專利名稱：一種超短脈沖激光測距系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種距離測量系統(tǒng)，特別是關于一種用于絕對距離測量的超短脈沖激光測距系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的激光干涉測量是一種增量式的距離測量方式，需要在基線和目標物體之間架設導軌，測量過程中目標物體需要沿導軌作連續(xù)運動。而激光絕對距離測量(無導軌距離測量)是一種直接測量基線到目標物體之間距離的方法，相對于前者具有適用范圍廣、 操作簡單等優(yōu)點，因此在工業(yè)和航天領域具有很強的應用需求和前景，一方面在高速鐵路、 大型飛機、核電與風電等大型機械裝備系統(tǒng)中，需要對高精度大尺寸的幾何量進行精確測量；另一方面，在航天領域中監(jiān)測飛行中的衛(wèi)星編隊的位置和姿態(tài)也離不開大量程、高精度的絕對距離測量。傳統(tǒng)的激光絕對距離測量技術(shù)包括多波長激光干涉測量技術(shù)、脈沖式激光測距技術(shù)和相位式激光測距技術(shù)等。其中，多波長激光干涉測量技術(shù)的測量精度很高可達微米級， 但是測量范圍受限于合成波長的長度，而且測量原理和裝置都比較復雜，不利于在工業(yè)和航天領域使用。傳統(tǒng)的脈沖式激光測距技術(shù)和相位式激光測距技術(shù)已經(jīng)很成熟，并且早已有相關的產(chǎn)品問世，這兩種技術(shù)測量范圍較大可以達到百米以上量級，但是測量精度較低一般在毫米級。因此，現(xiàn)有的激光絕對距離測量技術(shù)難以滿足工業(yè)和航天領域中大量程、高精度的測量要求。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種精度高、量程大且測量速度快的用于絕對距離測量的超短脈沖激光測距系統(tǒng)。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種超短脈沖激光測距系統(tǒng)，其特征在于它包括兩頻率基準源、兩激光器、兩半波片、一干涉系統(tǒng)、一分光鏡、一光電探測器、一互相關平衡探測裝置和一信號處理裝置；所述兩頻率基準源分別鎖定所述兩激光器的重復頻率，其中一所述激光器發(fā)出的激光經(jīng)一所述半波片后再經(jīng)所述干涉系統(tǒng)出射；另一所述激光器發(fā)出的激光經(jīng)另一所述半波片后與所述干涉系統(tǒng)出射的激光在所述分光鏡處匯合后并分成兩束激光，其中一束激光由所述光電探測器探測并轉(zhuǎn)化為電信號后發(fā)送至所述信號處理裝置，另外一束激光由所述互相關平衡探測裝置探測并轉(zhuǎn)化為電信號后發(fā)送至所述信號處理裝置，所述信號處理裝置將接收到的兩組信號進行計算進而得到距離的測量值。所述互相關平衡探測裝置包括兩不同的分色鏡、一 PPKTP倍頻晶體、一平衡探測器和一反射鏡；基頻光發(fā)射到與光傳播方向成45度角的所述分色鏡中，所述分色鏡對基頻光全部透射，透射的部分基頻光經(jīng)所述PPKTP倍頻晶體倍頻后和剩余的基頻光一起發(fā)射到所述另一分色鏡，所述另一分色鏡對倍頻光透射而對基頻光反射，透射的倍頻光被所述平衡探測器探測接收，基頻光被所述另一分色鏡反射按原路返回，返回的部分基頻光經(jīng)所述PPKTP倍頻晶體再次倍頻，新的倍頻光被所述分色鏡與設置在所述分色鏡下方且與其成45 度角的所述反射鏡依次反射后由所述平衡探測器探測接收。所述互相關平衡探測裝置包括兩個透射基頻光且反射倍頻光的分色鏡、一 PPKTP 倍頻晶體、一平衡探測器和三個反射鏡；基頻光發(fā)射到與光傳播方向成45度角的所述分色鏡后，部分基頻光被所述PPKTP晶體倍頻，倍頻光被與光傳播方向成135度角的所述另一分色鏡與設置在所述分色鏡正下方且與所述分色鏡平行的所述反射鏡反射后被所述平衡探測器探測；基頻光透過所述另一分色鏡后經(jīng)一垂直于光傳播方向且豎直放置的所述反射鏡反射后原路返回，返回的部分基頻光經(jīng)過所述PPKTP晶體時再次倍頻，新的倍頻光被所述分色鏡與設置在所述分色鏡下方且與所述分色鏡成45度角的所述反射鏡依次反射后被所述平衡探測器探測接收。所述信號處理裝置包括一 A/D轉(zhuǎn)換器、一中央處理單元、一計時單元和一數(shù)據(jù)存儲顯示單元；所述A/D轉(zhuǎn)換器將分別接收到的所述光電探測器和互相關平衡探測裝置的電信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)化后發(fā)送給所述中央處理單元，所述中央處理單元同時得到所述光電探測器和互相關平衡探測器的信號幅值，所述中央處理單元通過監(jiān)測所述光電探測器的信號幅值
C χ
進而控制所述計時單元計時并通過計算得到時間間隔τ，根據(jù)公式Z= &進一步計算得到
需要測量的距離L，最后將測量結(jié)果發(fā)送到所述數(shù)據(jù)存儲顯示單元，式中，c為真空中光速， η為空氣折射率。所述兩頻率基準源采用兩個獨立的精密頻率基準源或有雙路輸出的單個精密頻率基準源；所述頻率基準源采用頻率相對穩(wěn)定度優(yōu)于10—9的精密頻率基準源；兩所述激光器均采用超短脈沖鎖模激光器。所述干涉系統(tǒng)采用邁克爾遜干涉系統(tǒng)和馬赫-曾德干涉系統(tǒng)中的一種。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明由于采用頻率基準源對超短脈沖鎖模激光器進行精密的重復頻率鎖定，因此發(fā)出的激光脈沖序列具有非常穩(wěn)定的重復頻率，而且在頻域上具有穩(wěn)定的頻率間隔，能很好地用于絕對距離測量中。2、本發(fā)明由于采用一對有微小重頻差的超短脈沖鎖模激光器作為光源，因此可以實現(xiàn)米級的測量范圍，并且測量速度快可以達到每秒測量數(shù)千次，若配備傳統(tǒng)激光測距儀粗測，可將量程擴大至百米甚至千米量級。3、本發(fā)明由于采用互相關平衡探測裝置，對于時間間隔的測量精度可以達到飛秒甚至亞飛秒級，對應距離的測量精度可以達到亞微米量級。本發(fā)明可以廣泛應用于絕對距離測量中。


圖1是本發(fā)明的超短脈沖激光測距系統(tǒng)光路示意圖；圖2是本發(fā)明兩個激光器發(fā)出的激光脈沖序列示意圖；圖3是本發(fā)明的互相關平衡探測裝置另一結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明兩個激光器的激光脈沖序列在經(jīng)過分光鏡8后的空間分布示意圖； 其中，黑色空心細線條塊表示參考臂脈沖序列，黑色實心條塊表示測量臂脈沖序列，黑色空心粗線條塊表示本機振蕩脈沖序列，虛線框標出了脈沖疊加的位置；圖5是本發(fā)明被測兩脈沖的時間差Δ t與信號幅值的標定曲線。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。如圖1所示，本發(fā)明包括兩精密的頻率基準源1、2，兩激光器3、4，兩半波片5、6， 一邁克爾遜干涉系統(tǒng)7，一分光鏡8，一光電探測器9，一互相關平衡探測裝置10和一信號處理裝置11。其中，邁克爾遜干涉系統(tǒng)7包括一分光鏡71和兩角反射鏡72、73(圖中上側(cè)虛框內(nèi))；互相關平衡探測裝置10包括兩分色鏡101、102、一 PPKTP倍頻晶體103(第II類相位匹配倍頻晶體)、一平衡探測器104和一反射鏡105(圖中中間虛框內(nèi))；信號處理裝置11包括一 A/D轉(zhuǎn)換器111、一中央處理單元112、一計時單元113和一數(shù)據(jù)存儲顯示單元 114(圖中下側(cè)虛框內(nèi))。進行距離測量時，兩頻率基準源1、2分別鎖定兩激光器3、4的重復頻率，目的是使兩激光器3、4發(fā)出的激光具有非常穩(wěn)定的重復頻率和頻率間隔。激光器3發(fā)出激光經(jīng)垂直于光傳播方向且豎直放置的半波片5發(fā)射到邁克爾遜干涉系統(tǒng)7中，邁克爾遜干涉系統(tǒng)7 中的一與光傳播方向成45度角的分光鏡71把接收到的激光分成兩部分，一部分發(fā)射到設置在分光鏡71正上方的角反射鏡72中，一部分透射到與分光鏡71在同一水平方向的角反射鏡73中，經(jīng)角反射鏡72、73反射回的激光在分光鏡71處匯合并被反射。激光器4發(fā)出的激光經(jīng)另一垂直于光傳播方向且豎直放置的半波片6與分光鏡71反射的激光經(jīng)一設置在分光鏡71正下方且與激光器4發(fā)出的光傳播方向成135度角的分光鏡8匯合后分成兩束激光，其中一束激光被光電探測器9探測，另外一束激光發(fā)射到互相關平衡探測裝置10。本發(fā)明定義進入互相關平衡探測裝置10之前的激光為基頻光，倍頻后的激光為倍頻光，該基頻光發(fā)射到互相關平衡探測裝置10中，互相關平衡探測裝置10中與光傳播方向成45度角的分色鏡101對基頻光全部透射，透射的基頻光傳輸?shù)絇I3KTP倍頻晶體103中， 部分基頻光被轉(zhuǎn)換成倍頻光，倍頻光和剩余的基頻光一起發(fā)射到垂直光傳播方向且豎直放置的分色鏡102，分色鏡102對倍頻光透射而對基頻光反射，經(jīng)分色鏡102透射的倍頻光被平衡探測器104的其中一路探測接收；基頻光被分色鏡102反射后按原路返回，原路返回的基頻光中的部分基頻光經(jīng)過PI3KTP倍頻晶體103再次倍頻，新產(chǎn)生的倍頻光被分色鏡101 和設置在分色鏡101下方且與其成45度角的反射鏡105依次反射后由平衡探測器104的另外一路探測接收。光電探測器9和平衡探測器104將探測到的信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器111進行A/D轉(zhuǎn)換后發(fā)送到中央處理單元112，中央處理單元112通過監(jiān)測光電探測器9的信號幅值進而控制計時單元113對有關參數(shù)進行測量和計算，把計算得到的結(jié)果發(fā)送到數(shù)據(jù)存儲顯示單元114中。 如圖2所示，上述實施例中，本發(fā)明的頻率基準源1、2可以采用兩個獨立的頻率基準源，也可以采用有雙路輸出的單個頻率基準源；本發(fā)明的頻率基準源1、2均采用頻率相對穩(wěn)定度優(yōu)于10_9的精密頻率基準源，例如原子鐘。兩個頻率基準源1、2分別鎖定激光器 3、4的重復頻率，其在時域上的重復周期分別記為Tri和Trf，周期差記為Δ Tr,假設重復頻率分別為50MHz和50. 002MHz,即二者重復頻率差為2kHz。上述實施例中，本發(fā)明的激光器3、4均采用超短脈沖鎖模激光器，例如皮秒激光器或飛秒激光器等。上述實施例中，半波片5用于調(diào)整激光器3發(fā)出的激光的偏振方向，使得激光器3發(fā)出激光的偏振方向與PI3KTP倍頻晶體103的本征偏振方向匹配；半波片6用于調(diào)整從激光器4發(fā)出激光的偏振方向，使之與激光器3發(fā)出的激光的偏振方向垂直。上述實施例中，在對距離進行測量時，本發(fā)明定義角反射鏡72為參考鏡，固定不動，角反射鏡73為測量鏡，放置在要測量的位置處。角反射鏡72關于分光鏡71的鏡面對稱位置標記記為基線位置(如圖1中所示的點劃線)，角反射鏡73到基線的距離L即為測量距離(如圖1所示)。上述實施例中，PI3KTP倍頻晶體103選用周期極化磷酸鈦鉀晶體，PPKTP倍頻晶體 103的效率決定有多少比例的基頻光在經(jīng)過PPKTP倍頻晶體103后被倍頻。例如PPKTP倍頻晶體103的效率為30%，則基頻光進入PI3KTP倍頻晶體103有30%的基頻光被轉(zhuǎn)成倍頻光。上述實施例中，平衡探測器104是由兩個光電探測器和相應的電路組成。上述實施例中，中央處理單元112可以選擇使用計算機、單片機、數(shù)字信號處理器 (DSP)或可編程邏輯器件(FPGA、CPLD等)實現(xiàn)對測量數(shù)據(jù)的處理。如圖3所示，上述實施例中，互相關平衡探測裝置10中采用的兩個分色鏡101、102 的功能是不同的，分色鏡101對基頻光透射對倍頻光反射，分色鏡102對倍頻光透射而對基頻光反射，本發(fā)明還可以有采用兩個功能相同的分色鏡來實現(xiàn)此裝置的功能，具體方式如下采用兩個功能相同的分色鏡101、102，兩個分色鏡101、102都是對基頻光透射對倍頻光反射，入射的基頻光透過與光傳播方向成45度角的分色鏡101后，部分基頻光被PHiTP晶體103倍頻，倍頻光被設置在與光傳播方向成135度角的分色鏡102和設置在分色鏡102 正下方且與分色鏡102平行的反射鏡106反射后被平衡探測器104的其中一路探測接收； 基頻光透過分色鏡101后經(jīng)垂直于光傳播方向且豎直放置的反射鏡107反射后原路返回， 按原路返回的部分基頻光經(jīng)過PPKTP晶體103時再次被倍頻，新產(chǎn)生的倍頻光被分色鏡101 和設置在分色鏡101正下方且與其成45度角的反射鏡105依次反射后被平衡探測器104 的另外一路探測接收，該裝置與原裝置相比多使用了兩個反射鏡106、107。上述各實施例中，在實際的三維空間中擺放各部件時可在實現(xiàn)所述功能的前提下自由調(diào)整。根據(jù)上述超短脈沖激光測距系統(tǒng)，對距離的測量過程如下如圖4所示，當測量的距離L不為零時，從兩個角反射鏡72、73返回的激光會有一
C T
定的時間間隔τ。若能精確測量出這個時間間隔τ，可以根據(jù)公式Z=&計算出需要測量
的距離L，其中，c為真空中光速，η為空氣折射率。在測量距離L的過程中，入射到互相關平衡探測裝置10之前的光為兩正交的線偏振激光，其中一激光脈沖序列里包含參考臂脈沖序列和測量臂脈沖序列，另一激光脈沖序列為本機振蕩脈沖。本發(fā)明定義角反射鏡72返回的激光脈沖序列為參考臂脈沖序列(如圖4上面所示的黑色空心細線條塊)，定義反射鏡73返回的激光脈沖序列為測量臂脈沖序列(如圖4 上面所示的黑色實心條塊)，定義激光器4發(fā)出的激光脈沖序列為本機振蕩脈沖序列(如圖 4下面所示的黑色空心粗線條塊)。經(jīng)過分光鏡8之后，參考臂脈沖序列和測量臂脈沖序列與本機振蕩脈沖序列發(fā)生混合，由于兩個激光器3、4重復頻率差的存在，本機振蕩脈沖序列中的各個脈沖與參考臂脈沖序列中的各個脈沖和測量臂脈沖序列中的各個脈沖都會分別經(jīng)歷從分離到逐漸靠近， 然后疊加，再逐漸遠離的過程，而且每經(jīng)過一段廠= #的時間，上述過程會重復一次。
上述現(xiàn)象在分光鏡8的透射光束和反射光束中均存在，而且完全相同。如圖4所示，當發(fā)生兩個脈沖疊加時僅考慮兩脈沖發(fā)生最大疊加的情況，即此時兩個脈沖疊加的幅值最大、兩脈沖中心之間的時間差最小。假設第k個本機振蕩脈沖與第 j個參考臂脈沖發(fā)生了最大疊加，將這兩個脈沖中心之間的時間間隔記為τ工，經(jīng)過m個Trt 的時間之后，第k+m個本機振蕩脈沖與第j+m-1個測量臂脈沖發(fā)生最大疊加，并將這兩脈沖中心之間的時間間隔記為τ2。而此時，第k+m個本機振蕩脈沖與第j+m個參考臂脈沖之間的時間差為πιΔ ；+ τ ”由此可得到第j+m個參考臂脈沖和第j+m_l個測量臂脈沖之間的時間差為mAi;+Tl+T2。因此測量距離L的參考臂脈沖與相應的測量臂脈沖的時間間隔τ 由下式計算得到
權(quán)利要求
1.一種超短脈沖激光測距系統(tǒng)，其特征在于它包括兩頻率基準源、兩激光器、兩半波片、一干涉系統(tǒng)、一分光鏡、一光電探測器、一互相關平衡探測裝置和一信號處理裝置；所述兩頻率基準源分別鎖定所述兩激光器的重復頻率，其中一所述激光器發(fā)出的激光經(jīng)一所述半波片后再經(jīng)所述干涉系統(tǒng)出射；另一所述激光器發(fā)出的激光經(jīng)另一所述半波片后與所述干涉系統(tǒng)出射的激光在所述分光鏡處匯合后并分成兩束激光，其中一束激光由所述光電探測器探測并轉(zhuǎn)化為電信號后發(fā)送至所述信號處理裝置，另外一束激光由所述互相關平衡探測裝置探測并轉(zhuǎn)化為電信號后發(fā)送至所述信號處理裝置，所述信號處理裝置將接收到的兩組信號進行計算進而得到距離的測量值。
2.如權(quán)利要求1所述的一種超短脈沖激光測距系統(tǒng)，其特征在于所述互相關平衡探測裝置包括兩不同的分色鏡、一 PPKTP倍頻晶體、一平衡探測器和一反射鏡；基頻光發(fā)射到與光傳播方向成45度角的所述分色鏡中，所述分色鏡對基頻光全部透射，透射的部分基頻光經(jīng)所述PPKTP倍頻晶體倍頻后和剩余的基頻光一起發(fā)射到所述另一分色鏡，所述另一分色鏡對倍頻光透射而對基頻光反射，透射的倍頻光被所述平衡探測器探測接收，基頻光被所述另一分色鏡反射按原路返回，返回的部分基頻光經(jīng)所述PI3KTP倍頻晶體再次倍頻，新的倍頻光被所述分色鏡與設置在所述分色鏡下方且與其成45度角的所述反射鏡依次反射后由所述平衡探測器探測接收。
3.如權(quán)利要求1所述的一種超短脈沖激光測距系統(tǒng)，其特征在于所述互相關平衡探測裝置包括兩個透射基頻光且反射倍頻光的分色鏡、一 PPKTP倍頻晶體、一平衡探測器和三個反射鏡；基頻光發(fā)射到與光傳播方向成45度角的所述分色鏡后，部分基頻光被所述 PPKTP晶體倍頻，倍頻光被與光傳播方向成135度角的所述另一分色鏡與設置在所述分色鏡正下方且與所述分色鏡平行的所述反射鏡反射后被所述平衡探測器探測；基頻光透過所述另一分色鏡后經(jīng)一垂直于光傳播方向且豎直放置的所述反射鏡反射后原路返回，返回的部分基頻光經(jīng)過所述PPKTP晶體時再次倍頻，新的倍頻光被所述分色鏡與設置在所述分色鏡下方且與所述分色鏡成45度角的所述反射鏡依次反射后被所述平衡探測器探測接收。
4.如權(quán)利要求1或2或3所述的一種超短脈沖激光測距系統(tǒng)，其特征在于所述信號處理裝置包括一 A/D轉(zhuǎn)換器、一中央處理單元、一計時單元和一數(shù)據(jù)存儲顯示單元；所述A/ D轉(zhuǎn)換器將分別接收到的所述光電探測器和互相關平衡探測裝置的電信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)化后發(fā)送給所述中央處理單元，所述中央處理單元同時得到所述光電探測器和互相關平衡探測器的信號幅值，所述中央處理單元通過監(jiān)測所述光電探測器的信號幅值進而控制所述計時單元計時并通過計算得到時間間隔τ，根據(jù)公式L =ct/2n ;進一步計算得到需要測量的距離L，最后將測量結(jié)果發(fā)送到所述數(shù)據(jù)存儲顯示單元，式中，c為真空中光速，η為空氣折射率。
5.如權(quán)利要求1或2或3所述的一種超短脈沖激光測距系統(tǒng)，其特征在于所述兩頻率基準源采用兩個獨立的精密頻率基準源或有雙路輸出的單個精密頻率基準源；所述頻率基準源采用頻率相對穩(wěn)定度優(yōu)于10_9的精密頻率基準源；兩所述激光器均采用超短脈沖鎖模激光器。
6.如權(quán)利要求4所述的一種超短脈沖激光測距系統(tǒng)，其特征在于所述兩頻率基準源采用兩個獨立的精密頻率基準源或有雙路輸出的單個精密頻率基準源；所述頻率基準源采用頻率相對穩(wěn)定度優(yōu)于10_9的精密頻率基準源；兩所述激光器均采用超短脈沖鎖模激光器。
7.如權(quán)利要求1或2或3或6所述的一種超短脈沖激光測距系統(tǒng)，其特征在于所述干涉系統(tǒng)采用邁克爾遜干涉系統(tǒng)和馬赫-曾德干涉系統(tǒng)中的一種。
8.如權(quán)利要求4所述的一種超短脈沖激光測距系統(tǒng)，其特征在于所述干涉系統(tǒng)采用邁克爾遜干涉系統(tǒng)和馬赫-曾德干涉系統(tǒng)中的一種。
9.如權(quán)利要求5所述的一種超短脈沖激光測距系統(tǒng)，其特征在于所述干涉系統(tǒng)采用邁克爾遜干涉系統(tǒng)和馬赫-曾德干涉系統(tǒng)中的一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超短脈沖激光測距系統(tǒng)，其特征在于它包括兩頻率基準源、兩激光器、兩半波片、一干涉系統(tǒng)、一分光鏡、一光電探測器、一互相關平衡探測裝置和一信號處理裝置；兩頻率基準源分別鎖定兩激光器的重復頻率，其中一激光器發(fā)出的激光經(jīng)一半波片發(fā)射到干涉系統(tǒng)中；另一激光器發(fā)出的激光經(jīng)另一半波片后與干涉系統(tǒng)中發(fā)射的激光在分光鏡處匯合后并分成兩束激光，其中一束激光由光電探測器探測并轉(zhuǎn)化為電信號后發(fā)送至信號處理裝置，另外一束激光由互相關平衡探測裝置探測并轉(zhuǎn)化為電信號后發(fā)送至信號處理裝置，信號處理裝置將接收到的兩組信號進行計算進而得到距離的測量值。本發(fā)明具有精度高、量程大以及測速快的優(yōu)點，可以廣泛應用于絕對距離測量中。
文檔編號G01C3/00GK102278973SQ20111019490
公開日2011年12月14日 申請日期2011年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月12日
發(fā)明者吳冠豪 申請人:清華大學