一种非模糊距离扩展的双光梳测距装置

本发明涉及精密测量，更具体地涉及一种非模糊距离扩展的实时双光梳测距装置。

背景技术：

1、绝对距离测量技术是动态和大范围空间测量的核心，双光梳绝对距离测量具有更新速度快、测量精度高等特点，因此成为了科学技术和工程实践领域的研究前沿之一。为了让双光梳测距在更大的范围实现绝对距离测量，需要拓展双光梳测距的非模糊距离。

2、为了扩展双光梳测距的非模糊距离，一些测量系统采用的方法是基于游标效应，该方法通过改变光梳a的重复频率进行两次独立测量(nature photon 3,351–356(2009).；meas.sci.technol.24(2013)045201)，通过该方法，非模糊距离可以扩展到为c/2δfra，其中δfra为光梳a的重复频率改变量。但是该方法需要改变重复频率进行两次测量，严重破坏了双光梳测距的实时性和更新率。而且两次测量中间会有一段时间间隔，该时间内光梳锁定的变化和环境的变化都将造成绝对距离测量的失败。

3、另外一些测量系统采用的方法是将两个光梳合束后同时进行距离测量，然后通过二次谐波产生来同时测量两个光梳的测距信息计算出非模糊距离的整数值m(meas.sci.technol.25(2014)125201.；ieee photonics journal,2015,7(3):1-8.)。这种方法在扩展非模糊距离的同时保证了测量的实时性，但是二次谐波产生和电参考装置仍然相对复杂，当进行长距离测量且回波信号较弱时，二次谐波测量将十分困难。

4、还有测量系统采用的方法是尝试通过对光学频率的频率或幅度进行调制，来扩展模糊距离(opt.lett.43,3614-3617(2018)；opt.lett.46,3677-3680(2021))，然而，主动调制也增加了系统的复杂程度。

5、为了解决上述问题，本发明提出一种非模糊距离扩展的双光梳绝对距离测量装置，该测量装置通过对两个光梳进行适当的偏振合束和分束，使得测量装置获取用于距离测量的激光脉冲，根据该获取的激光脉冲，以便后续可以同时测量得到两组包含距离信息的干涉图，进而根据干涉图实时计算整数值m，从而实现对物体的实时距离测量，且不需要复杂的调节器件，便于操作，也不会额外增加测量系统的复杂度。

6、同时，本发明的双光梳距离测量装置无需运动装置、二次谐波产生装置以及复杂的调制器件，不需要额外增加测量装置的复杂程度即可实现对双光梳绝对距离测量的非模糊距离扩展，且保证双光梳测距的实时性、精确性和稳定性。

7、此外，本发明的双光梳距离测量装置只需对两个光梳的脉冲进行了简单的偏振合束和分束，系统更加简单，实用性更强。

技术实现思路

1、因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种非模糊距离扩展的双光梳测距装置，本发明使用的非模糊距离扩展的双光梳测距装置极大地扩展了双光梳的非模糊距离、可以实现大范围距离的实时绝对测量，稳定性更好、系统更加简单，实用性更强，由于大范围的绝对距离测量在快速、实时、高精度的卫星编队、大尺寸设备制造、以及诸多复杂的工业现场等领域具有重要的应用，因此本发明将为上述众多应用提供稳定可靠的测量手段，具有重要的学术应用性和经济效益。

2、根据本发明的第一方面，提供一种非模糊距离扩展的双光梳测距装置，其包括

3、光学频率梳(7,8)，配置为产生重复频率不同的第一激光脉冲和第二激光脉冲；

4、偏振合束器(12)，配置为将所述第一激光脉冲和所述第二激光脉冲进行偏振合束，使所述第一激光脉冲为p偏振激光脉冲、所述第二激光脉冲为s偏振激光脉冲；

5、分束片(3)，配置为将所述p偏振激光脉冲和s偏振激光脉冲分束至第一光路和第二光路，其中，所述第一光路和所述第二光路中均包含所述p偏振激光脉冲和所述s偏振激光脉冲；

6、反射镜(1,4)，配置为将所述第一光路和所述第二光路中的p偏振激光脉冲和s偏振激光脉冲反射回至所述分束片；

7、四分之一波片(2)，配置为对所述第一光路中的p偏振激光脉冲和s偏振激光脉冲的偏振状态进行调节；以及

8、偏振分束器(6)，配置为根据所述p偏振激光脉冲和所述s偏振激光脉冲不同的偏振状态，输出对应的用于测距的所述p偏振激光脉冲和所述s偏振激光脉冲。

9、优选的，所述光学频率梳(7,8)包括第一光学频率梳(7)和第二光学频率梳(8)。

10、优选的，所述反射镜(1,4)包括：

11、参考反射镜(1)，配置为反射所述第一光路中的p偏振激光脉冲和s偏振激光脉冲至所述分束片(3)；以及

12、目标反射镜(4)，配置为反射所述第二光路中的p偏振激光脉冲和s偏振激光脉冲至所述分束片(3)。

13、优选的，所述分束片(3)设置于所述四分之一波片(2)与所述偏振分束器(6)之间，还被配置为将所述第一光路和所述第二光路中的p偏振激光脉冲和s偏振激光脉冲进行合束。

14、优选的，对所述第一光路中的p偏振激光脉冲和s偏振激光脉冲的偏振状态进行调节，包括：

15、将所述第二光路的p偏振激光脉冲和所述s偏振激光脉冲遮挡，用功率计测量通过所述偏振分束器前的所述第一光路的p偏振激光脉冲和s偏振激光脉冲的功率；以及

16、再测量通过所述偏振分束器后的所述第一光路的p偏振激光脉冲射和所述s偏振激光脉冲的功率，并旋转所述四分之一波片(2)，直到通过所述偏振分束器(6)后的所述第一光路的p偏振激光脉冲射的功率和s偏振激光脉冲射的功率分别等于通过所述偏振分束器前的所述第一光路的p偏振激光脉冲的功率和s偏振激光脉冲射的功率的一半时，停止转动所述四分之一波片(2)。

17、优选的，所述非模糊距离扩展的双光梳测距装置还包括；

18、二分之一波片(10,11)，用于对所述第一激光脉冲和所述第二激光脉冲的功率进行调节；

19、激光脉冲反射镜(9)，用于反射第二激光脉冲；

20、带通滤光片(5)，用于滤出所述p偏振激光脉冲和所述s偏振激光脉冲中的部分光谱成分；

21、第一光电探测器(13)，用于接收所述第一光路中的p偏振激光脉冲、s偏振激光脉冲以及所述第二光路中的p偏振激光脉冲；

22、第二光电探测器(14)，用于接收所述第一光路中的p偏振激光脉冲、s偏振激光脉冲以及所述第二光路中的s偏振激光脉冲；以及

23、数据采集卡(15)，用于采集所述第一光电探测器(13)和所述第二光电探测器(14)接收的所述p偏振激光脉冲和所述s偏振激光脉冲，并获取第一参考干涉图、第一目标干涉图、第二参考干涉图和第二目标干涉图，并根据所述第一参考干涉图、第一目标干涉图、第二参考干涉图和第二目标干涉图，计算出绝对距离。

24、优选的，获取第一参考干涉图、第一目标干涉图、第二参考干涉图和第二目标干涉图包括：

25、通过所述第一光梳对所述第二光梳进行线性光学采样，获取所述第一参考干涉图和所述第一目标干涉图；以及

26、通过所述第二光梳对所述第一光梳进行线性光学采样，获取所述第二参考干涉图和所述第二目标干涉图。

27、优选的，所述带通滤光片(5)的带宽满足如下：

28、δν<fr,afr,b/2δfr

29、其中，所述fr,a为所述第一激光脉冲的重复频率，所述fr,b为所述第二激光脉冲的重复频率，δfr为所述第一激光脉冲和所述第二激光脉冲的重复频率之差。

30、优选的，所述第一光电探测器(13)和所述第二光电探测器(14)的测量带宽大于所述第一激光脉冲的重复频率fr,a、所述第二激光脉冲的重复频率fr,b。

31、优选的，所述根据所述干涉图，计算出绝对距离包括：

32、采用飞行时间法分别计算出所述第一参考干涉图和所述第一目标干涉图之间的时间间隔δτa，所述第二参考干涉图和所述第二目标干涉图之间的时间间隔δτb；

33、通过所述δτa和δτb计算出非模糊距离的整数倍数m以及绝对距离labs，则第一光梳测量的距离la和第二光梳测量的距离lb可以表示为：

34、

35、

36、其中c为光梳，ng为传播介质的折射率。绝对距离labs表示为：

37、labs＝mλa+la

38、labs＝mλb+lb

39、其中，λa和λb为两个光梳的非模糊距离，表示为：

40、λa＝c/2ngfr,a

41、λb＝c/2ngfr,b

42、整数倍数m表示为：

43、m＝(la-lb)/(λb-λa)。

44、与现有技术相比，本发明使用的非模糊距离扩展的双光梳测距装置极大地扩展了双光梳的非模糊距离、可以实现大范围距离的实时绝对测量，稳定性更好、系统更加简单，实用性更强。