[发明专利]基于飞秒光频梳的正弦相位调制干涉绝对测距装置与方法

说明书

本发明公开了一种基于飞秒光频梳的正弦相位调制干涉绝对测距装置与方法。包括光源系统、正弦相位调制干涉系统和信号处理系统；光源系统输出包含不同波长的两路激光光束，射向正弦相位调制干涉系统，干涉光束射向信号处理系统进行相位解调，根据频率扫描干涉和多波长干涉原理得到待测距离；FSI中频率扫描范围和MWI中每个波长的值都由飞秒光频梳标定，将距离测量直接溯源至时间频率基准。本发明光路结构简单、测量范围大、精度高，可用于大型装备制造、精密计量等领域。

技术领域

本发明属于激光干涉绝对距离测量技术领域，具体涉及到一种基于飞秒光频梳的正弦相位调制干涉绝对测距装置与方法。

背景技术

随着我国先进制造业水平的不断提高，大型精密机床的测量、大型飞机轮船的装配、汽轮机和水轮机主轴长度的测量、卫星编队飞行中卫星位置监测等应用迫切需求大范围、高精度的绝对距离测量技术。飞行时间法和基于合成波长的干涉法是实现绝对距离测量的两大类方法。飞行时间法受时间测量精度的限制，距离测量精度只能达到毫米量级。基于合成波长的干涉法中合成波长可用多台不同波长的激光器通过多波长干涉法(MWI)构建，但光源结构复杂、灵活性差；也可用一台可调谐激光器通过频率扫描干涉法(FSI)得到，然而目前常用的可调谐激光器的频率扫描范围将合成波长限制在毫米级，从而限制了距离测量精度；将FSI与MWI相结合，FSI作为粗测，MWI作为精测，构建一系列从大到小的合成波长，可实现大范围、高精度的绝对距离测量。FSI与MWI相结合进行绝对距离测量的关键问题是：频率扫描范围和各波长值的标定、频率扫描或波长调节过程中目标漂移的补偿以及相位的精确解调。

传统的频率扫描范围和各波长值的标定方法大多采用FP干涉仪或分子吸收线法，采用FP干涉仪频率标定精度较低，而分子吸收线只有某些固定频率可用，使用不灵活。飞秒光频梳的出现是激光光源技术的一次重大飞跃，建立了光学频率和微波频率之间的桥梁，飞秒光频梳的频率稳定性可达10^-12，且频谱成分丰富，频带宽度可达几十THz，各频率成分以重复频率为间隔均匀分布。FSI中的频率扫描范围和MWI中各激光的波长通过飞秒光频梳标定，不但能大大提高激光波长的稳定性，还可将距离测量直接溯源至时间频率基准。频率扫描和波长调节过程中目标的漂移引起的干涉条纹变化会被误认为合成波长干涉条纹，乘以放大因子A＝合成波长/激光波长，产生测量误差，故频率扫描和波长调节过程中目标漂移的补偿至关重要。FSI和MWI中的相位解调方法可分为外差探测法和零差探测法两大类，外差探测中工作光源为一对具有微小频差的正交线偏振光，一般通过声光调制器移频再经过偏振分光镜合光得到，光路结构较复杂，且光源的非理想正交和偏振分光镜引起的偏振泄露会引入非线性解调误差。零差探测法可分为有源零差法、无源零差法和相位生成载波(PGC)零差法。有源零差法采用光路方法实现正交偏置，为了减小信号衰落带来的影响，需要在干涉仪中加入移相器进行反馈控制，使得干涉仪工作在正交工作点处，该方法动态范围小，且工作环境带来的初相漂移影响其低频解调特性；无源零差法采用电路方法实现正交偏置，其代表是3×3耦合器法，无需在干涉仪中加入移相器，但干涉仪的随机相位衰落导致输出信号信噪比随机涨落，甚至信号完全消隐。PGC零差法是在干涉信号中引入一个解调信号带宽外的高频周期性信号，克服了有源零差法中动态范围小，闭环容易产生振荡现象等不足，同时克服了无源零差解调中环境带来的信号衰落问题，具有动态范围大、灵敏度高、线性度好、测相精度高等优点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于飞秒光频梳的正弦相位调制干涉绝对测距装置与方法，光路结构简单、测量范围大、精度高，可用于大型装备制造、精密计量等领域。