解调中环境带来的信号衰落问题，具有动态范围大、灵敏度高、线性度好、测相精度高等优点。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于飞秒光频梳的正弦相位调制干涉绝对测距装置与方法，光路结构简单、测量范围大、精度高，可用于大型装备制造、精密计量等领域。

本发明构建了一个测量干涉仪和一个补偿干涉仪，通过在两干涉仪的公共参考臂上放置相位调制器引入高频相位载波，根据pgc解调原理进行实时相位解调。测量干涉仪首先进行频率扫描，根据fsi测距原理，在频率扫描过程中对干涉条纹计数，实现粗测，再调节激光器的波长，测量预先选取的多个波长对应的小数条纹，根据mwi级间过渡理论，实现精测，其中频率扫描的起点和终点，以及多波长中每个波长的值都由飞秒光频梳标定；补偿干涉仪与测量干涉仪完全共光路，激光波长也锁定至飞秒光频梳上，在频率扫描和波长调制过程中实时监测待测光程的变化，补偿测量过程中待测光程变化引起的干涉条纹计数误差，在10m距离内实现亚微米级的绝对距离测量精度。

本发明解决其技术问题所采用的具体技术方案是：

一.一种基于飞秒光频梳的正弦相位调制干涉绝对测距装置：

装置包括光源系统、正弦相位调制干涉系统和信号处理系统；光源系统输出端连接到正弦相位调制干涉系统的输入端，正弦相位调制干涉系统输出干涉光束到信号处理系统。

所述的光源系统包括飞秒光频梳、第一激光器、第二激光器、反射镜和第一分色镜；第一激光器与第二激光器均锁定至飞秒光频梳上，第二激光器输出端发出波长为λb的激光经反射镜反射后与第一激光器输出波长为λa的激光一起在第一分色镜处合光，第一分色镜合束光输出作为所述的光源系统的输出光。

所述光源系统中，可调波长λb为测量干涉仪的光源，通过频率扫描和波长调节，构建从大到小的合成波长，固定波长λa为补偿干涉仪的光源，用于测量过程中相位变化的监测和补偿。

所述的正弦相位调制干涉系统包括分光镜、参考角锥棱镜、相位调制器、测量角锥棱镜、信号发生器和高压放大器；光源系统输出光射向分光镜发生透射和反射，分光镜的透射光经参考角锥棱镜反射到电光相位调制器，经电光相位调制器调制后输出返回入射到分光镜；分光镜的反射光射向测量角锥棱镜，经测量角锥棱镜反射后与电光相位调制器输出光回到分光镜处合光输出，形成干涉信号；电光相位调制器经高压放大器与信号发生器的输出端连接。

所述的信号处理系统包括第二分色镜、第一滤光片、第一光电探测器、第二滤光片、第二光电探测器、数据采集模块和计算机；正弦相位调制干涉系统的干涉信号入射到第二分色镜发生透射和反射，第二分色镜的透射光经第一滤光片后被第一光电探测器探测接收，第二分色镜的反射光经第二滤光片后被第二光电探测器探测接收。

还包括数据采集模块和计算机，所述的信号发生器具有两个输出端，信号发生器一个输出端经高压放大器电光相位调制器连接，信号发生器另一个输出端连接到数据采集模块的输入端，第一光电探测器和第二光电探测器连接到数据采集模块的输入端，数据采集模块的输出端连接到计算机；分光镜和参考角锥棱镜之间以及分光镜和测量角锥棱镜之间设有用于检测温度、湿度、压强、二氧化碳等环境参数值的环境参数测量模块，环境参数测量模块连接到计算机。

测量角锥棱镜与被测物体固定连接一起。

所述的光源系统中，第一激光器的输出波长λa固定，第二激光器的输出波长λb是变化的，且λa和λb分别属于可见光和近红外光光谱波段。所述的光源系统和信号处理系统中，第一分色镜和第二分色镜均对第一激光器输出波长λa的光束进行透射，对第二激光器输出波长为λb的光束进行反射。

所述的信号处理系统中通过数据采集模块同时采集信号发生器输出信号以及第一光电探测器和第二光电探测器的信号，然后传输至计算机进行信号处理，根据pgc解调原理对测量干涉仪和补偿干涉仪对应的干涉信号进行实时相位解调，得到待测绝对距离的值。

所述的信号处理系统中，第一滤光片对第一激光器输出波长λa的光束有透射作用，阻止第二激光器输出波长为λb的光束通过；第二滤光片对第二激光器输出波长为λb的光束有透射作用，阻止第一激光器输出波长λa的光束通过。

所述的正弦相位调制干涉系统中，环境参数测量模块与计算机通信，采集到的环境参数值通过空气折射率标准计算公式实时计算获得空气折射率。

二、一种基于飞秒光频梳的正弦相位调制干涉绝对测距方法：

在测量角锥棱镜沿光轴移动过程中，方法步骤如下：

1)t0时刻，采用所述测距装置，将第一激光器和第二激光器分别锁定至飞秒光频梳上，通过飞秒光频梳锁定第一激光器和第二激光器输出激光的频率分别为νa和νb0；

记录t0时刻第一激光器和第二激光器输出频率为νa、νb0的两路激光各自对应的干涉条纹小数εa0、εb0，0≤εa0,εb0<1；并且由环境参数测量模块采集到的环境参数值，由环境参数值转换计算获得t0时刻第一激光器和第二激光器输出频率为νa和νb0的两路激光各自对应的空气折射率na0、nb0；

2)t0时刻后，解除飞秒光频梳对第二激光器的频率锁定，对第二激光器的pzt调制输入端施加一个扫描电压，使第二激光器的输出频率进行正向扫描，正向扫描具体是频率逐渐连续增加；

t1时刻，将第二激光器重新锁定至飞秒光频梳，锁定后第二激光器输出激光的频率为νb1，νb1>νb0，记录t0至t1时刻第二激光器输出激光对应的干涉条纹整数变化δm10、t1时刻第二激光器输出激光对应的干涉条纹小数εb1(0≤εb1<1)、t0至t1时刻第一激光器输出激光对应的干涉条纹变化量δna1以及t1时刻由环境参数测量模块采集到的环境参数值，由环境参数值转换计算获得t1时刻第一激光器和第二激光器输出频率为νa和νb1的两路激光各自对应的空气折射率na1和nb1；

然后采用以下两个公式联立进行求解获得绝对距离粗测值l1和t0至t1时刻待测绝对距离的漂移量为δl1：

其中，λs1为第二激光器频率正向扫描所构建的首级合成波长，λs1＝c/(nb1νb1-nb0νb0)；

3)t1时刻后，再次解除飞秒光频梳对第二激光器的频率锁定，通过控制第二激光器内部的直流电机使第二激光器的频率发生增加跳变；

t2时刻，将第二激光器重新锁定至飞秒光频梳，锁定后第二激光器输出激光的频率为νb2，νb2>νb1，记录t2时刻第二激光器输出激光对应的干涉条纹小数εb2、t0至t2时刻第一激光器输出激光对应的干涉条纹变化量δna2以及t2时刻由环境参数测量模块采集到的环境参数值，由环境参数值转换计算获得t2时刻第一激光器和第二激光器输出频率为νa和νb2的两路激光各自对应的空气折射率na2和nb2，0≤εb2<1；

然后采用以下公式求解获得t0至t2时刻待测绝对距离的漂移量为δl2：

4)采用以下公式计算获得t0至t2时刻待测绝对距离漂移引起的第二激光器输出激光的干涉条纹变化量δnb20：

再采用以下公式根据干涉条纹变化量δnb20对干涉条纹小数εb2进行修正：

其中，frac()表示求取小数部分，εb′2表示修正后的干涉条纹小数εb2；

5)t0至t2时刻第二激光器输出激光的频率从νb0跳变至νb2对应的二级合成波长为λs2，采用以下公式计算二级合成波长λs2对应的干涉条纹小数εs2：

其中，εs2表示二级合成波长λs2对应的干涉条纹小数；

再采用以下公式计算二级合成波长λs2对应的干涉条纹整数ms2：

其中，ms2表示二级合成波长λs2对应的干涉条纹整数，floor()表示向下取整。

最后采用以下公式计算获得待测绝对距离的精测值l2：

其中，λs2表示t0至t2时刻第二激光器输出激光的频率从νb0跳变至νb2对应的二级合成波长，λs2＝c/(nb2νb2-nb0νb0)。

第一激光器和第二激光器输出激光对应的干涉条纹小数、干涉条纹变化量分别通过第一光电探测器和第二光电探测器探测到的光信号转换计算获得。

本发明具有的有益效果是：

(1)本发明将fsi与mwi相结合进行绝对距离测量，通过飞秒光频梳标定频率扫描的起点和终点以及多波长中各个波长的值，并通过补偿干涉仪实时监测和补偿测量过程中由于环境参数改变或目标漂移引起的待测光程变化，在10m测量范围，实现了亚微米级的测距不确定度，并将距离测量直接溯源至时间频率基准。

(2)采用基于电光相位调制的正弦相位调制干涉结构，利用pgc解调原理实现fsi和mwi过程中相位的实时解调，光路结构简单、相位解调灵敏度高、线性度好、测相精度高。

(3)采用两个不同波段的两激光分别做测量干涉仪和补偿干涉仪的光源，通过分色片合光和分光，光路中没有采用偏振器件，避免了偏振光非正交、偏振泄漏等偏振误差引起的一阶非线性误差。

附图说明

图1是本发明装置的原理图。

图2是绝对测距中激光频率及干涉条纹变化情况示意图。

图中：1、飞秒光频梳，2、第一激光器，3、第二激光器，4、反射镜，5、第一分色镜，6、分光镜，7、参考角锥棱镜，8、相位调制器，9、信号发生器，10、高压放大器，11、测量角锥棱镜，12、环境参数测量模块，13、第二分色镜，14、第一滤光片，15、第一光电探测器，16、第二滤光片，17、第二光电探测器，18、数据采集模块，19、计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明加以详细说明。

如图1所示，本发明具体实施包括光源系统i、正弦相位调制干涉系统ii和信号处理系统iii；光源系统i输出端连接到正弦相位调制干涉系统ii的输入端，正弦相位调制干涉系统ii输出干涉光束到信号处理系统iii；光源系统i输出包含两束波长不同的激光光束射向正弦相位调制干涉系统ii，正弦相位调制干涉系统ii中形成干涉光束并被信号处理系统iii处理，进行pgc相位解调，根据频率扫描干涉fsi和多波长干涉mwi测量原理得到待测距离的测量结果。

如图1所示，光源系统i包括飞秒光频梳1、第一激光器2、第二激光器3、反射镜4和第一分色镜5；输出波长为λa的第一激光器2与输出波长为λb的第二激光器3均锁定至飞秒光频梳1上，第二激光器3输出端发出波长为λb的激光经反射镜4反射后与第一激光器2输出波长为λa的激光一起在第一分色镜5处合光，第一分色镜5合束光输出作为所述的光源系统i的输出光。

如图1所示，正弦相位调制干涉系统ii包括分光镜6、参考角锥棱镜7、相位调制器8、测量角锥棱镜11、信号发生器9和高压放大器10；光源系统i输出光射向分光镜6发生透射和反射，分光镜6的透射光经参考角锥棱镜7反射到电光相位调制器8，经电光相位调制器8调制后输出返回入射到分光镜6；分光镜6的反射光射向测量角锥棱镜11，经测量角锥棱镜11反射后与电光相位调制器8输出光回到分光镜6处合光输出，电光相位调制器8输出光到分光镜6发生反射，测量角锥棱镜11反射光到分光镜6发生透射，形成干涉信号；电光相位调制器8经高压放大器10与信号发生器9的输出端连接。

如图1所示，信号处理系统iii包括第二分色镜13、第一滤光片14、第一光电探测器15、第二滤光片16、第二光电探测器17、数据采集模块18和计算机19；正弦相位调制干涉系统ii的干涉信号入射到第二分色镜13发生透射和反射，波长为λa的光被第二分色镜13透射，第二分色镜13的透射光经第一滤光片14后被第一光电探测器15探测接收，波长为λb的光被第二分色镜13反射，第二分色镜13的反射光经第二滤光片16后被第二光电探测器17探测接收。

具体实施还包括数据采集模块18和计算机19，所述的信号发生器9具有两个输出端，信号发生器9一个输出端经高压放大器10电光相位调制器8连接，信号发生器9另一个输出端连接到数据采集模块18的输入端，第一光电探测器15和第二光电探测器17连接到数据采集模块18的输入端，数据采集模块18的输出端连接到计算机19；分光镜6和参考角锥棱镜7之间以及分光镜6和测量角锥棱镜11之间设有用于检测温度、湿度、压强、二氧化碳等环境参数值的环境参数测量模块12，温度、湿度、压强、二氧化碳等环境参数值由环境参数测量模块12实时监测，环境参数测量模块12连接到计算机19。

信号发生器9产生高频正弦信号一分为二从两个输出端输出，一路经高压放大器10放大后施加于电光相位调制器8，另一路输入至数据采集模块18用于信号解调。

信号处理系统iii中通过数据采集模块18同时采集信号发生器9输出信号以及第一光电探测器15和第二光电探测器17的信号，然后传输至计算机19进行信号处理，根据pgc解调原理对测量干涉仪和补偿干涉仪对应的干涉信号进行实时相位解调，得到待测绝对距离的值。

具体实施中，飞秒光频梳1采用德国menlosystem公司的fc1500-250-wg，包括hmp633模块和shg780模块，第一激光器2采用美国newfocus公司的tlb6700型可调谐半导体激光器，输出固定波长λa为633nm，第二激光器3采用另一台美国newfocus公司的tlb6700型可调谐半导体激光器，输出波长λb的范围为765-781nm，环境参数测量模块12为美国fluke公司的1586a高精度多通道环境参数测量仪，数据采集模块18为凌华科技有限公司的pci-9812型四通道数据采集卡，计算机19采用惠普公司的pro4500台式机。

本发明基于飞秒光频梳的正弦相位调制干涉绝对测距的具体实施过程如下：

1)t0时刻，将第一激光器2和第二激光器3分别锁定至飞秒光频梳1上，通过飞秒光频梳1锁定第一激光器2和第二激光器3输出激光的频率分别为νa和νb0；

通过计算机19记录t0时刻第一激光器2和第二激光器3输出频率为νa、νb0的两路激光各自对应的干涉条纹小数εa0、εb0，0≤εa0,εb0<1；并且由环境参数测量模块12采集到的环境参数值(温度、湿度、压强、co2含量)，由环境参数值转换计算获得t0时刻第一激光器2和第二激光器3输出频率为νa和νb0的两路激光各自对应的空气折射率na0、nb0；

同时采用以下公式求解计算可获得两路激光对应的干涉条纹整数ma0，mb0：

其中，c为真空光速，l表示t0时刻的待测绝对距离。

2)t0时刻后，解除飞秒光频梳1对第二激光器3的频率锁定，对第二激光器3的pzt调制输入端施加一个扫描电压，使第二激光器3的输出频率进行正向扫描，正向扫描具体是频率逐渐连续增加；

t1时刻，将第二激光器3重新锁定至飞秒光频梳1，锁定后第二激光器3输出激光的频率为νb1，νb1>νb0，由于第一激光器2一直被飞秒光频梳1锁定，第一激光器2输出激光的频率为νa，通过计算机19记录t0至t1时刻第二激光器3输出激光对应的干涉条纹整数变化δm10、t1时刻第二激光器3输出激光对应的干涉条纹小数εb10≤εb1<1、t0至t1时刻第一激光器2输出激光对应的干涉条纹变化量δna1以及t1时刻由环境参数测量模块12采集到的环境参数值，由环境参数值转换计算获得t1时刻第一激光器2和第二激光器3输出频率为νa和νb1的两路激光各自对应的空气折射率na1和nb1；

然后采用以下两个公式联立进行求解获得fsi测距法对应的绝对距离粗测值l1和t0至t1时刻待测绝对距离的漂移量为δl1：

其中，λs1为第二激光器3频率正向扫描所构建的首级合成波长，λs1＝c/(nb1νb1-nb0νb0)；

3)t1时刻后，再次解除飞秒光频梳1对第二激光器3的频率锁定，通过控制第二激光器3内部的直流电机使第二激光器3的频率发生增加跳变；

t2时刻，将第二激光器3重新锁定至飞秒光频梳1，锁定后第二激光器3输出激光的频率为νb2，νb2>νb1，通过计算机19记录t2时刻第二激光器3输出激光对应的干涉条纹小数εb2、t0至t2时刻第一激光器2输出激光对应的干涉条纹变化量δna2以及t2时刻由环境参数测量模块12采集到的环境参数值，由环境参数值转换计算获得t2时刻第一激光器2和第二激光器3输出频率为νa和νb2的两路激光各自对应的空气折射率na2和nb2，0≤εb2<1；

然后采用以下公式求解获得t0至t2时刻待测绝对距离的漂移量为δl2：

具体实施中，na2-na0为一极小量。

实施例的上述三个步骤过程中，绝对距离测量中第二激光器3频率变化情况，以及第一激光器2和第二激光器3对应的干涉条纹变化情况如图2所示。

4)采用以下公式计算获得t0至t2时刻待测绝对距离漂移引起的第二激光器3输出激光的干涉条纹变化量δnb20：

再采用以下公式根据干涉条纹变化量δnb20对干涉条纹小数εb2进行修正：

其中，frac()表示求取小数部分，εb′2表示修正后的干涉条纹小数εb2；

5)t0至t2时刻第二激光器3输出激光的频率从νb0跳变至νb2对应的二级合成波长为λs2，第二激光器3输出激光的频率在预先选择时满足多波长干涉的级间过渡条件u(l1)<λs2/4，u(l1)为频率扫描干涉对应的绝对距离测量不确定度，采用以下公式计算二级合成波长λs2对应的干涉条纹小数εs2：

其中，εs2表示二级合成波长λs2对应的干涉条纹小数；

再采用以下公式计算二级合成波长λs2对应的干涉条纹整数ms2：

其中，ms2表示二级合成波长λs2对应的干涉条纹整数，floor()表示向下取整；

最后采用以下公式的mwi测距法计算获得待测绝对距离的精测值l2：

其中，λs2表示t0至t2时刻第二激光器3输出激光的频率从νb0跳变至νb2对应的二级合成波长，λs2＝c/(nb2νb2-nb0νb0)。

无论是fsi粗测，还是mwi精测，测量距离都可表示为如下的形式

其中，为真空中的合成波长，n为空气折射率，m和ε分别为合成波长对应的干涉条纹整数和小数，测距不确定度为：

其中，λ为测量干涉仪对应的激光波长，波长值在780nm附近。

本发明实施例中，测量距离为10m，空气折射率的测量不确定度为u(n)/n＝5×10^-8，激光锁定至飞秒光频梳波长不确定度可达u(λ)/λ＝5×10^-12，小数条纹测量不确定度u(ε)＝1×10^-2。fsi粗测对应的频率扫描范围为85ghz，对应的首级合成波长为λs1＝3.53mm，代入至公式(11)得fsi粗测对应的测量不确定度为u(l1)＝5.3μm。选择二级合成波长大小为λs2＝60μm(由波长差为10nm两激光波长构建)，满足u(l1)<λs2/4的级间过渡条件。由公式(11)可知，激光波长不确定度对总的测距不确定度的影响可以忽略不计，绝对距离的综合测量不确定度可表示为：

由实施例可见，本发明将fsi与mwi相结合进行大范围的绝对距离测量，实现了10m测量范围内，亚微米级的测量不确定度。通过飞秒光频梳标定fsi中频率扫描的起点和终点以及mwi中每个波长的值，不仅将距离测量直接溯源至时间频率基准，还将绝对距离测量中由激光波长不确定度引起的测量不确定度降低至可以忽略的程度。

构建基于eom正弦相位调制的测量干涉仪和补偿干涉仪，利用pgc解调原理实现fsi和mwi过程中的实时相位解调，并通过补偿干涉仪实时监测和补偿由于环境参数改变和目标漂移引起的相位改变，光路结构简单、测量范围大、精度高，具有其突出显著的技术效果。