[发明专利]一种消除双光梳频谱混叠的方法及系统

说明书

本发明涉及一种消除双光梳频谱混叠的激光测距方法及系统，该系统包括第一光梳，所述第一光梳发出信号光脉冲经第一分光镜后一束光入射到参考镜，另一束光入射到测量镜，参考镜和测量镜反射的光经第一分光镜出射到第二分光镜；第二光梳，所述第二光梳发出本振光脉冲入射到第二分光镜并与经第一分光镜出射的光进行干涉；第一带通滤波片，用于获取经第二分光镜出射的一部分光在某一频率范围内的频率分量；第二带通滤波片，用于获取经第二分光镜出射的另一部分光在另一频率范围内的频率分量；信号处理器，用于对获取的频率分量信号进行处理完成距离测量。

技术领域

本发明是关于一种消除双光梳频谱混叠的方法及系统，涉及光学精密计量技术领域。

背景技术

绝对距离测量在大型精密机械制造、航空航天领域中具有重要应用。传统的脉冲激光测距或干涉测距技术无法适用于大量程、高精度、高速率的绝对距离测量。本世纪诞生的新型激光光源——飞秒激光频率梳，简称光频梳或光梳，具有宽光谱、多纵模、高相干性、窄线宽等特性。光频梳的出现促进了精密计量技术的快速发展。作为时域和频域的精密光尺，光频梳在光学计量领域有着广泛的应用，其中绝对距离测量是其主要的应用方向之一。双光梳测距技术是基于光频梳的一种测距方法。该方法使用两台具有微小重复频率之差(重频差)的相干光梳作为光源，可以兼顾数米非模糊距离、亚微米的测量精度和高测距速率。

双光梳测距系统的精度与光源频率稳定性直接相关，因此通常要求测量过程中保持两台光频梳的重复频率(重频)恒定，并锁定到频率基准上。但是激光器的腔长通常受到环境温度、应力等因素的影响，这就需要不断测量光频梳重频，将其与标准频率源比较，产生的差频作为误差信号输入PID控制器产生反馈信号。反馈信号通过温控装置以及压电陶瓷(PZT)调节激光器腔长，实现重频的精密锁定，但是这种方法由于系统复杂、成本高且容易失锁，调节精度又受PID反馈带宽限制，导致其在很多应用场景不适用。

近年来也出现了无需频率锁定自由运行的双光梳系统，它采用自由运行的光频梳作为光源，无需锁定重频，只需测量重频，然后对测距结果进行修正，就能够实现与重频锁定的双光梳相类似的测量精度。与重频锁定的双光梳相比，自由运行的双光梳系统成本低，对使用环境的要求宽松，在绝对距离测量、光谱测量领域都有着广泛的应用。双光梳测距系统的两个光梳纵模频率可以分别表示为ν₁＝n₁f_r1+f_ceo1和v₂＝n₂f_r2+f_ceo2，其中，f_r和f_ceo分别为光频梳的重频和载波包络偏移频率(偏频)，两台光梳纵模之间发生多模外差干涉，产生一系列的频率范围在射频域的外差信号。多模外差信号经过低通滤波器(0～f_r2/2)之后产生频率范围在0～f_r2/2之间的子频率梳。子频率梳纵模频率可以表示为其中，在双光梳测距系统中，被测距离是通过计算子频率梳相位-频率的斜率(相频斜率)的方法得到的。在重频和偏频不锁定的情况下，射频信号中的n₁Δf_r和都会随时间不断变化。当其变化使得子频率梳的频谱范围包含0或f_r2/2时，部分频率区间内会出现两组具有不同相位规律的射频谱线，这两组谱线之间会发生混叠，使得相频斜率无法被正确地计算，导致无法得到可用的测距结果。需要注意的是纵模频率中的重频项由于被系数n₁放大，其相对于偏频变化而言影响更大。容易发生频谱混叠是自由运行双光梳系统在工业现场不可用的主要原因。另外，对于只锁定重频而不锁定偏频的双光梳系统，混叠现象使得该系统不具备在工业现场环境下长时间稳定测量的能力；对于重频和偏频锁定的双光梳系统来说，这种混叠现象限制了重频和偏频的可调节范围，使双光梳系统不能根据需要任意地调整光梳重频和偏频。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种消除双光梳频谱混叠的方法及系统，能够保证系统中总存在不发生混叠的子频率梳信号。