專利名稱：基于空間譜全息存儲的激光干涉測距系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明主要涉及光子晶體上的空間譜全息存儲處理技術的一種激光干涉測距技 術，尤其是運用將回波光束與參考波束干涉的空間譜全息存儲在光子晶體中，通過線性調(diào) 頻的讀取光束獲取和處理該空間譜的一種激光干涉測距系統(tǒng)。
背景技術：
激光測距原理是利用激光器向目標發(fā)射激光脈沖束，通過測量激光脈沖束到達目 標并由目標返回到接收望遠鏡的往返時間或相位，來計算出目標的距離。與傳統(tǒng)的測距技 術相比，激光測距技術具有測量精度高、準直性好、抗干擾能力強等一系列優(yōu)點，已經(jīng)被廣 泛應用于遙感、精密測量、工程建設、安全監(jiān)測和智能控制等領域，起著極為重要的作用。根據(jù)測量回波時間方式的不同，可可將激光測距系統(tǒng)分成兩種類型脈沖式和連 續(xù)式。脈沖式激光測距方法較為簡單，體積、重量都不大，目前軍用的激光測距儀以脈沖式 居多，由于獲得穩(wěn)定頻率信號還有很大的困難，因此很難實現(xiàn)lm以下的距離分辨率。連續(xù) 式激光測距系統(tǒng)一般是基于干涉測量技術的一種精度更高的測距系統(tǒng)，其距離分辨率一般 都在lm以下，具有巨大的發(fā)展空間。但由于系統(tǒng)相對復雜，技術不是十分成熟，還沒有廣泛 的在工程中采用。激光干涉測量技術廣泛應用于高精度測量領域，通過光束分離器把一束光分成兩 束，一路通過已知的距離形成參考光束，一路入射到測量目標反射后形成測量光束，干涉后 通過探測器探測兩束光干涉強度，干涉強度里面包含了與光程差相關的相位信息，通過測 量相位就可以得到目標的距離信息?？臻g譜全息存儲技術主要是采用光子晶體在某些特定波段范圍內(nèi)的光譜燒孔效 應來實現(xiàn)的在某些光子晶體物質(zhì)中存在著一組能級包含一個基態(tài)與一個受激態(tài)，在其間 有一介穩(wěn)態(tài)的能階，當有入射光將電子由基態(tài)激發(fā)至受激態(tài)時，受激發(fā)的電子會在幾個皮 秒的時間內(nèi)躍遷到亞穩(wěn)態(tài)。在經(jīng)過約長達幾個毫秒后，電子才會回到基態(tài)并釋放出波長與 入射光波長相近的光子。而在該物質(zhì)的吸收/穿透光譜上在特定的波長附近便會形成一個 空區(qū)意味著該特定波長的光無法通過。當一束強的單頻激光通過這種光子晶體時，它可以 選擇性地將一群與共振頻率相對應的原子激發(fā)至飽和狀態(tài)，這時若有另一束頻率掃描的弱 探測光通過該介質(zhì)，則在它的吸收光譜的相應位置上將出現(xiàn)一個凹陷。本發(fā)明中通過將難以處理的高帶寬高頻率的含有目標距離信息的干涉空間譜全 息存儲在光子晶體中，通過采用一束線性調(diào)頻讀取光束，將光子晶體中存儲的空間譜信息 以時域的形式讀取處理，經(jīng)過處理即可獲得高精度的距離分辨率探測結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種新型的基于空間譜全息存儲的激光干涉測距系統(tǒng)具有高達數(shù) 十GHz的工作帶寬，但卻可以用很低帶寬的光子探測器來提取所需的目標距離信息；利用 光子晶體進行光信息處理，可極大降低測距系統(tǒng)對硬件計算能力的要求；本發(fā)明系統(tǒng)具有
3很高的工作頻率和工作帶寬，因此相對傳統(tǒng)脈沖激光測距，本發(fā)明具有更高的距離分辨率， 可廣泛應用于遙感、精密測量、工程建設、安全監(jiān)測和智能控制等領域。在本發(fā)明中發(fā)射端 激光器發(fā)出的光束被分成兩束，一束作為參考光束，另一束通過發(fā)射望遠鏡作為探測光束； 探測光束照射目標后散射和反射的回波光束與參考光束相干的空間譜在光子晶體上全息 存儲為衍射光柵；隨后利用另一個線性調(diào)頻的激光頻率掃描光束照射光子晶體以讀取衍射 光柵中包含的目標距離信息，即經(jīng)光子晶體的衍射光束中含有目標距離信息；衍射光束最 后通過零外差探測技術被光子探測器探測出來；此時，光子探測器的輸出的時域信號為光 子晶體中所存在的干涉譜，對探測的時域信號進行傅里葉變換后即可提取出目標反射回波 的延時以實現(xiàn)測距。本發(fā)明主要采光子晶體實現(xiàn)對空間譜全息存儲的激光干涉測距系統(tǒng)，具體采用如 下技術方案發(fā)明提出如圖1所示的基于空間譜全息存儲的激光干涉測距系統(tǒng)，其基本思想是 利用光子晶體對來自目標的回波光束與參考光束干涉的空間譜全息存儲，然后利用一束線 性調(diào)頻的頻率掃描讀取光束對存儲在光子晶體中的空間譜以時域的形式讀取出來，并利用 零外差探測技術轉(zhuǎn)換為電信號，并對其進行傅里葉變換以提取回波光束的延時，從而獲得 目標的探測距離。所述的基于空間譜全息存儲的激光干涉測距系統(tǒng)包括激光發(fā)射與接收子 系統(tǒng)，含有光子晶體的空間譜全息存儲子系統(tǒng)，線性調(diào)頻調(diào)制的激光掃描讀取子系，以及光 子探測處理子系統(tǒng)組成。在本發(fā)明中，系統(tǒng)各個部分說明如下(1)激光發(fā)射與接收子系統(tǒng)包括大功率的發(fā)射端激光器，電光調(diào)制器，準直擴束 器，多路分光器，發(fā)射望遠鏡和接收望遠鏡組成；發(fā)射端激光器的輸出光束被電光調(diào)制器 調(diào)制并經(jīng)準直擴束器后，進入多路分光器被分為兩束相干光一束為參考光束，另一束為經(jīng) 發(fā)射望遠鏡照射目標的探測光束，且該探測光束經(jīng)過目標散射的回波光束被接收望遠鏡獲 ?。换夭ü馐蛥⒖脊馐煌斎氲娇臻g譜全息存儲子系統(tǒng)中。(2)空間譜全息存儲子系統(tǒng)由聚焦透鏡和光子晶體組成；聚焦透鏡將回波光束和 參考光束耦合到光子晶體中進行相干，干涉結(jié)果對應的空間譜被存儲到光子晶體中。(3)激光掃描讀取子系統(tǒng)包括讀取端激光器、電光調(diào)制器，準直擴束器和多路分光 器；讀取端激光器發(fā)出的激光束經(jīng)過電光調(diào)制器后成為線性調(diào)頻調(diào)制的讀取光束，該讀取 光束經(jīng)過聚焦透鏡耦合到光子晶體中以讀取存儲在光子晶體中回波光束與參考光束干涉 的空間譜，通過讀取光束頻率的線性掃描可將所述空間譜以時域信號的形式讀取出來，包 含在光子晶體輸出的衍射光束的時域波形中；該衍射光束與另一束零外差相干的探測參考 光束一起進入光子探測處理子系統(tǒng)。(4)光子探測處理子系統(tǒng)由光路合成器，反射鏡，光子探測器，信號處理器組成； 根據(jù)零外差探測技術，激光掃描讀取子系統(tǒng)輸出的衍射光束和探測參考光束經(jīng)反射鏡和光 路合成器后，在空間合成一路合成光束，所述合成光束最終通過光子探測器探測，獲得所述 衍射光束的時域波形，也即回波光束與參考光束干涉的空間譜波形，在信號處理器中利用 傅里葉變換技術對光子探測器的輸出進行處理即可獲得目標的探測距離。(5)所述光子晶體是一種具有瞬時光譜燒孔特性的光子晶體光子晶體在被回波 光束和參考光束的干涉結(jié)果實施光譜燒孔后，以指數(shù)形式迅速恢復。
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(6)所述光子晶體具有高達10GHz以上的帶寬的存儲能力，而在光子探測器探測 時可通過僅僅為數(shù)兆赫茲的光子探測器來實現(xiàn)空間譜探測。(7)光子晶體用于高頻寬帶的干涉譜信號的存儲與讀取的過程如圖2所示。圖 2(1)表明了光子晶體的原始吸收頻譜曲線圖，在一定的頻率范圍內(nèi)存在一系列獨立吸收頻 譜點，具有很強的吸收。由于其間隔很小，因此通過一個掃頻激光器照射光子晶體，可被用 于實現(xiàn)對在該頻率范圍內(nèi)的寬帶信號的窄帶采樣功能；圖2(2)顯示了一幅輸入的寬帶調(diào) 制光束的頻譜圖；圖2(3)是光子晶體被光譜燒孔后的吸收頻譜圖，光子晶體的頻譜吸收包 絡曲線記錄了輸入信號的頻譜；圖2(4)是一強度微弱的線性調(diào)頻激光光束通過光子晶體 后得到的譜圖，由于不同頻率處的透射強度與輸入信號在該頻率處的分量對應，因此通過 線性調(diào)頻的激光束掃描后，用探測器得到的時域波形就是輸入信號的頻譜，通過積分即可 得到完整的寬帶信號。(8)在光子晶體中，設空間譜全息存儲過程中的回波光束和參考波束的方向矢量 分別為巧和巧，讀取過程中的讀取波束和最終的含有目標距離信息的衍射光束的方向矢 量為 < 和巧,則四者具有如下關系^ 巧-巧)+ <。為了方便探測，僅僅保留巧方向 上有衍射出光，并最終通過零外差探測出該方向上的衍射光束。本發(fā)明的主要特色運用光子晶體的光譜燒孔技術，實現(xiàn)光子晶體對空間譜的全 息存儲和讀取技術，最終實現(xiàn)激光干涉測距目的的一種新型測距系統(tǒng)。本發(fā)明的效益與應用前景(1)可應用于遙感、精密測量、工程建設、安全監(jiān)測和 智能控制等領域，實現(xiàn)高精度絕對距離測量的目的；(2)本發(fā)明中光子晶體的空間譜全息 存儲技術還可以用于其它超寬帶微波信息處理。


圖1為本發(fā)明基于空間譜全息存儲的激光干涉測距系統(tǒng)2為光子晶體全息存儲與讀取過程3為光子晶體中各光束矢量方向關系圖
具體實施例方式如圖1所示，發(fā)射端激光器1可采用大功率的連續(xù)波光纖激光器，所發(fā)出的光束進 入電光調(diào)制器2被射頻信號RF1所調(diào)制，電光調(diào)制器2根據(jù)RF1的頻率選擇。為了提高距 離分辨率，實施方案中采用2GHz的寬帶射頻信號。電光調(diào)制器2輸出的光束經(jīng)擴束準直器 4和多路分光器5后，其中一束光進入發(fā)射望遠鏡6，并在發(fā)射望遠鏡6中光束再次被擴束 和準直以照射目標。從目標散射回來的光束經(jīng)接收望遠鏡7收集后，即是回波光束?；夭?光束與所述多路分光器5輸出的另一束光——參考光束，一起經(jīng)過聚焦透鏡8，被聚焦到光 子晶體9上面，并再光子晶體上刻蝕一個隨著時間以指數(shù)消退的和回波光束與參考光束干 涉的空間譜所對應的衍射光柵，從而實現(xiàn)了空間譜全息存儲。本實施方案中，光子晶體9為 一種Tm+3:YAG晶體，在經(jīng)過液態(tài)N2致冷形成的4. 2K的低溫環(huán)境下，其吸收譜線圖如圖4所示。當回波光束與參考光束干涉的空間譜全息存儲在光子晶體9的時候，從另一個讀 取端激光器3發(fā)射一束用于讀取全息存儲在光子晶體中的目標距離信息的讀取光束。所述的讀取端激光器3是被線性調(diào)頻信號調(diào)制后輸出的線性調(diào)頻的頻率掃描讀取光束，該光束 經(jīng)擴束準直器4和多路分光器5后，通過聚焦透鏡8后聚焦到光子晶體9上面，通過光束的 頻率線性掃描讀取出所述干涉的空間譜，并轉(zhuǎn)換為時域信號。 最后，對經(jīng)光子晶體9后所包含目標距離信息的衍射光束進行探測，所采用的 方式零外差探測。其中所述衍射光束的方向是如圖3中所示，其具體方向按照如下公式
冗)+ (計算獲得。在零外差探測中，讀取光束經(jīng)過多路分光器5后的另一光束 為探測參考光束，經(jīng)過反射鏡10進入光路合成器11中，與衍射光束合成，一起進入光子探 測器12中完成零外差探測。光子探測器所輸出的含有干涉的空間譜信息的時域信號直接 進入信號處理器13中，在信號處理器，首先對光子探測器12輸出的信號進行數(shù)字化，然后 利用快速傅里葉變換算法，對時域信號進行傅里葉變換即可提取計算目標距離所需的延時 數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對目標的測距。
權利要求
1.一種新型的基于空間譜全息存儲的激光干涉測距系統(tǒng)，其特征是所述的基于空間 譜全息存儲的激光干涉測距系統(tǒng)包括激光發(fā)射與接收子系統(tǒng)，空間譜全息存儲子系統(tǒng)，激 光掃描讀取子系統(tǒng)，以及光子探測處理子系統(tǒng)組成。所述各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作激光發(fā)射與接 收子系統(tǒng)負責發(fā)射探測光束照射目標和接收來自目標散射的回波光束，并將回波光束和與 之相干的參考光束一起輸入到光子晶體空間譜全息記錄子系統(tǒng)中；空間譜全息記錄子系統(tǒng) 將回波光束和參考光束干涉所對應的空間譜全息存儲在光子晶體中；激光掃描讀取子系負 責產(chǎn)生線性調(diào)頻調(diào)制的讀取光束以讀取存儲在光子晶體中干涉的空間譜，并以時域信號的 形式輸出為衍射光束，該衍射光束與另一束零外差相干的探測參考光束最終一同進入光子 探測處理子系統(tǒng)；光子探測處理子系統(tǒng)通過零外差探測技術獲得衍射光束的時域波形，即 回波光束與參考光束干涉的空間譜，最后通過處理即可獲得目標的距離信息，完成距離探 測。
2.根據(jù)權利要求1所述基于空間譜全息存儲的激光干涉測距系統(tǒng)，激光發(fā)射與接收子 系統(tǒng)包括大功率的發(fā)射端激光器，電光調(diào)制器，準直擴束器，多路分光器，發(fā)射望遠鏡和接 收望遠鏡組成；發(fā)射端激光器的輸出光束被電光調(diào)制器調(diào)制并經(jīng)準直擴束器后，進入多路 分光器被分為兩束相干光一束為參考光束，另一束為經(jīng)發(fā)射望遠鏡照射目標的探測光束， 且該探測光束經(jīng)過目標散射的回波光束被接收望遠鏡獲取；回波光束和參考光束一同輸入 到空間譜全息存儲子系統(tǒng)中。
3.根據(jù)權利要求1所述基于空間譜全息存儲的激光干涉測距系統(tǒng)，空間譜全息存儲子 系統(tǒng)由聚焦透鏡和光子晶體組成；聚焦透鏡將回波光束和參考光束耦合到光子晶體中進行 相干，干涉結(jié)果對應的空間譜被存儲到光子晶體中。
4.根據(jù)權利要求1或3所述基于空間譜全息存儲的激光干涉測距系統(tǒng)，激光掃描讀取 子系統(tǒng)包括讀取端激光器、準直擴束器和多路分光器；讀取端激光器發(fā)出的激光束經(jīng)過電 光調(diào)制器后成為線性調(diào)頻調(diào)制的讀取光束，該讀取光束經(jīng)過聚焦透鏡耦合到光子晶體中以 讀取存儲在光子晶體中回波光束與參考光束干涉的空間譜，通過讀取光束頻率的線性掃描 可將所述空間譜以時域信號的形式讀取出來，包含在光子晶體輸出的衍射光束的時域波形 中；該衍射光束與另一束零外差相干的探測參考光束一起進入光子探測處理子系統(tǒng)。
5.根據(jù)權利要求1或4所述基于空間譜全息存儲的激光干涉測距系統(tǒng)，光子探測處理 子系統(tǒng)由光路合成器，反射鏡，光子探測器，信號處理器組成；根據(jù)零外差探測技術，激光掃 描讀取子系統(tǒng)輸出的衍射光束和探測參考光束經(jīng)反射鏡和光路合成器后，在空間合成一路 合成光束，所述合成光束最終通過光子探測器探測，獲得所述衍射光束的時域波形，也即回 波光束與參考光束干涉的空間譜波形，在信號處理器中利用傅里葉變換技術對光子探測器 的輸出進行處理即可獲得目標的探測距離。
6.根據(jù)權利要求1或3所述基于空間譜全息存儲的激光干涉測距系統(tǒng)，所述光子晶體 是一種具有瞬時光譜燒孔特性的光子晶體光子晶體在被回波光束和參考光束的干涉結(jié)果 實施光譜燒孔后，以指數(shù)形式迅速恢復。
7.根據(jù)權利要求1或5所述基于空間譜全息存儲的激光干涉測距系統(tǒng)，所述光子晶體 具有高達10GHz以上的帶寬的存儲能力，而在光子探測器探測時可通過僅僅為數(shù)兆赫茲的 光子探測器來實現(xiàn)空間譜探測。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種新型的基于空間譜全息存儲的激光干涉測距系統(tǒng)。在本發(fā)明中同一激光器的光束被分成兩束，一束作為參考光束，另一束通過望遠鏡作為探測光束；目標反射回波光束與參考光束的相干在光子晶體上的空間譜全息存儲為衍射光柵；隨后利用另一個線性調(diào)頻的激光掃描光束照射光子晶體以讀取衍射光柵中的目標距離信息，經(jīng)過光子晶體的衍射光束中含有目標距離信息，衍射光束再經(jīng)傅里葉變換后，最后被光子探測器探測出來；此時，探測器的輸出的時域信號為光子晶體中所存在的干涉譜，因此可提取出目標反射回波的延時以實現(xiàn)測距。本發(fā)明系統(tǒng)降低了對硬件計算能力的要求，而光子晶體的高帶寬處理還極大提高系統(tǒng)的距離分辨率。
文檔編號G01S17/48GK102004256SQ20101027860
公開日2011年4月6日 申請日期2010年9月9日 優(yōu)先權日2010年9月9日
發(fā)明者何云濤, 華厚強, 歐軍, 江月松 申請人:北京航空航天大學