[发明专利]锁至动态边带的可变合成波长绝对距离测量装置与方法

权利要求书

1.一种锁至动态边带的可变合成波长绝对距离测量方法，其特征在于：

可变合成波长绝对距离测量装置包括参考激光器(1)、第一光纤分束器(2)、高频电光相位调制器(3)、正交光纤合束器(4)、高频放大器(10)、可调时钟源(11)、原子钟(12)、偏频探测及锁定控制器(13)、可调谐激光器(14)、第二光纤分束器(15)、光纤合束器(16)和弦相位调制干涉仪；参考激光器(1)的输出端连接至第一光纤分束器(2)的输入端，第一光纤分束器(2)的输出端分别连接至高频电光相位调制器(3)的一个输入端和正交光纤合束器(4)的一个输入端；可调时钟源(11)的输出端连接至高频放大器(10)的输入端，高频放大器(10)的输出端连接至高频电光相位调制器(3)的另一个输入端，高频电光相位调制器(3)的输出端连接至光纤合束器(16)的输入端；可调谐激光器(14)的输出端连接至第二光纤分束器(15)的输入端，第二光纤分束器(15)的输出端分别连接至光纤合束器(16)的另一个输入端和正交光纤合束器(4)的另一个输入端；光纤合束器(16)的输出端连接到偏频探测及锁定控制器(13)的输入端，偏频锁定控制器(13)的输出端连接至可调谐激光器(14)的输入端；正交光纤合束器(4)的输出端连接至耦合器(5)的输入端；耦合器(5)输出到正弦相位调制干涉仪，原子钟(12)的输出端连接至可调时钟源(11)和偏频探测及锁定控制器(13)的输入端；

方法应用于可变合成波长绝对距离测量装置，包括如下步骤：

1)使用高频电光相位调制器(3)对单频的参考激光器(1)输出的激光进行高频正弦相位调制，产生等频率间隔的激光边带，表示如下：

f_EOM＝f₁+k·f_r

其中，f₁表示参考激光器(1)的激光频率，f_r表示高频电光相位调制器(3)的调制频率，k表示调制产生的激光边带的阶数，k＝0,±1,±2,……；

2)可调谐激光器(14)输出的激光与参考激光器(1)经高频电光相位调制器(3)调制后输出的激光边带经光纤合束器(16)合光拍频，通过偏频探测及锁定控制器(13)将可调谐激光器(14)锁定至第N阶激光边带，可调谐激光器(14)和参考激光器(1)的频率关系表示如下：

f₂＝f₁+f_b

f_b＝Nf_r+f_o

其中，f₂表示可调谐激光器(14)的激光频率，f_b表示可调谐激光器(14)与参考激光器(1)的频差，f_o表示可调谐激光器(14)与第N边带的锁定偏置频率；

对高频电光相位调制器(3)的调制频率f_r进行频率动态调整，产生间隔频率可变的边带即动态边带，后续共进行M次频率动态调整，i表示频率动态调整次数的序号(i＝1,2,3……M)，每次动态调整后高频电光相位调制器(3)调制频率记为f_r[i]，其中f_r[0]表示初始频率；第i次频率动态调整时可调谐激光器(14)与参考激光器(1)的频差计算为：

f_b[i]＝Nf_r[i]+f_o

其中，f_b[i]表示第i次频率动态调整时可调谐激光器(14)与参考激光器(1)的动态频差；

可调谐激光器(14)的频率计算为：

f_2[i]＝f₁+f_b[i]＝f₁+Nf_r[i]+f_o

其中，f_2[i]表示第i次频率动态调整时可调谐激光器(14)的动态频率；

3)使用正交光纤合束器(4)将参考激光器(1)与可调谐激光器(14)的激光合为一束正交线偏振光，入射至正弦相位调制干涉仪测量模块进行绝对距离测量,构建合成波长λ_s[i]，公式如下：

λ_2[i]＝c/f_2[i]，λ₁＝c/f₁

其中，λ₁为参考激光器(1)的激光波长、λ_2[i]为第i次调整高频电光相位调制器(3)调制频率后可调谐激光器的激光波长，c表示真空光速；

合成波长的大小由高频电光相位调制器(3)调制频率f_r[i]决定，每次动态调整高频电光相位调制器(3)的调制频率f_r[i]后，用第i次的合成波长与第i-1次的合成波长来构建二阶合成波长λ_ss[i]，公式如下：

Δf_r[i]＝f_r[i]-f_r[i-1]

其中，Δf_r[i]表示高频电光相位调制器(3)第i次的频率动态调整增量，Δf_r[i]0；

4)正弦相位调制干涉仪测量模块中，参考激光器(1)和可调谐激光器(14)的干涉信号分别经两个光电探测器(18、19)探测后，再经模数转换器(20、21)采样后进入现场可编程门阵列信号处理器(22)进行相位解调，得到两路干涉信号相位，计算合成波长的相位和二阶合成波长的相位分别为：

其中，L表示正弦相位调制干涉仪中测量镜(9)的待测距离，表示参考激光器的干涉信号相位，和分别表示第i次调整高频电光相位调制器(3)调制频率后可调谐激光器的干涉信号相位、合成波长相位和二阶合成波长相位；

5)高频电光相位调制器(3)的调制频率第i＝1次动态调整后，根据二阶合成波长和对应相位求得对应的绝对距离的初测测量结果，公式如下：

高频电光相位调制器(3)调制频率第i次动态调整后，i1，根据合成波长过渡理论，绝对距离的测量结果表示如下：

其中，int[]表示向上取整；

6)重复完成步骤3)、4)、5)一共进行重复进行M次，最终获得测量结果为最后一次的绝对距离L_M。