[发明专利]一种基于相位传递的双扫频干涉动态测量系统及测量方法

说明书

本发明提出了一种基于相位传递的双扫频干涉动态测量系统及测量方法；两扫频光源的扫频带宽在频域上不交叠，测量干涉仪光路部分用于目标绝对距离解算，辅助干涉仪1光路用于提供调频非线性校正的相频坐标，辅助干涉仪2光路部分与气室光路部分用于在线标定辅助干涉仪1光程，声光调制信号用以实施对辅助干涉仪1信号的相位解调；本发明具有结构简单，抗噪能力更强，辅助干涉仪短，极大降低了采样率，基本不受色散失配和环境变化的影响，可实现非合作目标动态高精度测量及在线溯源等优势。

技术领域

本发明属于调频连续波FMCW激光雷达非线性校正和扫频干涉测量FSI技术领域，具体地，涉及一种基于相位传递的双扫频干涉动态测量系统及测量方法。

背景技术

扫频干涉测量具有低发射功率、无测距模糊等优点，在无需导轨与合作目标配合下能够实现高分辨率、高精度测量，因而在高精度绝对距离测量等应用中获得了广泛应用，如调频连续波雷达(FMCW)、光频域反射计(OFDR)、光学相干断层扫描(OCT)等领域。其技术思想源于微波雷达，利用发射扫频光与被测目标反射的扫频光之间因时间差而产生的频率差来确定目标距离，依据频域特征反映目标的距离参数。为确保能够通过频域特征准确确定目标距离信息，需要高速有效的解决测量系统中存在的三种非线性(调频激光器的调频非线性、目标运动引入的多普勒效应、光纤—自由空间的色散失配)导致测量能力下降的问题；

现有主要方法分为硬件方法、软件方法，硬件方法如利用双扫频激光器进行不同方向的扫描或使用一台激光器进行三角波扫频，虽然上述方案能够抑制三种非线性对测量影响，但是前者将导致系统复杂，而后者将无法完成对快速运动目标的有效测距补偿；有学者提出利用光电锁相环直接对光学扫频非线性进行消除，该方案能够提高测量回光的信噪比，但是方案复杂、实现难度大，无法对激光器实现全调频范围的非线性校正。软件方法如比相法，该方法虽然结构简单，容易实现，但由于该方案利用相位关系实现目标绝对距离测量，更容易受到目标表面粗糙度的影响；如利用辅助干涉仪重采样方法，该方法受限于采样定理必须采用长辅助干涉仪，而过长的辅助干涉仪不仅会加重采集压力，而且会使测量系统对环境变化更加敏感。

发明内容

本发明针对现有调频非线性校正方法中出现的问题，提出了一种基于相位传递的双扫频干涉动态测量系统及测量方法，实现对自由空间目标的高精度绝对距离测量。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于相位传递的双扫频干涉动态测量系统：

所述系统包括：气室、测量干涉仪、辅助干涉仪1和辅助干涉仪2；

两扫频光源的扫频带宽在频域上不交叠，测量干涉仪光路部分用于目标绝对距离解算，辅助干涉仪1光路用于提供调频非线性校正的相频坐标，辅助干涉仪2光路部分与气室光路部分用于在线标定辅助干涉仪1光程，声光调制信号用以实施对辅助干涉仪1信号的相位解调。

进一步地，所述气室的光路包括扫频激光器1、保偏隔离器1、耦合器1、耦合器2、气室和平衡探测器1；

从扫频激光器1输出的扫频光经过保偏隔离器1，输入到分光比为99：5的耦合器1，其中5％的扫频光进入95：5的耦合器2，95％的光束进入耦合器2，5％的光束进入气体吸收室，最后由平衡探测器1接收由气体吸收室输出的信号。

进一步地，所述测量干涉仪的光路包括扫频激光器1、扫频激光器2、保偏隔离器1、保偏隔离器2、耦合器1、波分复用1、耦合器4、耦合器5、环形器2、耦合器7、波分复用4、波分复用5、聚焦镜组、被测目标、平衡探测器5和平衡探测器6；

从扫频激光器1出射的扫频光经过保偏隔离器1，输入到分光比95：5的耦合器1，95％的光束进入波分复用1，从扫频激光器2出射的扫频光经过保偏隔离器2进入波分复用1；