一种基于偏振调制的绝对距离测量装置的制作方法

[0001]
本发明涉及光学测量，尤其涉及一种基于偏振调制的绝对距离测量装置。


背景技术：

[0002]
大尺度空间绝对距离测量是卫星编队飞行、行星空间定位、深空探测成像及高端制造领域不可或缺的关键技术。传统的绝对测距技术主要包括脉冲飞行时间法(tof)、相位测距法、调频连续波测距法(fmcw)以及多波长干涉法等。
[0003]
脉冲飞行时间测距技术是直接测定脉冲往返时间，乘以脉冲信号在空气中的传播速度即可得到测量原点到反射中心的距离。由于激光脉冲能量集中，因此能够进行非合作目标测量，并且实现超远距离测量，比如测量月球或卫星与地球的距离，大多数手持式激光测距仪都是采用脉冲飞行时间法进行测距。但其受限于时间分辨，测距精度较低，难以应用到大尺寸高精度装配、基线校准标定等领域。
[0004]
相位测距法是通过测量信号在待测距离上所产生的相位差来测算距离的。其测距精度受到调制频率以及鉴相精度的影响，同时存在模糊距离。
[0005]
fmcw调频连续波激光测距法，其测量原理是将包含距离信息的回波信号与本振信号进行拍频，通过解调拍频信号，即可推算出目标的距离信息。fmcw调频连续波激光测距技术无需靶标或者标记点，能够快速测量漫反射体的表面信息，而且测量精度能达到微米量级。然而，受制于连续波光源稳定性的影响，激光频率不能线性地进行变化，导致回波信号与本振信号的拍频不稳定、分辨力下降，从而无法正确解算出距离。
[0006]
多波长干涉法是以光学频率梳作为频率基准，将用于测量的两个激光器分别进行偏频锁定，由锁定在不同梳齿的测量光生成不同的合成波长，从而实现绝对距离测量。该方法可以实现um量级的绝对测距精度，但由于需要多个波长，需要使用多个激光光源，对于光源的波长稳定性要求极高，需要配置多个稳频装置，这会导致整个系统变得非常复杂，系统的可靠性和精度难以保证。
[0007]
瑞士kern提出的基于菲索齿轮测距方法本质上也是一种相位测距方法，用电光晶体代替齿轮作为调制器，优选调制光的偏振而非相位，将出射波和回波的相位差信息转化为光强信息，进而寻找到调制频率的波长间距的等距最小值，利用相邻两个最小值点对应频率，即可解算出最终的绝对距离信息。该测距方法具有较高的测量精度，而后被瑞士leica公司引入到激光跟踪仪中，解决了早期激光跟踪仪断光续接的问题。但是这种方法对空间光路中光线的准直有极高的要求，不同的光束发散角会对电光调制器产生不同的附加偏振，对测量精度影响较大。同时在远距离测量时，该方法容易受到剧烈环境引起的光束偏移或抖动而导致接收光强剧烈变化，从而导致测距重复性严重下降，进而降低测量精度。
[0008]
基于此测距原理，中科院光电所和天津大学的课题组提出了基于全光纤的绝对距离测量装置，减少了光束抖动，但测距精度较低且由于光纤的温变特性，导致测距值存在较大漂移，同时没有补偿由于外部光学元件(逆反射器等)的附加偏振变化而引起的测距零点频率的漂移，因而测距稳定性较低且抗干扰能力较差。
[0009]
现有技术的缺点如下：
[0010]
1、脉冲飞行时间测距和相位法测距的测距精度较低，难以到达十微米量级。
[0011]
2、调频连续波测距和多波长干涉测距系统结构复杂，成本较高，系统可靠性和稳定性较差，测距精度难以保持。
[0012]
3、leica菲索齿轮测距容易受到附加偏振和环境剧烈变化导致光束抖动的干扰，导致系统稳定性较低。
[0013]
4、中科院和天津大学的全光纤式偏振测距方式存在测距重复性相对较低、测距精度较差以及时漂温漂大等缺点。


技术实现要素：

[0014]
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种基于偏振调制的绝对距离测量装置。
[0015]
本发明提供了一种基于偏振调制的绝对距离测量装置，包括准直光源、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一光电探测器、第二光电探测器、信号处理单元、电光调制器、光纤耦合装置、保偏光纤开关、参考光路和测量光路，其中，所述准直光源输出的准直光束，经第一偏振分束器一分为二，一路输出至所述第一光电探测器，用于监测光源输出功率，并由所述第一光电探测器反馈到所述准直光源进行功率控制，另一路输出至第二偏振分束器，经所述电光调制器进入所述光纤耦合装置，再输出至所述保偏光纤开关，由所述保偏光纤开关控制光束在所述参考光路和所述测量光路之间切换，所述参考光路返回的参考光先后经所述保偏光纤开关、光纤耦合装置、电光调制器、第二偏振分束器输出至所述第二光电探测器，经过所述第二光电探测器检波放大后输出至所述信号处理单元，由所述信号处理单元测算出参考光距离值；所述测量光路返回的测量光先后经所述保偏光纤开关、光纤耦合装置、电光调制器、第二偏振分束器输出至所述第二光电探测器，经过所述第二光电探测器检波放大后输出至所述信号处理单元，由所述信号处理单元测算出测量光距离值，再将测量光距离值和参考光距离值进行差分，得到绝对距离。
[0016]
作为本发明的进一步改进，所述参考光路包括参考光保偏光纤准直器、参考光1/4波片和参考光逆反射镜，所述保偏光纤开关输出的参考光先后经所述参考光保偏光纤准直器、参考光1/4波片，射入所述参考光逆反射镜，由参考光逆反射镜反射回所述参考光1/4波片，再通过所述参考光保偏光纤准直器输出至所述保偏光纤开关，最后由第二偏振分束器反射进入第二光电探测器，并由所述信号处理单元测算得到参考光距离值。
[0017]
作为本发明的进一步改进，所述参考光1/4波片的光轴与所述电光调制器的光轴呈45
°
布置。
[0018]
作为本发明的进一步改进，测量光路包括测量光保偏光纤准直器、测量光1/4波片、测量光扩束准直器和测量光逆反射镜13，所述保偏光纤开关输出的测量光先后经所述测量光保偏光纤准直器、测量光1/4波片后，由所述测量光扩束准直器进行扩束准直后进入自由空间测量通道，再由远处的所述量光逆反射镜13反射回所述测量光扩束准直器，再先后经过测量光1/4波片、测量光保偏光纤准直器后，输出至所述保偏光纤开关，最后由第二偏振分束器反射进入第二光电探测器，并由所述信号处理单元测算得到测量光距离值。
[0019]
作为本发明的进一步改进，所述测量光1/4波片的光轴与所述电光调制器的光轴
呈45
°
布置。
[0020]
作为本发明的进一步改进，所述电光调制器的光轴与所述第二偏振分束器呈45
°
布置。
[0021]
作为本发明的进一步改进，所述电光调制器连接有射频信号源，所述射频信号源对所述电光调制器进行变频调制，所述射频信号源与所述信号处理单元连接。
[0022]
作为本发明的进一步改进，所述准直光源为激光二极管或者超辐射发光二极管。
[0023]
作为本发明的进一步改进，所述准直光源优选为宽带光源。
[0024]
作为本发明的进一步改进，所述准直光源输出的光的中心波长介于可见光至近红外光之间。
[0025]
作为本发明的进一步改进，所述电光调制器是偏振调制型。
[0026]
作为本发明的进一步改进，所述光纤耦合装置将所述电光调制器输出的空间光束高效耦合进入保偏光纤，所述电光调制器的光轴与所述保偏光纤对准。
[0027]
作为本发明的进一步改进，所述保偏光纤开关为机械光纤开关或者磁光光纤开关或者电光光纤开关。
[0028]
本发明的有益效果是：
[0029]
1、解决了远距离光束偏移抖动带来的测距重复性差的问题，保证测距的稳定性和可靠性。
[0030]
2、解决了由于电学元件或光学元件时变或温变引起的漂移误差。
[0031]
3、解决了空间光路附加偏振引起的零点频率漂移。
附图说明
[0032]
图1是本发明一种基于偏振调制的绝对距离测量装置的示意图。
[0033]
图2是采用全空间光传输的绝对测距实施方式图，其中的(a)为光学结构图，(b)为空间光绝对测距接收光强短时波动图，(c)为空间光绝对测距接收光斑几何中心抖动图。
[0034]
图3是采用光纤耦合输出的绝对测距实施方式图，其中的(a)为光学结构图，(b)为光纤耦合绝对测距接收光强短时波动，(c)为光纤耦合绝对测距接收光斑几何中心抖动。
[0035]
图4是绝对距离测量装置在不同测量距离的扫频曲线图，其中的(a)为15米处，(b)为28米处，(c)为63米处。
[0036]
图5是绝对距离测量装置在不同测量距离的测距重复性数据图，其中的(a)为15米处，(b)为28米处，(c)为63米处。
[0037]
图6是绝对距离测量装置与大长度标准干涉仪比对实施方式图。
[0038]
图7是绝对距离测量装置与大长度标准干涉仪比对误差和回程误差图。
具体实施方式
[0039]
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。
[0040]
如图1至图7所示,一种基于偏振调制的绝对距离测量装置，包括准直光源1，用于输出准直光束，优选为宽带光源；偏振分束器2，反射光束进入光电探测器4，用于监测光源输出功率，并反馈到准直光源1进行功率控制；偏振分束器3，将返回的测量光反射到光电探测器5，经过检波放大后由信号处理单元14处理测算得到最终的距离值。绝对距离测距装置
还包括电光调制器6(又称为电光调制晶体)，其光轴与偏振分束器3呈45
°
布置，通过射频信号源7进行变频调制；光纤耦合装置8，将调制光耦合进入光纤；保偏光纤开关9，用于实现参考光通道和测量光通道的切换功能。绝对距离测量装置还包括参考光路和测量光路，参考光路包括保偏光纤准直器101和1/4波片102以及逆反射镜103，测量光路包括保偏光纤准直器101和1/4波片102、扩束准直器103以及逆反射镜104。
[0041]
图1示出了本发明提供的一种基于偏振调制的高精度绝对距离测量装置的整体结构：准直光源1发出准直测量光束，该光束依次经过偏振分束器2和偏振分束器3、电光调制器6，随后由光纤耦合装置8耦合进入保偏光纤开关9，并由保偏光纤开关实9现参考光路和测量光路的切换。进入参考光路后，光束从保偏光纤准直器101出射，经过1/4波片102后由逆反射器103反射，反射光按原路返回后在偏振分束器3处反射进入光电探测器5，可以检测得到参考光路的返回光强度，由电光调制器6变频调制，可以得到光强与频率之间的关系，信号处理单元14快速计算得到光强最小值对应频率，最终计算得到绝对距离值lr。同理，光束由保偏光纤准直器201射出，经过1/4波片202，并由扩束准直器203(用于压缩光束发散角)进行扩束准直后进入自由空间测量通道，经由远处的逆反射镜204反射后原路返回，最终由光电探测器5接收测量光信号，并由信号处理单元14测算出测量距离lm。参考光路被设置在绝对距离测量装置内部，用于监控仪器内部由于环境变化造成电学元件或光学元件的变化而引起的距离值变化，测量光路用于测量外部空间待测距离，通过测量光路距离值与参考光路距离值差分处理即可很大程度补偿系统内部电学元件或光学元件时变或温变引起的绝对距离误差，从而得到更加稳定且准确的绝对测量距离。
[0042]
所述准直光源1可以是激光二极管或者超辐射发光二极管，优选为超辐射发光二极管。优选超辐射发光二极管是因为不需要采用激光二极管时必需的光隔离器，可以降低成本和简化光路，另外，由于超辐射发光二极管是宽带光源，当其带宽满足一定条件时，可以对外界光路的附加偏振微扰实现补偿，防止或者减小零点频率漂移，进而提高测量精度和稳定性。
[0043]
在光路系统中存在多种可能导致偏振干扰的器件，如电光调制器晶体的热致相位差变化会导致出射光和返回光的偏振微扰；而大气湍流直接引起光束偏振微扰或者引起光束抖动，导致光束入射在逆反射器的位置变化，从而导致光束偏振态的微扰。这些偏振干扰在实际中如果是一个固定值δ，
[0044]
那么对于采用窄带或者单波长准直光源的接收光强的计算公式如下：
[0045][0046]
其中为距离相关的相位变化，f为调制频率，l为测量距离，n为空气折射率。当时，光强具有极小值，此时对应的频率f即为零点频率。从上式可以看出，固定的附加偏振δ，只影响光强的幅值，而不会影响零点频率。而当附加偏振不是固定值而是随时变化的时候，对零点处光强进行求导，
[0047][0048]
很明显，当附加偏振是实时变化(变化δδ)时，的值不为0，时的光强不再是极小值，零点频率存在漂移，漂移方向与附加偏振变化δδ大小相关。这一现象尤其在远距离传输时或者电光调制器内部温度变化时对距离测量影响特别明显，距离测量的重复性严重下降。
[0049]
而采用宽带光源的时候，对上式进行带宽内不同波长的累加后发现，当带宽满足一定条件时能够使得当附加偏振是缓慢变化时，零点处光强导数因此可以保证测距稳定性和抗干扰能力，同时能够大大提高系统精度。
[0050]
所述准直光源1的中心波长可选为可见光至近红外，可选可见光波长的超辐射光源(比如650nm)，其同时可以作为指示功能，可去除采用近红外光源必备的指示光源的附接合束装置，有利于光路简化和结构优化。
[0051]
所述电光调制器6是偏振调制型的，通过改变调制频率实现对输出光和返回光进行偏振态调制，其正反向电光响应相近，使得更好的进行双向补偿，保证扫频曲线的稳定性。射频激励可以采用方波或正弦波或三角波形式。
[0052]
所述保偏光纤耦合组件将经过电光晶体调制后的空间光束耦合进入保偏光纤，电光调制器光轴与保偏光纤严格对准，最大化保证偏振稳定性。图2中的(a)示出了采用全空间光传输的绝对测距实施方式，由于光束传输稳定性会受到光源本身输出指向稳定性和功率稳定性的影响，尤其半导体光源容易受到环境温度的影响，同时光源的结构工件同样会受到环境温度影响而产生微形变导致光束指向发生漂移，这些都会导致光束输出的长时或短时的指向漂移或功率抖动。而对光束传输影响更大的还是空间中的环境干扰或空气中固体颗粒的折射，这会导致光束在传输一定距离后发生无规律的指向抖动，在经过逆反射镜204反射后回到光电探测器5上时就会表现出明显的功率抖动，图2中的(b)示出了空间光传输1米后的回光光强短时抖动表现。另外，图2中的(c)示出了用感光元件cmos或ccd或psd对传输1米的回光光斑几何中心进行位置检测，可以发现光斑几何中心的抖动非常明显，且抖动幅度较大。此外，采用空间光传输还有一个明显的缺点，光束经过光学系统20扩束准直后在空间中传输，由于其有限的瑞利长度，光束具有一定发散角，在传播一定距离后就会发散，在回到电光调制器6的时候光斑的大小会明显比出射时的光斑大，会导致光束来回经过电光调制器6的路径有所差别，对于电光晶体的相位延迟补偿产生影响，进而导致测距重复性的下降和测距精度的损失，同时，由于回光具有较明显的发散角，会导致不同距离光束达到光电探测器5的光斑大小不一，回光光斑较大的时候会由于光束抖动而部分偏离光电探测器5的探测范围，从而带来更大的抖动误差。
[0053]
图3中的(a)示出的是采用光纤耦合输出的绝对距离测量装置的具体实施方式，经过电光调制器6的光通过光纤耦合装置8耦合进入光纤，最后从光纤准直器10b输出到空间
进行传播。通过光纤耦合输出后，光束指向稳定性得到良好改善，将极大减小了光源光束指向微扰的影响，光源光束指向微扰只是会部分干扰到光纤耦合效率，对于最终光纤输出光束的指向并不会产生影响。同时，光束经过逆反射镜204反射后再次经过光纤准直器10b耦合回到光纤，最后再由光纤耦合准直器10a输出进入电光调制器6，而回光光束经过光纤耦合准直器10a输出后的光斑大小与电光调制器6出射的光束的光斑大小差不多，可以最大程度的保证电光晶体双向传输的一致性，从而减小电光晶体双向传输带来的附加偏振微扰，保证测距信号的稳定和测距重复性和精度的可靠性。图3中的(b)示出了采用光纤耦合装置后的绝对距离测量装置传输1米的接收光强短时波动，图3中的(c)示出的是用感光元件cmos或ccd或psd对传输1米的回光光斑几何中心进行位置检测，可以发现采用光纤耦合装置的绝对距离测量装置的接收光强信号的波动明显变小，同时光斑几何中心的抖动也明显得到抑制，极大地提升了绝对距离测量装置的性能。
[0054]
所述保偏光纤开关9，可以是机械光纤开关、磁光光纤开关和电光光纤开关等。当光纤开关处于一电平信号时，光束从参考光路输出，而处于另一电平信号时，光束从测量光路输出。开关时延可自主设置，根据测距速率来相应调整。光纤开关两路输出光纤长度基本一致，同时两路光纤尽可能的靠近布置，以保证两路光纤所在环境变化是一致的，避免因为环境变量差异带来的光纤光程误差，导致最终绝对距离值的误差。参考光路的实际光学路径要大于1米(因为调制器带宽为300mhz，对应最小测距距离为大约1米)。采用光纤开关进行差分测距，既可以实时补偿由于系统光学元件或电学元件引入的漂移误差，提高测距精度和稳定性，同时，还可以避免变频法绝对测距的带宽受限带来的最小测距距离问题，从而实现无盲区测量。
[0055]
所述1/4波片102、202光轴与电光调制器6光轴呈45
°
布置，用于将输出偏振光转换为圆偏光或接近圆偏光，圆偏光在大气中传输抗环境干扰能力相比线偏振光更强，更有利于系统测距的稳定性。返回光束再次通过1/4波片后，两个正交方向的光波偏振旋转90
°
，再次经过电光调制器时，对另一正交方向的光波进行调制，两正交偏振分量在偏振分束器3处进行偏振干涉，由于两正交分量在往返晶体时分别得到相同的调制，经过偏振干涉后就消除了电光晶体的固有双折射带来的相位延迟，同时也补偿了固有双折射易受温度影响而引起相位延迟变化的问题，最终得到两正交光波的相位差与接收光强的关系，相位差与距离相关，因此可以计算得到最终的距离值。
[0056]
图4中的(a)-(c)示出了该绝对距离测量装置的不同测量距离的扫频曲线，分别测量了15米、28米和63米处的绝对距离测量装置扫频曲线特性，可以看出扫频曲线较为光滑，基本符合理论推导的光强-调制频率呈余弦分布的结论，从而通过算法计算可以得到准确的距离值。图5中的(a)-(c)示出了15米、28米和63米处的绝对距离测量装置的测距重复性数据。
[0057]
表1总结了该绝对距离测量装置在不同距离测量的重复性精度和频率稳定度，表明该绝对距离测量装置实现了63米内定点测距重复性极差小于6um，频率测量稳定度达到10-8
量级。
[0058]
表1绝对距离测量装置的测距重复性精度和频率稳定度
[0059][0060]
图6示出了该绝对距离测量装置与大长度标准干涉仪测长比对的实施方式，大长度标准干涉仪装置30和绝对距离测量装置31同向高低布置，目标反射镜35与干涉仪角锥反射镜34在一个工件上并固定在气浮滑台33上，气浮滑台33置于高精度导轨32上，并由电机控制滑动。两反射镜应尽可能靠近，以减小阿贝误差。绝对距离测量装置31与大长度标准干涉仪30每隔5米进行同向移动测量，最终得到图7所示的误差曲线。绝对距离测量装置31的测距值与标准干涉仪30的标准值误差在
±
5um内，同时回程误差在3um内，测距性能优越，远超市场上的相位测距装置。该高精度绝对距离测量装置具有较为广泛的应用，尤其在激光跟踪仪上，绝对距离测量装置已经是不可或缺的一个重要模块，实现断光续接，避免干涉测距断光重置的不便利性，大大扩展了激光跟踪仪的应用领域和需求。
[0061]
本发明提供的一种基于偏振调制的绝对距离测量装置，其特点如下：
[0062]
1.采用保偏光纤开关来对测量光路和参考光路进行差分测距，实现对系统电学元件或光学元件时变或温变引起的测距漂移的补偿或减小。
[0063]
2.采用宽带非相干光源补偿空间光路附加偏振微扰引起的零点频率漂移。
[0064]
3.采用光纤耦合输出装置，有效减小了光源光束指向不稳定的问题，解决由于远距离传输光束抖动引起测距重复性差的问题，同时避免由于远距离传输导致经过电光晶体的回光光斑与出射光斑严重不重合而带来的偏振误差，保证测距的稳定性和可靠性。
[0065]
与现有技术相比，本发明具有以下显著改进：
[0066]
1.解决远距离光束偏移抖动带来的测距重复性差的问题。采用光纤耦合输出装置，使得经过电光晶体的返回光束能够稳定传输，有效缓解了外部空间光束的抖动引起接收光斑抖动和光强抖动的现象。同时避免由于远距离传输导致经过电光晶体的回光光斑与出射光斑严重不重合而带来的偏振误差，保证测距的稳定性和可靠性。
[0067]
2.解决由于电学元件或光学元件时变或温变引起的漂移误差。采用光纤开关将光路分成参考光路和测量光路，并对参考光路和测量光路进行差分测距，实现对系统电学元件或光学元件时变或温变引起的测距漂移的补偿或减小。
[0068]
3.解决空间光路附加偏振微扰引起的零点频率漂移。采用合适宽带的超辐射发光光源，可以补偿由于空间偏振微扰引起的零点频率漂移的问题。
[0069]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。