[实用新型]基于OEO快速切换的大量程、高精度绝对距离测量仪器

说明书

本实用新型公开了一种基于OEO快速切换的大量程、高精度绝对距离测量仪器，包括仪器内部延时模块和环路切换模块，所述仪器内部延时模块与环路切换模块之间通过光纤和电缆连接成一个双腔切换的光电振荡器结构。本实用新型有益效果：利用OEO将积累放大原理应用于大量程绝对距离长度的测量方案，可以进行大范围的绝对距离测量（km量级），可以达到很高的测量精度（mm量级）；操作简单易行，可广泛应用于工业测控，精密仪器制造等领域，此外由于本测距系统抗干扰能力强，隐蔽性好，在军事领域也有极好的应用前景。

技术领域

本实用新型涉及光载微波测距系统，具体来说，涉及一种基于OEO快速切换的大量程、高精度绝对距离测量仪器。

背景技术

测量技术的发展是所有科学和技术发展的前提和基础，长度作为7个基础物理量之一，它和角度测量构成了所有几何量测量的基础，其发展决定了人类认识世界和改造世界的能力，也是衡量一个国家的测量技术水平的标志。

尽管目前采用激光干涉仪的办法已可以在几十米的范围内达到nm的测量精度，但是只能测量距离的相对变化(又称为相对距离测量)，这样就要求有一个比被测物体大的精密导轨，而这个导轨的测量和加工就是个问题，况且在很多场合下，根本无法安置导轨，能够直接测量两点距离的测量技术就非常重要了，又称作绝对距离测量。

而近年来随着科学、技术的发展，科学研究、生产建设对大量程、高精度的距离测量提出了越来越迫切的需求，如：大型设备、构件的生产、装配和运行监控；地球重力场研究；我国空间探索、导航等领域的需要等等。

传统的激光测距原理共分为3类：脉冲飞行时间法、相位法和干涉法，其中，脉冲飞行时间法测距是激光在测距领域的最早应用，利用了激光脉冲持续时间极短、瞬时功率很大的特点，有着很大的测试范围，但其测试精度与分辨率却很低，限制了其发展应用；相位法激光测距是利用发射的调制光和被测目标反射的接收光之间的相位差包含的距离信息，来实现对被测目标距离的测量，其测试精度受到调制频率高低和鉴相精度的影响，而且存在模糊距离，需要采用多频率调制的办法来扩展测量的范围；干涉法测距是经典的精密测距方法，原则上它也是一种相位法测距，但它不是通过测量激光调制信号的相位差，而是测量光波本身的相位干涉来测距，但传统的干涉法在测量时只能得到距离的相对变化，无法获取真实的距离信息，在大量程绝对距离测量中需要采用多个波长测量的方法，即合成波长法或者调频光源法。

最近，飞秒锁模激光器的高速发展为高精度长距离绝对距离测量提供了更多的选择方案，利用频率梳在线宽和绝对频率位置方面的独特优势，可以提高干涉测量技术的测量精度与测量范围，然而，这种方法很大程度的依赖脉冲重复速率的稳定性和对脉冲包络相位的检测精度。

目前对大距离高精度绝对长度的测量方法主要将距离的测量转换为时间的测量(飞行时间法)或相位的测量(相位测量法和干涉法)，通过不断提高测量分辨率得到更加精确的测量结果，测试分辨率的要求越高，技术难度也越大，对于其它干扰因素的敏感性也就越高。

事实上，还有一种行之有效的测量方法，通过将被测量放大后进行测量，则可用相对较低分辨率的测试方法得到很高精度的测量结果，即积累放大原理，如经典钟摆周期测试，通过多周期的摆动时间测试，即使采用普通秒表，仍旧可以得到极高精度的测试结果。

针对大距离、高精度绝对距离测量，可以采用如下的思路：由被测距离构成谐振腔，形成谐振后，腔长(即被测长度)决定了谐振腔的基频f_b，此时基频的检测精度就是长度测量精度。考虑到基频是信号在腔内往返时间的倒数，这意味着基频测量实际上与飞行时间法的难度是一样的，例如，在500m长度(基频300kHz)上要达到1μm的精度，频率检测精度要达到0.0006Hz。但当谐振腔振荡在高次谐波时，实际谐振频率f_N＝N×f_b，则基频的变化就被放大了N倍，同样在500m长度达到1μm的精度，当谐振频率振荡在30GHz时(N＝10⁵)，频率的测量精度只需60Hz即可。要实现上面的设想，对谐振腔有两个个要求：