[发明专利]一种基于粗精测尺差频调制与解调的协作式相位激光测距装置及其测距方法

说明书

本发明是一种基于粗精测尺差频调制与解调的协作式相位激光测距装置及其测距方法。本发明在相位激光测距系统的待测目标处设置协作端，能够将测量光光强放大后照射回测量端，改善远距离测距光强衰减造成测距精度不高的问题。协作端探测粗测尺信号并以差频调制的方式调制激光器；协作端通过差频解调方法探测精测尺信号，后通过混频复原精测尺信号并调制协作端激光器，实现了对测量光强的放大。该发明方法与装置打破了探测器带宽、调制带宽对测尺频率的限制，使协作式相位激光测距技术能够兼顾大范围和高精度的测距要求，可实现数十万千米的测量范围并达到亚毫米甚至微米级的测量精度。

技术领域

本发明涉及绝对距离激光测量技术领域，是一种基于粗精测尺差频调制与解调的协作式相位激光测距装置及其测距方法。

背景技术

激光测距技术以其高测量精度、强抗干扰能力、高时空及垂直分辨率等优点，被广泛应用于大型装备制造、航天器深空导航、交会对接以及分布式编队卫星等领域，已成为航空航天、重大科学装置与国民经济发展研究中不可或缺的关键技术。随着科学技术的发展，尤其航空航天技术的突飞猛进，对测量技术的测量范围、测量精度、稳定性提出了更高的性能要求。近年来，针对空间物理探测研究任务，采用编队小卫星对空间中复杂的物理过程进行协同探测成为研究热点，如美国NASA的GRACE-FO卫星、NMP ST-5计划、欧空局的Proba-3卫星、德国的Gemini卫星等编队卫星中小卫星之间的间距从几百米到几十千米，且对其距离的测量精度要求达到毫米、亚毫米甚至数十微米量级。而在空间引力波探测研究中，星间轨道游离引起的最大臂长差分别达到了30万千米，且为能正确捕捉引力波信号，臂长的绝对距离测量精度需达到30cm。大型构件加工和整体装配也对测距技术提出了更高的要求，以大型与超大型单体射电望远镜为例，为保证对天体和星际分子的探测灵敏度和成像精度，要对长达几百米到上千米反射面口径进行实时测量和整体控制，每个反射面的测量精度要求优于数毫米甚至数百微米。可见，随着人们对空间探索范围的加大和对探测精度要求的提高，未来将迫切要求测距技术同时兼顾超长作用距离、精密测量准确度和高实时性，实现在几百米至几十万千米范围内对目标进行亚毫米甚至微米级的精确测量。

然而，目前采用的超精密测量方法如激光干涉测距，以及超长距离测量方法如差分GPS测距、伪随机码调制测距、脉冲激光测距、可见光视觉测量技术、电光调制光频梳绝对测距等，都在原理或技术上限制了其性能的进一步提高。例如，专利[基于高速伪随机码调制和光子计数的远程激光测距系统，公开号：CN102928832A]提出的伪随机码调制测距法与脉冲激光测距法相似，都是基于脉冲时间的测量方法，受限于原理误差和器件噪声的影响，其厘米级的测量精度已接近技术极限。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，公开号：CN108120378A]提出的光频梳绝对测距方法测量精度较高，但其受限于相干长度，难以用于几百千米到几十万千米的测量距离。

专利[多频同步调制的大量程高精度快速激光测距方法与装置，公开号：CN1825138A]提出的多波长调制相位激光测距方法与装置利用测量端发射的调制光波和被测目标反射回的调制光波之间的相位差来测量两者之间的绝对距离。由于相位差只能介于0～2π，因此测量长度不能超过波长的二分之一，为保证测距精度与测量范围，采用调制方法产生由粗到精的多个测尺波长进行逐级测量，逐级优化，较长的测尺用于满足测量范围，而较短的测尺用于实现测量精度，其余测尺作为过渡测尺用于衔接粗、精测尺；理论上可以实现在几百米至几十万千米范围内对目标进行亚毫米甚至微米级的精确测量。然而在远距离的多波长调制相位激光测距中，其测量光将在测量端和目标端之间往返传输，由于光束传播过程中的发散作用，其回光功率将以被测距离的四次方函数而急剧衰减，测量信号信噪比低，成为限制相位激光测距进行远距离测量的重要因素。受探测器件的性能、被测对象载荷和激光安全问题等的限制，难以通过提高激光功率和增加合作目标口径等方法来增加系统回光能量。