CN108873008A - 一种基于双光梳干涉的水下距离高精度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双光梳干涉的水下距离高精度测量方法，所述方法包括以下步骤：将第一自制光梳与第二自制光梳发出的光进行倍频后，将测量光通过第一分光镜分为第一反射光和第一透射光，第一反射光经过固定的反射镜后为第二反射光按原路返回至第一分光镜，第一透射光经待测目标处的角锥棱镜变为第三反射光返回至第一分光镜，与第二反射光进行合束变为合束的两束光；将已合束的两束光经第二分光镜，与参考光中经过第二分光镜的第二透射光进行合束，变为合束的三束光；将合束的三束光入射至光电探测器，将光信号转换为电信号后获取两干涉条纹发生的时刻，从而获取干涉时间差求出待测距离。本发明目的在于实现高精度、高稳定性、快速的水下测距。

Description

一种基于双光梳干涉的水下距离高精度测量方法

技术领域

本发明涉及基于双光梳干涉(即两束飞秒激光干涉)水下距离测量领域，尤其涉及一种基于双光梳干涉的水下距离高精度测量方法。

背景技术

具体来讲，对于水下距离测量，一般主要包括两类方法，一类是通过测量声波到待测目标的飞行时间，而后依据时间、速度路程之间的关系测量水下距离；一类是依据视觉成像技术进行距离测量。

依据声波飞行的时间飞行法，声束在飞行过程中存在较严重的发散问题，声束直径会逐渐变大，一定程度上会影响测量准确度；另一方面，由于声波传播速度远远小于光束传播速度，导致其测量效率较低。对于依据视觉成像的水下距离测量方法，其可测量的距离大小与测量精度都相对有限。

发明内容

本发明提供了一种基于双光梳干涉的水下距离高精度测量方法，本发明以双光梳干涉为基本原理对水下未知距离进行测量，目的在于实现高精度、高稳定性的水下距离测量，详见下文描述：

一种基于双光梳干涉的水下距离高精度测量方法，所述方法包括以下步骤：

将第一自制光梳与第二自制光梳发出的光进行倍频后，将测量光通过第一分光镜分为第一反射光和第一透射光，第一反射光经过固定的反射镜后为第二反射光按原路返回至第一分光镜，第一透射光经待测目标处的角锥棱镜变为第三反射光返回至第一分光镜，与第二反射光进行合束变为合束的两束光；

将已合束的两束光经第二分光镜，与参考光中经过第二分光镜的第二透射光进行合束，变为合束的三束光；

将合束的三束光入射至光电探测器，将光信号转换为电信号后获取两干涉条纹发生的时刻，从而获取干涉时间差求出待测距离。

进一步地，所述第一自制光梳与第二自制光梳发出的光进行倍频具体为：

经第一倍频晶体和第二倍频晶体分别倍频后，将第一自制光梳与第二自制光梳发出的光频率扩大两倍，波长变为原波长二分之一。

优选地，所述第二反射光、第三反射光完全合束，用于保证与参考光梳进行干涉时干涉效果准确。

优选地，所述合束的两束光与第二透射光完全合束，用于保证双光梳干涉现象的准确。

其中，所述第一自制光梳与第二自制光梳均包括如下的结构：

泵浦光由泵浦光源经980nm单模光纤进入WDM后，经1060单模光纤与增益光纤进入第一准直器中；

光由第一准直器发出后经第一1/4波片、第一1/2波片、第一分光镜后再经滤光片、第二1/4波片后进入隔离器，而后进入第二准直器后形成环形光纤腔；

环形光纤腔形成后经过第一分光镜的反射光即为脉冲光，而后经第二分光镜后进入第三准直器，经第三准直器发出的光即为飞秒激光。

进一步地，所述方法还包括：

采用倍频晶体将在海水中传播距离较短的波段变为传播距离较长的波段，同时光源制作采用光纤光，光路搭建容易，易于集成密封，从而保证了后续样机的模块化设计与实际生产。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本方法将改善声波时间飞行水下距离测量方法中声束发散的困难，可将水下距离测量精度大大提高；

2、本方法可改善依据摄影成像技术中水下距离测量范围与测量精度有限的问题，实现高精度、高稳定性、快速的水下距离测量；

3、本方法同时也将在水文地质、反潜、电缆铺设和地质调查、采矿、地球物理探测、水文水道测量、海洋调查勘察以及国防应用上发挥直接或间接作用，为相关领域作业任务提供高精度数据保障。

附图说明

图1为一种基于双光梳干涉的水下距离测量方法的流程图；

图2为一种基于双光梳干涉的水下距离测量的原理图；

图3为第一、第二自制光学频率梳的内部结构示意图。

附图2中，各部件所代表的部件列表如下：

1：第一自制光梳； 2：第二自制光梳；

3：第一倍频晶体； 4：第二倍频晶体；

5：第一反射镜； 6：第一分光镜；

7：第二分光镜； 8：反射镜；

9：光电探测器； 10：测量光；

11：参考光；

61：经第一分光镜6反射的光；

62：经第一分光镜6投射的光；

51：反射的光61经反射镜5反射按原路径返回的光；

81：投射的光62经角锥棱镜8反射按原路径返回的光；

5181：51、81两束光经第一分光镜6合束的光；

71：经第二分光镜7透射的光；

518171：合束的光5181与经过第二分光镜7透射的光71合束的光。

附图3中，各部件所代表的部件列表如下：

12：泵浦源； 13：980nm单模光纤；

14：WDM； 15：1060nm单模光纤；

16：增益光纤； 17：第一准直器；

18：第一1/4波片； 19：第一1/2波片；

20：第一分光镜； 21：滤光片；

22：第二1/4波片； 23：隔离器；

24：第二准直器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

其中，双光梳干涉基于两台重复频率稍有差异的光学频率梳，可实现两台光梳之间的快速的光学采样。所得光学采样信号，经过数据处理后，可测得距离信息。

本发明实施例提出的一种基于双光梳干涉的水下距离测量方法，相比于声波在传播过程中的发散，光束发散更加可控，且光波波长要远远小于声波波长，所以测量结果会更加精确。相比于依据视觉成像技术的水下距离测量方法，本方法可测量距离范围更大且测量结果会更加准确。

实施例1

本发明实施例介绍了一种利用双光梳干涉能快速扫描、且现象明显分辨率高等良好性质，以双光梳干涉为基本原理对水下距离进行测量的新方法，目的在于实现高精度、高稳定度、快速的水下距离测量，参见图1、图2该方法包括以下步骤：

101：用倍频晶体(SHG)使得光频率扩大两倍，波长变为原波长二分之一(水对1030nm光具有较强吸收作用)；

如图2所示，光由第一自制光梳1与第二自制光梳2发出后分别直接接入第一倍频晶体3和第二倍频晶体4中进行倍频。经第一倍频晶体3和第二倍频晶体4分别倍频后，将第一光梳1与第二光梳2发出的1030波段的光变为绿光波段，极大的改善了上述问题。

102：将第一自制光梳1与第二自制光梳2发出的光进行倍频后，如图2所示将测量光10(第一自制光梳1对应的)通过第一分光镜6分为两束垂直的光(即第一反射光61和第一透射光62)，反射光61经过固定的反射镜5后为新的反射光51(第二反射光)按原路返回至第一分光镜6，透射光62经待测目标处的角锥棱镜8变为新的反射光81(第三反射光)返回至第一分光镜6，与反射光51进行合束变为5181。

其中，新的反射光51、新的反射光81这两束光一定要完全合束以保证与参考光11进行干涉时干涉效果准确明显。

103：将已合束的两束光5181经第二分光镜7，与参考光11(第二自制光梳2对应的)中经过第二分光镜7的第二透射光71进行合束，变为合束的三束光518171。

其中，已经合束的两束光5181同样要与参考光中经过第二分光镜7的第二透射光71完全合束，即实现了三束光的合束(即新的反射光51、新的反射光81、以及第二分光镜7的透射光71合束)，形成合束光518171，从而保证双光梳干涉现象的准确与明显。

104：将经过第二分光镜7合束的三束光518171入射至光电探测器9，将光信号转换为电信号后获取两干涉条纹发生的时刻，从而获取干涉时间差求出待测距离。

其中，上述步骤101-步骤102中的第一自制光梳1与第二自制光梳2的结构图如图3所示，第一自制光梳1与第二自制光梳2均包括如下的结构：

泵浦光由泵浦光源12经980nm单模光纤13进入WDM14后，经1060nm单模光纤15与增益光纤16进入第一准直器17中，光由第一准直器17发出后经第一1/4波片18、第一1/2波片19、第一分光镜20后再经滤光片21、第二1/4波片22后进入隔离器23，而后进入第二准直器24后形成环形光纤腔。

环形光纤腔形成后经过第一分光镜25的反射光即为脉冲光。而后经第二分光镜26后进入第三准直器27，经第三准直器27发出的光即为飞秒激光。

其中，经过不断的资料查找与实验研究，不同波段的光在水中传播损耗不同。1030nm的光在水中损耗非常严重，传播距离较短，且处于不可见光波段，给测量系统的搭建、信号的采集以及系统测量范围等都带来了一定的问题。

综上所述，本发明实施例以双光梳干涉为基本原理对水下距离进行测量，实现了高精度、高稳定度、快速的水下距离测量。

实施例2

下面结合图1、图2和图3对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：

将第一自制光梳1与第二自制光梳2(1030nm)分别通过第一倍频晶体3和第二倍频晶体4使得光频率扩大两倍，波长变为原波长二分之一(水对1030nm光具有较强吸收作用)；

双光梳一套为参考光11(第二自制光梳2对应的)，另一套为测量光10(第一自制光梳1对应的)。将倍频后的测量光通过第一分光镜6分为两束垂直的光，其中反射光61入射至固定的反射镜5沿原路径返回至第一分光镜6，透射光62经过待测目标上的角锥棱镜8变为新的反射光81返回至第一分光镜6，与反射光51进行合束变为5181。

最后将两束合束完全的光5181经过第二分光镜7与参考光经过第二分光镜7的透射光71进行合束，由光电探测器9(PD)接收将其转换为电信号进行探测，获取参考光与测量光中经第一分光镜6分成的两束光程不同的光(反射光61和透射光62)的干涉现象，获取干涉发生的不同时刻从而获得干涉发生的时间差，获取待测距离。

其中，基于双光梳干涉的水下距离测量方法还包括：

在光路设计与光源制作上：采用倍频晶体(SHG)将在海水中传播距离较短的波段变为传播距离较长的波段，同时光源制作采用光纤光，光路搭建容易，易于集成密封，从而保证了后续样机的模块化设计与实际生产。

所述参考光10与测量光11分成的两束光程不同的光的干涉时刻分别为t₁、t₂，则发生干涉的时间差为t₂-t₁，所得的待测距离为：

其中，s为待测距离，n为水的折射率，c为光在真空中的传播速度，Δf为第一自制光梳1与第二自制光梳2重复频率的差值，f_r1为第一自制光梳1的重复频率。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于双光梳干涉的水下距离高精度测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

将第一自制光梳与第二自制光梳发出的光进行倍频后，将测量光通过第一分光镜分为第一反射光和第一透射光，第一反射光经过固定的反射镜后为第二反射光按原路返回至第一分光镜，第一透射光经待测目标处的角锥棱镜变为第三反射光返回至第一分光镜，与第二反射光进行合束变为合束的两束光；

将已合束的两束光经第二分光镜，与参考光中经过第二分光镜的第二透射光进行合束，变为合束的三束光；

将合束的三束光入射至光电探测器，将光信号转换为电信号后获取两干涉条纹发生的时刻，从而获取干涉时间差求出待测距离。

2.根据权利要求1所述的一种基于双光梳干涉的水下距离高精度测量方法，其特征在于，所述第一自制光梳与第二自制光梳发出的光进行倍频具体为：

经第一倍频晶体和第二倍频晶体分别倍频后，将第一自制光梳与第二自制光梳发出的光频率扩大两倍，波长变为原波长二分之一。

3.根据权利要求1所述的一种基于双光梳干涉的水下距离高精度测量方法，其特征在于，所述第二反射光、第三反射光完全合束，用于保证与参考光梳进行干涉时干涉效果准确。

4.根据权利要求1所述的一种基于双光梳干涉的水下距离高精度测量方法，其特征在于，所述合束的两束光与第二透射光完全合束，用于保证双光梳干涉现象的准确。

5.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的一种基于双光梳干涉的水下距离高精度测量方法，其特征在于，所述第一自制光梳与第二自制光梳均包括如下的结构：

泵浦光由泵浦光源经980nm单模光纤进入WDM后，经1060单模光纤与增益光纤进入第一准直器中；

光由第一准直器发出后经第一1/4波片、第一1/2波片、第一分光镜后再经滤光片、第二1/4波片后进入隔离器，而后进入第二准直器后形成环形光纤腔；

环形光纤腔形成后经过第一分光镜的反射光即为脉冲光，而后经第二分光镜后进入第三准直器，经第三准直器发出的光即为飞秒激光。

6.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的一种基于双光梳干涉的水下距离高精度测量方法，其特征在于，所述方法还包括：

采用倍频晶体将在海水中传播距离较短的波段变为传播距离较长的波段，同时光源制作采用光纤光，光路搭建容易，易于集成密封，从而保证了后续样机的模块化设计与实际生产。