CN109239726A - 一种基于单台双梳飞秒激光器的非合作目标测距系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单台双梳飞秒激光器的非合作目标测距系统，包括单台双梳飞秒激光器，还包括滤波装置、第一准直器、第一半波片、第一偏振分束棱镜、第二半波片、第二偏振分束棱镜、镀银反射镜、雪崩光电探测器、数据采集装置、计算机、频率计数器、放大及滤波装置、偏振控制器、光纤偏振分束器、第二准直器、第三半波片、第三准直器、施卡望远镜、第三偏振分束棱镜和第四半波片；该测距系统可以省去传统双飞秒激光器在线性异步采样系统中复杂的锁相装置，通过大口径望远镜接收微弱的目标漫反射回光，提高干涉信号信噪比进而提高测量精度，同时避免了非线性异步采样中由于弱回光信号导致的测量误差。

Description

一种基于单台双梳飞秒激光器的非合作目标测距系统

技术领域

本发明涉及一种激光测距装置，具体涉及一种基于单台双梳飞秒激光器的非合作目标测距系统。

背景技术

激光测距的方法有很多种。激光干涉测距是其中一种，即利用光的干涉原理对单频的探测激光的相位变化进行测量。激光干涉测距的精度可以达到纳米级别，常用于精密长度、微小尺寸的测量，但是该方法基于目标的增量式位移。激光绝对距离测量是一种不需要目标增量位移的直接测量目标距离的方法，它在大型工业制造、遥感探测、卫星编队飞行等大空间范围领域的精确测量中具有重大意义和重要应用。飞秒激光的出现对绝对距离测量提供了许多新的思路，它以快速、大尺寸、高精度等优点迅速成为国际研究热点。飞秒激光通过激光谐振腔内纵模的锁定来实现，在频域上表现为数以百万相位锁定的等间隔纵模，其中纵模间隔等于飞秒锁模脉冲的重复频率，在时域上表现为等间隔的超短脉冲。2000年，Minoshima等人首次提出了采用飞秒激光脉冲进行绝对长度测量的创新概念；2004年，美国标准局的叶军教授从理论上提出一种测量绝对距离的方案,将飞行时间测距法和干涉测距法用在一套测距系统中，用飞行时间测距法粗测再用干涉测量进行精测。这个方法在理论上可以对任意远的目标距离进行纳米量级精度的测量。常用的单飞秒激光绝对距离测量装置需要测量光和参考光在合束后脉冲有重叠部分，所以不能测量这两束飞秒激光脉冲不重叠的目标距离，即存在大范围的“死区”。

异步采样的方法可以解决飞秒激光测距中大范围“死区”的问题，即使用两台存在微小重频差的飞秒激光器产生两列飞秒激光脉冲，其中一台激光器作为信号源输出测量和参考脉冲序列，另一台输出采样脉冲序列，测量光脉冲和参考脉冲分别从目标镜和参考镜反射后与采样脉冲合束，通过脉冲之间的异步采样过程进行时域展宽，进而解算出目标的绝对距离信息。双飞秒激光测距系统的异步采样方式有两种，即线性异步采样和非线性异步采样。基于线性异步采样的双飞秒激光测距系统通过干涉的方式产生采样信号，采样信号的分辨率依赖于两套飞秒脉冲序列之间的相干性，因此需要通过复杂的锁相装置锁定这两台激光器的重复频率和载波包络相位偏移。基于非线性异步采样的双飞秒激光测距系统通过测量光和本振光和频产生强度互相关信号，但是在探测较远距离的非合作目标时，由于回波光信号极弱导致和频信号转化效率极低，严重影响测量精度甚至无法探测。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于单台双梳飞秒激光器的非合作目标测距系统，该测距系统可以省去传统双飞秒激光器在线性异步采样系统中复杂的锁相装置，通过大口径望远镜接收微弱的目标漫反射回光，提高干涉信号信噪比进而提高测量精度，同时避免了非线性异步采样中由于弱回光信号导致的测量误差。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于单台双梳飞秒激光器的非合作目标测距系统，包括单台双梳飞秒激光器，所述单台双梳飞秒激光器由泵浦源、波分复用器、偏振控制器、碳纳米管薄膜、光纤偏振分束器、保偏光纤、耦合输出器、隔离器和掺铒光纤组成，非合作目标测距系统还包括滤波装置、第一准直器、第一半波片、第一偏振分束棱镜、第二半波片、第二偏振分束棱镜、镀银反射镜、雪崩光电探测器、数据采集装置、计算机、频率计数器、放大及滤波装置、偏振控制器、光纤偏振分束器、第二准直器、第三半波片、第三准直器、施卡望远镜、第三偏振分束棱镜和第四半波片；所述单台双梳飞秒激光器输出不同中心波长的测量光和本振光，其中本振光经过所述滤波装置后分为两路，其中一路本振光依次经过所述第一准直器、第一半波片、第一偏振分束棱镜、第二半波片、第二偏振分束棱镜、镀银反射镜、雪崩光电探测器、数据采集装置和计算机，另一路本振光依次经过所述频率计数器和计算机；

测量光依次经过所述放大及滤波装置、偏振控制器和光纤偏振分束器，所述光纤偏振分束器输出偏振态相互垂直且强度比可调的参考光和目标光，参考光依次经过第二准直器、第三半波片后进入第三偏振分束棱镜中，目标光经第三准直器出射后被待测目标漫反射，被待测目标漫反射后的目标光采用施卡望远镜接收，之后经施卡望远镜输出后进入第三偏振分束棱镜中并与参考光合束，参考光和目标光合束后经过第四半波片在第一偏振分束棱镜处，再经过第二半波片和第二偏振分束棱镜后，参考光和目标光分别与本振光与本振光合束并发生干涉。

进一步的，所述放大及滤波装置中包括一级放大器、滤波装置和二级放大器。

进一步的，所述施卡望远镜设置于所述第三偏振分束棱镜的一侧，第三准直器和所述施卡望远镜平行但不同轴。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1、传统的线性异步采样系统需要经过复杂锁相装置的两台飞秒激光器作为光源。而本发明系统引入单台双梳飞秒激光器作为测距光源，它产生的两套飞秒锁模脉冲共用一个激光腔，消除了外界环境变化等共模噪声的影响，相干性较两个独立的飞秒激光源强，避免了复杂的锁相装置，非常适合应用在非合作目标测距系统中。

2、合作目标测距系统中测量光的发射和接收都由一个准直器完成，而非合作目标会漫反射测量光，如果继续采用准直器作为测量光的接收装置，接收到的测量光将微乎其微以至于无法被雪崩光电探测器探测到。引入大口径的施卡望远镜作为测量光的接收装置，通过扩大接收光面积来提高测量光回光功率，不仅能使雪崩光电探测器探测到测量光回光信号，还能提高干涉信号信噪比。信噪比的提升可以使后续的数据处理更为精确。

附图说明

图1是本发明测距系统的结构示意图。

图2是单台双梳飞秒激光器的结构示意图。

附图标记：1-单台双梳飞秒激光器；2-滤波装置；3-第一准直器；4-第一半波片；5-放大及滤波装置；6-偏振控制器；7-光纤偏振分束器；8-第二准直器；9-第三半波片；10-第三准直器；11-施卡望远镜；12-第三偏振分束棱镜；13-第四半波片；14-第一偏振分束棱镜；15-第二半波片；16-第二偏振分束棱镜；17-镀银反射镜；18-雪崩光电探测器；19-数据采集装置；20-计算机；21-频率计数器；22-泵浦源；23-波分复用器；24-偏振控制器；25-碳纳米管薄膜；26-光纤偏振分束器；27-保偏光纤；28-耦合输出器；29-隔离器；30-掺铒光纤

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

本实施例中用单台双梳飞秒激光器1代替传统的两台锁定相位的飞秒激光器；用施卡望远镜代替同时收发目标光的准直器，因此可以用简单的光路测量非合作目标的距离，同时保持高的测量精度，其中测量的原理是线性异步采样原理，其详细计算过程如下：

将用于探测参考和目标距离的一套飞秒锁模脉冲记为测量光，重频为f_r1；将用于对测量光线性异步采样的另一套飞秒锁模脉冲记为本振光，重频为f_r2，它们重频差Δf_r＝f_r2-f_r1为定值，实时观测重频只需要观测f_r2即可。测量光脉冲序列时域间隔为T_r1＝1/f_r1，本振光脉冲序列时域间隔为T_r2＝1/f_r2。假定在初始时刻，本振光脉冲与测量光脉冲完全重合并干涉，由于二者有重频差Δf_r，每经过一个脉冲周期，测量光脉冲与本振光脉冲会产生一个时间差ΔT_r＝T_r1-T_r2，即下一个测量光脉冲将相对于本振光脉冲前移ΔT_r。经过N次线性异步采样后，本振光脉冲的第N+1个脉冲恰好与测量光脉冲的第N个脉冲完全重合并干涉，完成一次完整的线性异步采样，用时T_upgrade＝1/Δf_r。采样过程中应满足ΔT_r远小于脉宽τ，即Δf_r远小于f_r1和f_r2，保证有足够多的采样点还原出测量光脉冲的原始信号。在计算中，用f_r＝f_r2代替f_r1和f_r2，用T_r＝T_r2代替T_r1和T_r2。经过一次完整的线性异步采样后，采样信号是一个在时域上被展宽了N倍的等效测量光脉冲序列。其中N满足

由于测量光脉冲和本振光脉冲时域包络形状都是高斯型，理论上异步采样产生干涉信号的包络同为高斯型，可以用计算机对扫描获取到的干涉信号包络寻求中值，提取目标光等效信号的时间点T_tar以及参考光等效信号的时间点T_ref。异步采样后测量信号与参考信号的时间差是T_tr＝T_tar-T_ref。由于在异步采样中脉冲被放大N倍，真实测量信号和参考信号的时间差为t_tr＝T_tr/N。设空气折射率为n_g，待测距离L表示为

如图2所示，本专利所涉及的单台双梳飞秒激光器1依据文章Asynchronous andsynchronous dual-wavelength pulse generation in a passively mode-locked fiberlaser with a mode-locker(Vol.42,No.23/December 1 2017/Optics Letters)而搭建，本实施例中泵浦源22提供980nm波段反向泵浦光，并通过波分复用器23耦合到光路中，使掺铒光纤30中的Er离子产生受激辐射，辐射光顺着隔离器29的方向(逆时针方向)在腔内传输。碳纳米管薄膜25作为可饱和吸收体，实现激光器锁模运转。偏振控制器24调节腔内光脉冲的偏振态，与光纤偏振分束器26、保偏光纤27共同作用选出中心波长为λ₁＝1530nm和λ₂＝1555nm两个波段的飞秒锁模脉冲，重频f_r1和f_r2约为50MHz，通过耦合输出器28输出进入后续光路。

这种单台双梳飞秒激光器1可直接输出相干性极好且具有微小重频差的两套飞秒锁模脉冲。腔内双折射引入的Lyot滤波效应使激光器输出光谱随波长呈正弦变化，在碳纳米管薄膜的可饱和吸收效应下，激光器实现双波长锁模，锁模中心波长位于Lyot滤波曲线最大值处。腔内双折射依赖于一段特定长度的保偏光纤，光谱滤波周期可通过改变保偏光纤的长度进行调节。例如保偏光纤长度为0.25m时，Lyot滤波效应使激光器输出光谱在1530nm和1550nm处为最大值，激光器在1530nm和1550nm处同时锁模。激光谐振腔光程长约为6m，相应的飞秒锁模脉冲序列重复频率约为50MHz。在腔内净负色散的影响下，中心波长位于1530nm和1550nm的飞秒锁模脉冲序列的谐振腔光程略有不同，重频差Δf_r约为2kHz。这两套飞秒锁模脉冲共用同一个激光腔，消除了外界环境变化等共模噪声的影响，相干性较两个独立的飞秒激光源强，避免了复杂的锁相装置，极大地简化了系统结构。

如图1所示为本发明非合作目标测距系统示意图；该测距系统包括单台双梳飞秒激光器1、滤波装置2、第一准直器3、第一半波片4、第一偏振分束棱镜14、第二半波片15、第二偏振分束棱镜16、镀银反射镜17、雪崩光电探测器18、数据采集装置19、计算机20、频率计数器21、放大及滤波装置5、偏振控制器6、光纤偏振分束器7、第二准直器8、第三半波片9、第三准直器10、施卡望远镜11、第三偏振分束棱镜12和第四半波片13；

单台双梳飞秒激光器1可以输出中心波长为λ₁和λ₂的两套飞秒锁模脉冲，两套脉冲序列间的重频差为Δf_r＝2kHz。滤波装置2的中心波长为1550nm，半高全宽为1.6nm，滤出λ₂波段的部分光；同样地，λ₁波段光经过放大及滤波装置5后产生光强足够、中心波长1550nm、带宽为1.6nm的部分光用于后续线性异步采样，放大及滤波装置5中包括一级放大器、滤波装置和二级放大器。光纤偏振分束器7、第二准直器8、第三准直器10将测量光分束成参考光和目标光，施卡望远镜11、第三偏振分束棱镜12将参考光和目标光合束。其中第三准直器10和第三施卡望远镜11分别为目标光的发射级和接收级。频率计数器21实时监测λ₂波段的重复频率，避免重复频率长期漂移对测量精度的影响。

如前所述，单台双梳飞秒激光器1输出λ₁和λ₂两种中心波长的飞秒锁模脉冲序列，它们分别对应测量光和本振光。测量光经过放大及滤波装置5中的一级放大器后由于非线性效应导致光谱拓宽，从而产生1550nm波段的分量。通过放大及滤波装置5中光纤环形器与反射式布拉格光栅组成的滤波装置滤出中心波长在1550nm且带宽约为1.6nm的测量光，最后通过放大及滤波装置5中的二级放大器将其功率放大。放大后的测量光经过偏振控制器6和光纤偏振分束器7输出偏振态相互垂直且强度比可调的参考光和目标光，其中较弱的一束作为参考光从第二准直器8输出，通过第三半波片9进入起合束作用的第三偏振分束棱镜12中；另一束测量光通过第三准直器10出射目标光，被目标漫反射后采用施卡望远镜11接收。调节望远镜的焦距、空间位置、俯仰和水平角度使目标光耦合回第三偏振分束棱镜12中并与参考光合束。为了防止施卡望远镜11的镜面反射对目标回光造成干扰，测量光打向目标的发射端——第三准直器10和接收目标回光的接收端——施卡望远镜11平行但不同轴。参考光和目标光合束后经过第四半波片13在第一偏振分束棱镜14处与本振光合束，再经过第二半波片15和第二偏振分束棱镜16，参考光和目标光分别与本振光发生干涉。

本振光直接经过由光纤环形器与反射式布拉格光栅组成的滤波装置2滤出中心波长在1550nm且带宽约为1.6nm的光分量，该本振光分量经过第一准直器3输出，经过第一半波片4改变其偏振态，与参考光、目标光在第一偏振分束棱镜14处合束，再经过第二半波片15和第二偏振分束棱镜16后，本振光、参考光、目标光被调节至相同偏振态并产生干涉，这也就是线性异步采样的过程。

滤波装置2、放大及滤波装置5中的滤波装置限制了光谱宽度从而使线性异步采样满足奈奎斯特采样定理，避免混叠现象的产生。第一半波片4、第三半波片9、第四半波片13、第二半波片15结合第三偏振分束棱镜12、第一偏振分束棱镜14、第二偏振分束棱镜16可以进一步调节参考光、目标光和本振光的光强比例，当参考光、目标光和本振光强度相同时具有最佳的干涉效果。

干涉光经由镀银反射镜17反射后被雪崩光电探测器18接收转化为电信号。电信号采样数据由数据采集装置19实时采集，本振光重频f_r由频率计数器21实时测量，最后经由计算机20进行去载波、筛点、高斯拟合等计算分析得到异步采样后测量信号与参考信号的时间差T_tr，在已知空气折射率n_g的情况下通过关系式(2)得到实时的目标绝对距离。

具体的，本专利所涉及的施卡望远镜11为施密特-卡塞格林望远镜(型号为Celestron C5，简称施卡望远镜)，口径为125mm，较准直器具有更强的收集目标微弱漫反射光的能力。施卡望远镜焦距为1250mm，镜筒长280mm，较同等焦距的其他类型望远镜镜筒更短，从而大大减小了装置体积。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于单台双梳飞秒激光器的非合作目标测距系统，包括单台双梳飞秒激光器(1)，所述单台双梳飞秒激光器由泵浦源、波分复用器、偏振控制器、碳纳米管薄膜、光纤偏振分束器、保偏光纤、耦合输出器、隔离器和掺铒光纤组成，其特征在于，所述非合作目标测距系统还包括滤波装置(2)、第一准直器(3)、第一半波片(4)、第一偏振分束棱镜(14)、第二半波片(15)、第二偏振分束棱镜(16)、镀银反射镜(17)、雪崩光电探测器(18)、数据采集装置(19)、计算机(20)、频率计数器(21)、放大及滤波装置(5)、偏振控制器(6)、光纤偏振分束器(7)、第二准直器(8)、第三半波片(9)、第三准直器(10)、施卡望远镜(11)、第三偏振分束棱镜(12)和第四半波片(13)；所述单台双梳飞秒激光器(1)输出不同中心波长的测量光和本振光，其中本振光经过所述滤波装置(2)后分为两路，其中一路本振光依次经过所述第一准直器(3)、第一半波片(4)、第一偏振分束棱镜(14)、第二半波片(15)、第二偏振分束棱镜(16)、镀银反射镜(17)、雪崩光电探测器(18)、数据采集装置(19)和计算机(20)，另一路本振光依次经过所述频率计数器(21)和计算机(20)；

测量光依次经过所述放大及滤波装置(5)、偏振控制器(6)和光纤偏振分束器(7)，所述光纤偏振分束器(7)输出偏振态相互垂直且强度比可调的参考光和目标光，参考光依次经过第二准直器(8)、第三半波片(9)后进入第三偏振分束棱镜(12)中，目标光经第三准直器(10)出射后被待测目标漫反射，被待测目标漫反射后的目标光采用施卡望远镜(11)接收，之后经施卡望远镜(11)输出后进入第三偏振分束棱镜(12)中并与参考光合束，参考光和目标光合束后经过第四半波片(13)在第一偏振分束棱镜(14)处与本振光合束，再经过第二半波片(15)和第二偏振分束棱镜(16)后，参考光和目标光分别与本振光并发生干涉。

2.根据权利要求1所述一种基于单台双梳飞秒激光器的非合作目标测距系统，其特征在于，所述放大及滤波装置(5)中包括一级放大器、滤波装置和二级放大器。

3.根据权利要求1所述一种基于单台双梳飞秒激光器的非合作目标测距系统，其特征在于，所述施卡望远镜(11)设置于所述第三偏振分束棱镜(12)的一侧。

4.根据权利要求1或3所述一种基于单台双梳飞秒激光器的非合作目标测距系统，其特征在于，所述第三准直器(10)和所述施卡望远镜(11)平行但不同轴。