一种空间长度的测量装置及测量方法与流程

本发明涉及一种长度测量技术领域，具体涉及一种空间长度测量装置及测量方法。

背景技术：

长度作为七个基本物理量之一，对其进行高精度的测量，对前沿的基础探索研究和先进技术的应用具有至关重要的意义。随着航空航天、车联网、激光雷达测距等工业技术的快速发展，对空间长度精密测量的需求也越来越迫切。所述“空间长度”是指测试介质折射率为1(如真空或空气)所测的长度，也就是激光在空气中传输的距离，不同于光在其他介质中的光程。

目前用普通窄带激光测量空间长度的方法是，激光分光、经一定空间距离l的检测光与参考光相干，ccd采样测量二者相位干涉状态，得到空间长度l。但是由于窄带激光光谱很窄，ccd采样的数据样本有限，无法得到高精度的分辨率。另外普通窄带激光光谱不平坦，ccd采样数据的误差较大，测量的准确度不高，目前最高的测量精度仅为20μm。

目前需要一种更高测量精度的空间长度测量方法。

技术实现要素：

本发明的目的是设计一种空间长度测量装置，采用超连续谱激光，经光分路器分出参考激光和检测激光，参考激光经参考光纤接入光合路器，检测激光经光环形器接入检测光发射器，发射至距离l的检测光反射器；反射回的光经环形器至光合路器，合束干涉后进入光栅色散器，色散后的各波长激光完全到达ccd阵列探测器的探测窗口，ccd波长阵列探测器的输出端经电信号线接入数据处理单元。

本发明的另一目的是设计一种空间长度测量方法，采用本发明设计的空间长度测量装置，参考激光经参考光纤接入光合路器；检测激光经光环形器、检测光发射器、检测光反射器成为接收激光也接入光合路器，在光合路器输入的两束光合束，多波长光干涉，干涉激光输出到光栅色散器，多波长光色散分束、照射到ccd的波长阵列探测器，ccd波长阵列探测器对其采样得到波长-强度信号，傅里叶变换得到空间-强度关系，实现空间长度的测量，具有测量精度高，实现原理简单的特点。

本发明设计的一种空间长度测量装置，包括超连续谱激光源、光分路器、参考光纤、光环形器、检测光发射器、检测光反射器、光合路器、光栅色散器、ccd波长阵列探测器和数据处理单元。

所述超连续谱激光源经光纤连接光分路器，光分路器的一个输出端口输出的参考激光经参考光纤接光合路器的一个输入端口，光分路器的另一个输出端口输出的检测激光经光纤接光环形器的第一端口，光环形器的第二端口经光纤连接检测光发射器，检测光发射器和检测光反射器之间为大气或真空，二者距离l；光环形器的第三端口经光纤连接光合路器的另一个输入端口，在光合路器内两路输入光合束干涉，光合路器输出的干涉激光接入光栅色散器，光栅色散器的输出端正对ccd波长阵列探测器的探测窗口，光栅色散器色散后的各波长激光完全到达ccd阵列探测器的探测窗口，ccd波长阵列探测器的输出端经电信号线接入数据处理单元。

所述超连续谱激光源产生的宽带激光光谱中心波长为1525nm～1625nm，光谱宽度为0.8nm～80nm。

所述检测光反射器为对宽带激光进行频域反射的反射器。

本发明设计的一种空间长度测量方法，使用本发明设计的空间长度测量装置。所述超连续谱激光源产生稳定连续的宽带激光接入所述光分路器，分为参考激光和检测激光。所述稳定连续的宽带激光是指光谱平坦度优于7db/nm,输出功率变化每分钟小于或等于0.5db的宽带激光。参考激光经参考光纤接入光合路器；检测激光进入光环形器的第一端口，经第二端口输出到检测光发射器，检测光发射器将检测激光定向发射形成发射激光，检测光发射器与检测光反射器之间的空间距离为l，所述检测光反射器将检测光发射器发射的发射激光反射回检测光发射器，形成反射激光。检测光发射器接收反射激光使之成为接收激光，并送入光环形器的第二端口，光环形器将第二端口输入的接收激光送到第三端口输出到光合路器。在所述光合路器内经过参考光纤的参考激光和光环形器第三端口输出的接收激光进行合束干涉，形成干涉激光输出到光栅色散器。所述光栅色散器将光合路器输出的干涉激光进行空间色散，按不同波长进行分束，形成不同波长的光分布在空间不同的位置的空间光束，该空间光束照射到ccd波长阵列探测器上，ccd波长阵列探测器对不同波长光的强度信号进行采样，得到波长-强度信号，此信号发送到数据处理单元。所述ccd波长阵列探测器的波长采样间隔为0.2pm～2pm。

经过参考光纤的参考激光的强度表示为：

环形器第三端口输出的接收激光强度表示为：

式中λi表示超连续谱激光的某个波长，也就是ccd波长阵列探测器对超连续谱激光系列采样中的某个采样波长；

n表示光纤折射率；

exp{.}表示指数函数；

lt表示由光分路器经参考光纤到达光合路器的光纤长度；

lr表示由光分路器经环形器第一端口、环形器第二端口到光发射器、再由光发射器返回环形器第二端口、环形器第三端口，到达光合路器的光纤长度；

其nlt表示经参考光纤的参考激光的光程；

(nlr+2l)表示检测激光经环形器第一端口、到达光发射器，经空间长度l到达光反射器，再经空间长度l返回光发射器，经光环形器的第二端口到第三端口以及输出到光合路器的激光光程之和；

波长-强度信号表示为：

调节参考光纤，使nlt＝nlr，则：

所述数据处理单元，将ccd波长阵列探测器传送过来的波长-强度信号进行傅里叶变换,将波长-强度之间的关系p(λi)，转变为空间-强度之间的关系k(xi)，

k(xi)＝fft{p(λi)}

＝δ(xi-0)+δ(xi-2l)

其中fft{·}表示傅里叶变换，δ(·)表示delta函数；

从上式中得到，在xi＝0处，k(x0)有一个峰值，表示检测光发射器位置；在xi＝l处，k(xl)也有一个峰值，表示检测光反射器位置，xl-x0＝l,即得到所测量的空间长度。

所述数据处理单元将ccd波长阵列探测器传送过来的波长-强度信号进行傅里叶变换,将波长－强度的关系，转变为空间－强度关系，得到检测光发射器与检测光反射器之间空间长度值。

与现有技术相比，本发明一种空间长度测量装置及测量方法具有下列优点：1、本发明提供的方案基于超连续谱激光和ccd探测进行空间长度测量，超连续谱激光器产生光谱宽度达数十纳米的相干激光光束，无需波长调谐即可实现高精度的长度测量；2、若超连续谱激光的中心波长为1550nm，光谱宽度为80nm，其测量精度分辨率可达到15μm，比现有技术的测量精度约高25％；3、采用现有的光学仪器，易于实现；适用于航空航天、车联网、激光雷达测距等对空间长度的高精度测量。

附图说明

图1为本空间长度测量装置实施例结构框图；

图2为本空间长度测量方法实施例中所得波长-强度关系曲线图；

图3为本空间长度测量方法实施例中所得空间-强度关系曲线图；

图4为本空间长度测量方法实施例中分辨率示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图，对本发明进行详细说明如后。

本空间长度测量装置实施例如图1所示，包括超连续谱激光源、光分路器、参考光纤、光环形器、检测光发射器、检测光反射器、光合路器、光栅色散器、ccd波长阵列探测器和数据处理单元。图中实线连接线表示光纤连接，虚线连接线表示大气中的光连接，点划连接线表示电信号连接。

本例超连续谱激光源产生的宽带激光光谱波长范围为1550nm±40nm。

本例超连续谱激光源经光纤连接光分路器，光分路器的一个输出端口输出的参考激光经参考光纤接光合路器的一个输入端口，光分路器的另一个输出端口输出的检测激光经光纤接光环形器的第一端口①，光环形器的第二端口②经光纤连接检测光发射器，本例检测光发射器和检测光反射器之间为大气，二者距离l；本例检测光反射器为对宽带激光进行频域反射的反射器。光环形器的第三端口③经光纤连接光栅色散器，光栅色散器的输出端正对ccd波长阵列探测器的探测窗口，二者之间也为大气，光栅色散器色散后的各波长激光完全到达ccd阵列探测器的探测窗口，ccd波长阵列探测器的输出端经电信号线接入数据处理单元。

空间长度测量方法实施例

本空间长度测量方法实施例，在上述空间长度测量装置实施例上进行。本例超连续谱激光源产生光谱平坦度小于7db/nm,输出功率变化每分钟小于0.5db的宽带激光，中心波长λ0＝1550nm，光谱宽度△λ＝80nm。

超连续谱激光源产生的宽带激光接入所述光分路器，分为参考激光和检测激光。参考激光经参考光纤接入光合路器；检测激光进入光环形器的第一端口①，经第二端口②输出到检测光发射器，检测光发射器将检测激光定向发射形成发射激光，检测光发射器与检测光反射器之间的空间距离为l，所述检测光反射器将检测光发射器发射的发射激光反射回检测光发射器，形成反射激光。检测光发射器接收反射激光使之成为接收激光，并送入光环形器的第二端口②，光环形器将第二端口②输入的接收激光送到第三端口③输出到光合路器。在所述光合路器内经过参考光纤的参考激光和光环形器第三端口输出的接收激光进行合束干涉，形成干涉激光输出到光栅色散器。所述光栅色散器将光合路器输出的干涉激光进行空间色散，按不同波长进行分束，形成不同波长的光分布在空间不同的位置的空间光束，该空间光束照射到ccd波长阵列探测器上，ccd波长阵列探测器对不同波长光的强度信号进行采样，得到波长-强度信号，此信号发送到数据处理单元。

所述数据处理单元将ccd波长阵列探测器传送过来的波长-强度信号进行傅里叶变换,将波长－强度的关系，转变为空间－强度关系，得到检测光发射器与检测光反射器之间空间长度值。

经过参考光纤的参考激光的强度表示为：

环形器第三端口③输出的接收激光强度表示为：

式中λi表示超连续谱激光的某个波长，也就是ccd波长阵列探测器对超连续谱激光系列采样中的某个采样波长；根据超连续谱激光的谱宽和波长采样间隔，决定多个离散值λi的个数，本例波长采样间隔1pm。

n表示光纤折射率；

exp{.}表示指数函数；

lt表示由光分路器经参考光纤到达光合路器的光纤长度；

lr表示由光分路器经环形器第一端口①、环形器第二端口②到光发射器、再由光发射器返回环形器第二端口②、环形器第三端口③，到达光合路器的光纤长度；

其nlt表示经参考光纤的参考激光的光程，

(nlr+2l)表示检测激光经环形器第一端口①，到达光发射器、成为发射激光，经空间长度l到达光反射器、形成反射激光，再经空间长度l返回光发射器成为接收激光，经光环形器的第二端口②到第三端口③以及输出到光合路器的激光光程之和。

本例光栅色散器将光合路器输出的干涉激光进行空间色散，将不同波长的光分布到空间不同的位置，并照射到ccd波长阵列探测器上。

本例ccd波长阵列探测器，接收光栅色散器色散的不同波长的空间光束，不同波长光的强度不同，即形成波长-强度信号，并将这一信号发送到数据处理单元。本例波长-强度关系曲线如图2所示，图2的横坐标为波长λi，单位为nm；纵坐标为ccd波长阵列探测器得到的光的强度p(λi)，单位为归一化单位(a.u)。

波长-强度信号表示为：

调节参考光纤，使nlt＝nlr＝l0，则：

即：

所述数据处理单元，将ccd波长阵列探测器传送过来的波长-强度信号进行傅里叶变换,将波长-强度之间的关系p(λi)，转变为空间-强度之间的关系k(xi)，从而实现了检测光发射器与检测光反射器之间空间长度l的测量。本例傅里叶变换后所得的空间-强度曲线如图3所示，图3的横坐标为空间位置xi，单位为m；纵坐标为傅里叶变换后的光的强度k(xi)，单位为归一化单位(a.u)。

波长-强度与空间-强度之间的变换表示为：

k(xi)＝fft{p(λi)}

＝δ(xi-0)+δ(xi-2l)

其中fft{·}表示傅里叶变换，δ(·)表示delta函数，其中xi表示空间坐标的点，i＝1,2,3，…。从上式中得到，在xi＝0处，k(x0)有一个峰值，表示检测光发射器位置；在xi＝l处，k(xl)也有一个峰值，表示检测光反射器位置，两峰值之间的距离xl-x0＝l，即得到所测量的空间长度。

如图4所示，图内纵坐标为光的强度k(xi)，单位为归一化单位(a.u)，横坐标为xi-l,单位为μm,以明确表示出空间长度测量分辨率δx。

空间长度测量分辨率为：

式中λ0表示超连续谱激光的中心波长，△λ为超连续谱激光的光谱宽度。本例超连续谱激光的中心波长为1550nm，光谱宽度为80nm，本例测量的空间长度l为0.5m，测量分辨率达到15μm，最终所测结果为0.5003507m，误差0.07％。

上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。