一种基于光梳齿间自干涉信号二次混频的测距装置和方法

本发明属于高精度激光测距，具体涉及一种基于光梳齿间自干涉信号二次混频的测距装置和方法。

背景技术：

1、齿间自干涉测距技术由对比文件1[kaoru minoshima,et al.high-accuracymeasurement of 240-m distance in an optical tunnel by use of a compactfemtosecond laser,appl.opt.2020,39(30):5512]提出，该方法通过光梳中各个梳齿信号之间的自干涉，同步生成一组波长从小到大的齿间自干涉信号作为测尺，相邻梳齿之间的自干涉信号(即重频信号)对应的测尺波长和测量范围(测尺波长的一半)最大，而光电探测器能探测得到的最高频率齿间自干涉信号对应的测尺波长最小但测量精度最高。通过不同长度多级测尺的同步生成，该技术可在一定范围内兼顾大范围、高精度以及高速度等优点，具有较好的应用前景。

2、但使用单个光梳进行齿间自干涉测距时，目前常用光梳的相邻齿间频差(即重频)通常大于1mhz，对应齿间自干涉测距的测量范围最大测量范围仅为数百米。为进一步扩大测量范围，可以选择更低重频的光梳生成测尺波长更大的齿间自干涉信号，但此时低重频的光梳齿间自干涉难以生成高质量的高频测尺信号，所引入的额外相位噪声导致在提升测距范围时难以维持原有的测距精度。因此如何在保证原有测距精度的同时获取更大波长的测尺，是目前进一步提升齿间自干涉测距范围的主要问题。

3、针对上述问题，目前国内外主要有两种技术解决方案：基于单光梳重频扫描的齿间自干涉测距方法和基于相干双光梳的多波长齿间互干涉测距方法等。

4、基于单光梳重频扫描的齿间自干涉测距方法由对比文件2[yoon-soo jang etal.absolute distance measurement with extension of nonambiguity range usingthe frequency comb of a femtosecond laser.opt.eng.2014,53(12):122403]提出，该方法将单光梳的重频进行扫描，使齿间自干涉信号生成不同的测尺波长，进一步合成多个不同重频的测尺波长，得到更大的合成波长用于提升齿间自干涉测距的范围。该对比文件通过扫描重频，将光梳齿间自干涉所生成的最大测尺波长从3m微调为3.33mm，再将3m与3.33m的测尺波长进行合成，得到了2.7km的合成波长，因而将测距范围提升至1.35km，同时使用重频为100mhz的光梳生成1ghz的齿间自干涉信号作为精测测尺，兼顾了较高的测距精度。然而该方法需要手动对光梳重频进行微调，使得各级齿间自干涉测尺波长不是同步生成，无法对目标距离进行粗测和精测同步探测和计算，牺牲了齿间自干涉测距技术所具有的高速度测量优势。

5、基于相干双光梳的多波长齿间互干涉测距方法由对比文件3[wang guo-chao etal.analysis of an innovative method for large-scale high-precision absolutedistance measurement based on multi-heterodyne interference of dual opticalfrequency combs.acta phys.sin.2013,62(7):070601]提出，该方法利用两个相干光梳在光电探测器表面发生双光梳之间的齿间互干涉，提取其中最低频率的干涉信号并以此实现最大波长测尺的生成。文献提出利用重频差值为100khz、偏移频率差值为0的双光梳，通过齿间互干涉生成了波长为3km的测尺，将测距范围提升至1.5km，同时利用传统的齿间自干涉测距技术，使用重频为100mhz的光梳同步地生成高频精测测尺，可以兼顾较高的测距精度和测量速度。但是，该方法不仅要求双光梳具有稳定的重频以满足传统齿间自干涉测距技术的需要，还要求双光梳具有稳定的偏移频率差值以保证双光梳之间齿间互干涉信号的稳定性，这使得该方法对双光梳光源提出了更高的成本要求。市面上满足上述要求的一套重频与偏移频率全稳频的光梳商品，其价格超过两百万元。两套频率相互锁定的双光梳系统，仅光源价格就超过五百万元。同时占地面积超过4平方米，系统难以集成小型化。

6、现有技术存在以下缺点：

7、1、经典的单光梳齿间自干涉测距方法难以兼顾千米级大范围和微米级高精度，目前常用光梳的相邻齿间频差(即重频)通常大于1mhz，对应齿间自干涉测距的测量范围最大测量范围仅为数百米。为进一步扩大测量范围，可以选择更低重频的光梳生成测尺波长更大的齿间自干涉信号，但此时低重频的光梳齿间自干涉难以生成高质量的高频测尺信号，所引入的额外相位噪声导致在提升测距范围时难以维持原有的测距精度。因此如何在保证原有测距精度的同时获取更大波长的测尺，是目前进一步提升齿间自干涉测距范围的主要问题。

8、2、基于单光梳重频扫描的齿间自干涉测距方法需要手动对光梳重频进行微调，使得各级齿间自干涉测尺波长不是同步生成，无法对目标距离进行粗测和精测同步探测和计算，牺牲了齿间自干涉测距技术所具有的高速度测量优势。

9、3、基于相干双光梳的多波长齿间互干涉测距方法不仅要求双光梳具有稳定的重频以满足传统齿间自干涉测距技术的需要，还要求双光梳具有稳定的偏移频率差值以保证双光梳之间齿间互干涉信号的稳定性，这使得该方法对双光梳光源提出了更高的成本要求。市面上满足上述要求的一套重频与偏移频率全稳频的光梳商品，其价格超过两百万元。两套频率相互锁定的双光梳系统，仅光源价格就超过五百万元。同时占地面积超过4平方米，系统难以集成小型化。

10、综上所述，目前光梳齿间自干涉测距技术领域，缺少一种能实现上千米测距范围、同时兼顾测距精度、测量速度以及系统成本的测量装置与方法。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种基于光梳齿间自干涉信号二次混频的测距装置和方法，以解决现有技术中的问题，本发明所采用的技术方案是：

2、一种基于光梳齿间自干涉信号二次混频的测距装置，包括：双光梳光源、光梳齿间自干涉信号探测光路和光梳齿间自干涉二次混频信号生成、采集与计算模块；

3、双光梳光源发出的双光梳激光进入光梳齿间自干涉信号探测光路，从而获取到调制了待测距离信息的光梳齿间自干涉信号；光梳齿间自干涉信号经过光梳齿间自干涉信号探测光路进入到光梳齿间自干涉二次混频信号生成、采集与计算模块，并生成光梳齿间自干涉二次混频信号，实现信号采集并计算得到测距结果；

4、所述双光梳光源包括光梳i激光器和光梳ii激光器；所述双光梳光源包括光梳i激光器和光梳ii激光器；光梳i激光器的重频锁定至fr，光梳ii激光器的重频锁定至fr；光梳i激光器和光梳ii激光器发出光梳i和光梳ii，光梳i和光梳ii的偏移频率不进行锁定；

5、光梳i的第n阶齿间自干涉信号为：光梳i的各个纵模梳齿中频率间隔为nfr的成对纵模，梳齿组合发生拍频干涉所生成的信号；

6、光梳ii的第m阶齿间自干涉信号为：光梳ii各个纵模梳齿中频率间隔为mfr的成对纵模，梳齿组合发生拍频干涉所生成的信号；

7、其中，n的取值由测距精度需求决定，在相同干涉相位测量精度条件下，频率nfr越高则测距精度越高。

8、进一步的，所述光梳i激光器和所述光梳ii激光器发出的光梳i和光梳ii均为线偏振光且偏振方向相互正交。

9、进一步的，所述光梳齿间自干涉信号探测光路包括参考端光梳ii探测器、参考端光梳i探测器、参考端偏振分光棱镜、参考端二分之一波片、目标反射镜、50/50分光棱镜、测量端二分之一波片、测量端偏振分光棱镜、测量端光梳i探测器和测量端光梳ii探测器；

10、双光梳光源发出的光梳i和光梳ii在50/50分光棱镜处发生反射和透射，其中反射光通过参考端二分之一波片后，在参考端偏振分光棱镜处发生透射和反射，其中光梳i被反射后照射到参考端光梳i探测器，光梳ii被透射后照射到参考端光梳ii探测器；

11、在50/50分光棱镜处透射的光束在目标反射镜处发生反射，反射光回到50/50分光棱镜并再次发生反射和透射，其中反射光通过测量端二分之一波片后，在测量端偏振分光棱镜处发生反射和透射，其中光梳i被反射后照射到测量端光梳i探测器，光梳ii被透射后照射到测量端光梳ii探测器。

12、进一步的，所述光梳齿间自干涉信号包括：

13、光梳i在参考端光梳i探测器和测量端光梳i探测器生成的第n阶齿间自干涉信号；

14、光梳ii在参考端光梳ii探测器和测量端光梳ii探测器生成的第m阶齿间自干涉信号。

15、进一步的，所述光梳齿间自干涉二次混频信号生成、采集与计算模块包括参考端粗测信号生成混频器、参考端精测信号生成混频器、本地振荡器、测量端精测信号生成混频器、测量端粗测信号生成混频器、数据采集卡和上位机；

16、参考端光梳i探测器生成的光梳i第n阶齿间自干涉信号分为两路，其中一路在参考端粗测信号生成混频器处与参考端光梳ii探测器生成的光梳ii第m阶齿间自干涉信号发生二次混频，生成参考端最长测尺波长的粗测信号，另一路在参考端精测信号生成混频器处与本地振荡器发射的本振信号发生混频，将参考端的距离精测信息解调到低频段；

17、测量端光梳i探测器生成的光梳i第n阶齿间自干涉信号分为两路，其中一路在测量端粗测信号生成混频器处与测量端光梳ii探测器生成的光梳ii第m阶齿间自干涉信号发生二次混频，生成测量端最长测尺波长的粗测信号，另一路在测量端精测信号生成混频器处与本地振荡器发射的本振信号发生混频，将测量端的距离精测信息解调到低频段；

18、四路中频信号分别传输至数据采集卡的不同采集通道，所采集的数据传输至上位机进行计算。

19、进一步的，所述光梳齿间自干涉二次混频信号为光梳i第n阶齿间自干涉信号和光梳ii第m阶齿间自干涉信号发生二次混频所生成的信号，其频率fnd为光梳齿间自干涉信号的频差：f2nd＝|nfr1-mfr2|，该频率所对应的相位测距不模糊范围为其中c为真空光速，n为光梳齿间自干涉二次混频信号的等效折射率，其值为其中n为光梳i的群折射率，n为光梳ii的群折射率；

20、所述光梳齿间自干涉二次混频信号用于距离粗测，其频率fnd满足级间过渡条件；所述正整数m的取值由测距不模糊范围需求和频率nfr所决定，频率fnd越低则测距不模糊范围越大。

21、一种基于光梳齿间自干涉信号二次混频的测距方法，包括：

22、步骤一：启动双光梳光源，通过设置双光梳的重频fr和fr以保证待测距离l不超过不模糊范围lnar的二分之一，同时保证在参考端粗测信号生成混频器和测量端粗测信号生成混频器处分别产生的二次混频粗测信号，频率低于数据采集卡采集频率的二分之一；启动本地振荡器，发射频率为flo的本振信号，通过设置频率flo以保证在参考端精测信号生成混频器和测量端精测信号生成混频器处分别产生的精测混频信号，频率低于数据采集卡采集频率的二分之一；

23、步骤二：将目标反射镜放置在零点位置；使用数据采集卡和上位机对于分别来自于参考端精测信号生成混频器和测量端精测信号生成混频器所产生的精测混频信号进行采集和计算，得到测量端相对于参考端的精测相位差φfine；使用数据采集卡和上位机对于分别来自于参考端粗测信号生成混频器和测量端粗测信号生成混频器所产生的二次混频粗测信号进行采集和计算，得到测量端相对于参考端的粗测相位差φcoarse；

24、步骤三：将目标反射镜的位置移动到被测距离l处；使用数据采集卡和上位机对于分别来自于参考端精测信号生成混频器和测量端精测信号生成混频器所产生的精测混频信号进行采集和计算，得到测量端相对于参考端的精测相位差φfine；使用数据采集卡和上位机对于分别来自于参考端粗测信号生成混频器和测量端粗测信号生成混频器所产生的二次混频粗测信号进行采集和计算，得到测量端相对于参考端的粗测相位差φcoarse；

25、步骤四：计算距离精测值lfine和距离粗测值lcoarse，计算公式分别为：

26、

27、

28、步骤五：计算待测距离l，计算公式为：

29、

30、其中floor[]表示向下取整，待测距离l的计算公式成立的前提条件是满足级间过渡条件；

31、步骤六：使用级间过渡条件判断步骤五中待测距离l的计算公式是否成立，级间过渡条件公式为：

32、

33、其中u(lcoarse)为粗测不确定度，λfine为精测测尺波长；如果当前设置的fr和fr无法保证二次混频粗测信号与光梳i第n阶齿间自干涉精测信号满足级间过渡条件，则选择合适的p和q，将频率为|pfr1-qfr2|的光梳齿间自干涉二次混频信号作为中间过渡测尺，使其首先满足如下公式中粗测测尺和中间过渡测尺的级间过渡条件：

34、

35、其中，λmiddle为频率为|pfr1-qfr2|的光梳齿间自干涉二次混频信号的波长；再进行步骤二至步骤五，分别测量频率为|pfr1-qfr2|的光梳齿间自干涉二次混频信号在零点位置和待测距离处测量端相对参考端的相位差φmiddle和φmiddle，利用以下公式计算中间过渡测尺的测距结果：

36、

37、再使中间过渡测尺满足和精测测尺的级间过渡条件：

38、

39、重复以上步骤，通过选择合适的p和q，将频率为|pfr1-qfr2|的光梳齿间自干涉二次混频信号作为中间过渡测尺，使其满足上述两个级间过渡条件，即可实现三个测尺之间的精度传递；

40、步骤七：在引入中间过渡测尺满足两个级间过渡条件后，首先利用频率为fnd、|pfr1-qfr2|的光梳齿间自干涉二次混频信号作为一对粗测、过渡测尺，分别计算出对应的粗测距离lcoarse、过渡距离lmiddle，并将其带入步骤五的公式中计算出过渡距离，记为lcoarse-new：

41、

42、其次，如步骤四中所述，使用频率为nfr的光梳齿间自干涉信号作为精测测尺，计算出精测距离lfine；最后，再将过渡距离lcoarse和精测距离lfine代入步骤五的公式中求出最终的待测距离l：

43、

44、本发明具有以下有益效果：

45、(1)、兼顾数百米至数公里的测距不模糊范围和十微米甚至微米级的测距精度。本发明使用双光梳光源，既能够生成频率较高的光梳齿间自干涉信号作为精测测尺，还能够生成频率极低的光梳齿间自干涉二次混频信号作为粗测测尺，实现了不同尺度下的粗、精测量，结合同步生成的中间过渡级测尺和级间过渡方法，可有效兼顾测距范围和精度；

46、(2)、测量实时性强。本发明实现了粗、精测尺同时生成、同时探测、同时计算，与其它对测尺进行调节的大范围测距方法相比，本发明具有较强的实时性；

47、(3)、光源成本低且系统规模较小。本发明不依赖于价格昂贵、体积庞大的全稳频双光梳光源，仅需使用仅稳定了重频的双光梳光源即可，与其它通过全稳频双光梳光源实现粗、精测尺生成的大范围测距方法相比，本发明具有较低的成本和较小的系统规模。