一种基于集成双光梳光源的齿间自干涉测距装置和方法

本发明属于高精度激光测距，具体涉及一种基于集成双光梳光源的齿间自干涉测距装置和方法。

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，该方法所使用的双光梳由两台独立的光梳光源提供，不仅要求两台独立光梳光源具有稳定的重频以满足传统齿间自干涉测距技术的需要，还要求两台独立光梳光源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极高的成本要求。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激光器，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所使用的双光梳由两台独立的光梳光源提供，不仅要求两台独立光梳光源具有稳定的重频以满足传统齿间自干涉测距技术的需要，还要求两台独立光梳光源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极高的成本要求。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激光器，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集成双光梳光源的齿间自干涉测距装置和方法，以解决现有技术中的问题，本发明所采用的技术方案是：

2、一种基于集成双光梳光源的齿间自干涉测距装置，包括：包括集成双光梳光源、集成双光梳齿间自干涉信号探测、采集与计算模块；

3、其中，集成双光梳光源发出的激光进入集成双光梳齿间自干涉信号探测、采集与计算模块，获取到调制了距离信息的光梳齿间自干涉信号和双光梳齿间自干涉信号，并进行采集和计算得到测距结果。

4、一种基于集成双光梳光源的齿间自干涉测距方法，包括：

5、步骤一：启动集成双光梳光源1和本地振荡器29，设置光梳i的重复频率fr1、光梳ii的重复频率fr2和本振信号频率flo，选择n和m值，保证待测距离l不超过不模糊范围lnar，同时保证在参考端精测信号生成混频器24和测量端精测信号生成混频器28处分别产生的中频信号的频率低至足以被数据采集卡25所采集；监测光梳i的重复频率并以此反馈控制集成双光梳光源中的光纤拉伸器12，在主动稳定控制光梳i重复频率的同时，对光梳ii的重复频率进行了被动的稳定控制；

6、步骤二：将目标反射镜23的位置归零；使用数据采集卡25和上位机30对于分别来自于参考端探测器22和测量端探测器26的双光梳齿间自干涉信号作为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φcoarse0；使用数据采集卡25和上位机30对于分别来自于参考端精测信号生成混频器24和测量端精测信号生成混频器28所产生的单光梳齿间自干涉中频信号作为精测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φfine0；

7、步骤三：将目标反射镜23的位置移动到被测距离l处；使用数据采集卡25和上位机30对于分别来自于参考端探测器22和测量端探测器26的双光梳齿间自干涉信号作为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；使用数据采集卡25和上位机30对于分别来自于参考端精测信号生成混频器24和测量端精测信号生成混频器28所产生的中频信号作为精测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，

8、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：

9、

10、

11、步骤五：计算待测距离l，计算公式为：

12、

13、其中floor[]表示向下取整，

14、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：

15、

16、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fr1和fr2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：

17、

18、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φmiddle0和φmiddle，利用以下公式计算中间过渡测尺的测距结果：

19、

20、再使中间过渡测尺满足和精测测尺的级间过渡条件：

21、

22、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，从而实现三个测尺之间的精度传递，

23、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f2nd、|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lcoarse0、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：

24、

25、其次，如步骤四中所述，使用频率为nfr1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：

26、

27、本发明具有以下有益效果：

28、(1)、通过光梳i和光梳ii的光路设置，光源成本低且系统规模较小；本发明不依赖于价格昂贵、体积庞大的两套全稳频光梳光源，该类双光梳系统总成本超过500万元，本发明仅需使用一个集成双光梳光源，该集成双光梳光源仅需对光梳i进行重复频率稳定控制，即可实现大范围高精度快速测距，成本仅需不到20万元，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，本发明具有极低的成本和极小的系统规模；

29、(2)、兼顾数百米至数公里的测距范围和十微米甚至微米级的测距精度；本发明使用集成双光梳光源生成齿间自干涉测距信号，既能够生成频率较高的光梳齿间干涉信号作为精测测尺，还能够生成频率极低的双光梳齿间自干涉信号作为粗测测尺，实现了不同尺度下的粗、精测量，从而兼顾测距范围和精度；

30、(3)、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。