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专利名称：一种超短脉冲激光测距系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种距离测量系统，特别是关于一种用于绝对距离测量的超短脉冲激光测距系统。
背景技术：
传统的激光干涉测量是一种增量式的距离测量方式，需要在基线和目标物体之间架设导轨，测量过程中目标物体需要沿导轨作连续运动。而激光绝对距离测量(无导轨距离测量)是一种直接测量基线到目标物体之间距离的方法，相对于前者具有适用范围广、 操作简单等优点，因此在工业和航天领域具有很强的应用需求和前景，一方面在高速铁路、 大型飞机、核电与风电等大型机械装备系统中，需要对高精度大尺寸的几何量进行精确测量；另一方面，在航天领域中监测飞行中的卫星编队的位置和姿态也离不开大量程、高精度的绝对距离测量。传统的激光绝对距离测量技术包括多波长激光干涉测量技术、脉冲式激光测距技术和相位式激光测距技术等。其中，多波长激光干涉测量技术的测量精度很高可达微米级， 但是测量范围受限于合成波长的长度，而且测量原理和装置都比较复杂，不利于在工业和航天领域使用。传统的脉冲式激光测距技术和相位式激光测距技术已经很成熟，并且早已有相关的产品问世，这两种技术测量范围较大可以达到百米以上量级，但是测量精度较低一般在毫米级。因此，现有的激光绝对距离测量技术难以满足工业和航天领域中大量程、高精度的测量要求。

发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种精度高、量程大且测量速度快的用于绝对距离测量的超短脉冲激光测距系统。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种超短脉冲激光测距系统，其特征在于它包括两频率基准源、两激光器、两半波片、一干涉系统、一分光镜、一光电探测器、一互相关平衡探测装置和一信号处理装置；所述两频率基准源分别锁定所述两激光器的重复频率，其中一所述激光器发出的激光经一所述半波片后再经所述干涉系统出射；另一所述激光器发出的激光经另一所述半波片后与所述干涉系统出射的激光在所述分光镜处汇合后并分成两束激光，其中一束激光由所述光电探测器探测并转化为电信号后发送至所述信号处理装置，另外一束激光由所述互相关平衡探测装置探测并转化为电信号后发送至所述信号处理装置，所述信号处理装置将接收到的两组信号进行计算进而得到距离的测量值。所述互相关平衡探测装置包括两不同的分色镜、一 PPKTP倍频晶体、一平衡探测器和一反射镜；基频光发射到与光传播方向成45度角的所述分色镜中，所述分色镜对基频光全部透射，透射的部分基频光经所述PPKTP倍频晶体倍频后和剩余的基频光一起发射到所述另一分色镜，所述另一分色镜对倍频光透射而对基频光反射，透射的倍频光被所述平衡探测器探测接收，基频光被所述另一分色镜反射按原路返回，返回的部分基频光经所述PPKTP倍频晶体再次倍频，新的倍频光被所述分色镜与设置在所述分色镜下方且与其成45 度角的所述反射镜依次反射后由所述平衡探测器探测接收。所述互相关平衡探测装置包括两个透射基频光且反射倍频光的分色镜、一 PPKTP 倍频晶体、一平衡探测器和三个反射镜；基频光发射到与光传播方向成45度角的所述分色镜后，部分基频光被所述PPKTP晶体倍频，倍频光被与光传播方向成135度角的所述另一分色镜与设置在所述分色镜正下方且与所述分色镜平行的所述反射镜反射后被所述平衡探测器探测；基频光透过所述另一分色镜后经一垂直于光传播方向且竖直放置的所述反射镜反射后原路返回，返回的部分基频光经过所述PPKTP晶体时再次倍频，新的倍频光被所述分色镜与设置在所述分色镜下方且与所述分色镜成45度角的所述反射镜依次反射后被所述平衡探测器探测接收。所述信号处理装置包括一 A/D转换器、一中央处理单元、一计时单元和一数据存储显示单元；所述A/D转换器将分别接收到的所述光电探测器和互相关平衡探测装置的电信号经A/D转化后发送给所述中央处理单元，所述中央处理单元同时得到所述光电探测器和互相关平衡探测器的信号幅值，所述中央处理单元通过监测所述光电探测器的信号幅值
C χ
进而控制所述计时单元计时并通过计算得到时间间隔τ，根据公式Z= &进一步计算得到
需要测量的距离L，最后将测量结果发送到所述数据存储显示单元，式中，c为真空中光速， η为空气折射率。所述两频率基准源采用两个独立的精密频率基准源或有双路输出的单个精密频率基准源；所述频率基准源采用频率相对稳定度优于10—9的精密频率基准源；两所述激光器均采用超短脉冲锁模激光器。所述干涉系统采用迈克尔逊干涉系统和马赫-曾德干涉系统中的一种。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本发明由于采用频率基准源对超短脉冲锁模激光器进行精密的重复频率锁定，因此发出的激光脉冲序列具有非常稳定的重复频率，而且在频域上具有稳定的频率间隔，能很好地用于绝对距离测量中。2、本发明由于采用一对有微小重频差的超短脉冲锁模激光器作为光源，因此可以实现米级的测量范围，并且测量速度快可以达到每秒测量数千次，若配备传统激光测距仪粗测，可将量程扩大至百米甚至千米量级。3、本发明由于采用互相关平衡探测装置，对于时间间隔的测量精度可以达到飞秒甚至亚飞秒级，对应距离的测量精度可以达到亚微米量级。本发明可以广泛应用于绝对距离测量中。


图1是本发明的超短脉冲激光测距系统光路示意图；图2是本发明两个激光器发出的激光脉冲序列示意图；图3是本发明的互相关平衡探测装置另一结构示意图；图4是本发明两个激光器的激光脉冲序列在经过分光镜8后的空间分布示意图； 其中，黑色空心细线条块表示参考臂脉冲序列，黑色实心条块表示测量臂脉冲序列，黑色空心粗线条块表示本机振荡脉冲序列，虚线框标出了脉冲叠加的位置；图5是本发明被测两脉冲的时间差Δ t与信号幅值的标定曲线。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。如图1所示，本发明包括两精密的频率基准源1、2，两激光器3、4，两半波片5、6， 一迈克尔逊干涉系统7，一分光镜8，一光电探测器9，一互相关平衡探测装置10和一信号处理装置11。其中，迈克尔逊干涉系统7包括一分光镜71和两角反射镜72、73(图中上侧虚框内)；互相关平衡探测装置10包括两分色镜101、102、一 PPKTP倍频晶体103(第II类相位匹配倍频晶体)、一平衡探测器104和一反射镜105(图中中间虚框内)；信号处理装置11包括一 A/D转换器111、一中央处理单元112、一计时单元113和一数据存储显示单元 114(图中下侧虚框内)。进行距离测量时，两频率基准源1、2分别锁定两激光器3、4的重复频率，目的是使两激光器3、4发出的激光具有非常稳定的重复频率和频率间隔。激光器3发出激光经垂直于光传播方向且竖直放置的半波片5发射到迈克尔逊干涉系统7中，迈克尔逊干涉系统7 中的一与光传播方向成45度角的分光镜71把接收到的激光分成两部分，一部分发射到设置在分光镜71正上方的角反射镜72中，一部分透射到与分光镜71在同一水平方向的角反射镜73中，经角反射镜72、73反射回的激光在分光镜71处汇合并被反射。激光器4发出的激光经另一垂直于光传播方向且竖直放置的半波片6与分光镜71反射的激光经一设置在分光镜71正下方且与激光器4发出的光传播方向成135度角的分光镜8汇合后分成两束激光，其中一束激光被光电探测器9探测，另外一束激光发射到互相关平衡探测装置10。本发明定义进入互相关平衡探测装置10之前的激光为基频光，倍频后的激光为倍频光，该基频光发射到互相关平衡探测装置10中，互相关平衡探测装置10中与光传播方向成45度角的分色镜101对基频光全部透射，透射的基频光传输到PI3KTP倍频晶体103中， 部分基频光被转换成倍频光，倍频光和剩余的基频光一起发射到垂直光传播方向且竖直放置的分色镜102，分色镜102对倍频光透射而对基频光反射，经分色镜102透射的倍频光被平衡探测器104的其中一路探测接收；基频光被分色镜102反射后按原路返回，原路返回的基频光中的部分基频光经过PI3KTP倍频晶体103再次倍频，新产生的倍频光被分色镜101 和设置在分色镜101下方且与其成45度角的反射镜105依次反射后由平衡探测器104的另外一路探测接收。光电探测器9和平衡探测器104将探测到的信号经A/D转换器111进行A/D转换后发送到中央处理单元112，中央处理单元112通过监测光电探测器9的信号幅值进而控制计时单元113对有关参数进行测量和计算，把计算得到的结果发送到数据存储显示单元114中。 如图2所示，上述实施例中，本发明的频率基准源1、2可以采用两个独立的频率基准源，也可以采用有双路输出的单个频率基准源；本发明的频率基准源1、2均采用频率相对稳定度优于10_9的精密频率基准源，例如原子钟。两个频率基准源1、2分别锁定激光器 3、4的重复频率，其在时域上的重复周期分别记为Tri和Trf，周期差记为Δ Tr,假设重复频率分别为50MHz和50. 002MHz,即二者重复频率差为2kHz。上述实施例中，本发明的激光器3、4均采用超短脉冲锁模激光器，例如皮秒激光器或飞秒激光器等。上述实施例中，半波片5用于调整激光器3发出的激光的偏振方向，使得激光器3发出激光的偏振方向与PI3KTP倍频晶体103的本征偏振方向匹配；半波片6用于调整从激光器4发出激光的偏振方向，使之与激光器3发出的激光的偏振方向垂直。上述实施例中，在对距离进行测量时，本发明定义角反射镜72为参考镜，固定不动，角反射镜73为测量镜，放置在要测量的位置处。角反射镜72关于分光镜71的镜面对称位置标记记为基线位置(如图1中所示的点划线)，角反射镜73到基线的距离L即为测量距离(如图1所示)。上述实施例中，PI3KTP倍频晶体103选用周期极化磷酸钛钾晶体，PPKTP倍频晶体 103的效率决定有多少比例的基频光在经过PPKTP倍频晶体103后被倍频。例如PPKTP倍频晶体103的效率为30%，则基频光进入PI3KTP倍频晶体103有30%的基频光被转成倍频光。上述实施例中，平衡探测器104是由两个光电探测器和相应的电路组成。上述实施例中，中央处理单元112可以选择使用计算机、单片机、数字信号处理器 (DSP)或可编程逻辑器件(FPGA、CPLD等)实现对测量数据的处理。如图3所示，上述实施例中，互相关平衡探测装置10中采用的两个分色镜101、102 的功能是不同的，分色镜101对基频光透射对倍频光反射，分色镜102对倍频光透射而对基频光反射，本发明还可以有采用两个功能相同的分色镜来实现此装置的功能，具体方式如下采用两个功能相同的分色镜101、102，两个分色镜101、102都是对基频光透射对倍频光反射，入射的基频光透过与光传播方向成45度角的分色镜101后，部分基频光被PHiTP晶体103倍频，倍频光被设置在与光传播方向成135度角的分色镜102和设置在分色镜102 正下方且与分色镜102平行的反射镜106反射后被平衡探测器104的其中一路探测接收； 基频光透过分色镜101后经垂直于光传播方向且竖直放置的反射镜107反射后原路返回， 按原路返回的部分基频光经过PPKTP晶体103时再次被倍频，新产生的倍频光被分色镜101 和设置在分色镜101正下方且与其成45度角的反射镜105依次反射后被平衡探测器104 的另外一路探测接收，该装置与原装置相比多使用了两个反射镜106、107。上述各实施例中，在实际的三维空间中摆放各部件时可在实现所述功能的前提下自由调整。根据上述超短脉冲激光测距系统，对距离的测量过程如下如图4所示，当测量的距离L不为零时，从两个角反射镜72、73返回的激光会有一
C T
定的时间间隔τ。若能精确测量出这个时间间隔τ，可以根据公式Z=&计算出需要测量
的距离L，其中，c为真空中光速，η为空气折射率。在测量距离L的过程中，入射到互相关平衡探测装置10之前的光为两正交的线偏振激光，其中一激光脉冲序列里包含参考臂脉冲序列和测量臂脉冲序列，另一激光脉冲序列为本机振荡脉冲。本发明定义角反射镜72返回的激光脉冲序列为参考臂脉冲序列(如图4上面所示的黑色空心细线条块)，定义反射镜73返回的激光脉冲序列为测量臂脉冲序列(如图4 上面所示的黑色实心条块)，定义激光器4发出的激光脉冲序列为本机振荡脉冲序列(如图 4下面所示的黑色空心粗线条块)。经过分光镜8之后，参考臂脉冲序列和测量臂脉冲序列与本机振荡脉冲序列发生混合，由于两个激光器3、4重复频率差的存在，本机振荡脉冲序列中的各个脉冲与参考臂脉冲序列中的各个脉冲和测量臂脉冲序列中的各个脉冲都会分别经历从分离到逐渐靠近， 然后叠加，再逐渐远离的过程，而且每经过一段厂= #的时间，上述过程会重复一次。
上述现象在分光镜8的透射光束和反射光束中均存在，而且完全相同。如图4所示，当发生两个脉冲叠加时仅考虑两脉冲发生最大叠加的情况，即此时两个脉冲叠加的幅值最大、两脉冲中心之间的时间差最小。假设第k个本机振荡脉冲与第 j个参考臂脉冲发生了最大叠加，将这两个脉冲中心之间的时间间隔记为τ工，经过m个Trt 的时间之后，第k+m个本机振荡脉冲与第j+m-1个测量臂脉冲发生最大叠加，并将这两脉冲中心之间的时间间隔记为τ2。而此时，第k+m个本机振荡脉冲与第j+m个参考臂脉冲之间的时间差为πιΔ ；+ τ ”由此可得到第j+m个参考臂脉冲和第j+m_l个测量臂脉冲之间的时间差为mAi;+Tl+T2。因此测量距离L的参考臂脉冲与相应的测量臂脉冲的时间间隔τ 由下式计算得到
权利要求
1.一种超短脉冲激光测距系统，其特征在于它包括两频率基准源、两激光器、两半波片、一干涉系统、一分光镜、一光电探测器、一互相关平衡探测装置和一信号处理装置；所述两频率基准源分别锁定所述两激光器的重复频率，其中一所述激光器发出的激光经一所述半波片后再经所述干涉系统出射；另一所述激光器发出的激光经另一所述半波片后与所述干涉系统出射的激光在所述分光镜处汇合后并分成两束激光，其中一束激光由所述光电探测器探测并转化为电信号后发送至所述信号处理装置，另外一束激光由所述互相关平衡探测装置探测并转化为电信号后发送至所述信号处理装置，所述信号处理装置将接收到的两组信号进行计算进而得到距离的测量值。
2.如权利要求1所述的一种超短脉冲激光测距系统，其特征在于所述互相关平衡探测装置包括两不同的分色镜、一 PPKTP倍频晶体、一平衡探测器和一反射镜；基频光发射到与光传播方向成45度角的所述分色镜中，所述分色镜对基频光全部透射，透射的部分基频光经所述PPKTP倍频晶体倍频后和剩余的基频光一起发射到所述另一分色镜，所述另一分色镜对倍频光透射而对基频光反射，透射的倍频光被所述平衡探测器探测接收，基频光被所述另一分色镜反射按原路返回，返回的部分基频光经所述PI3KTP倍频晶体再次倍频，新的倍频光被所述分色镜与设置在所述分色镜下方且与其成45度角的所述反射镜依次反射后由所述平衡探测器探测接收。
3.如权利要求1所述的一种超短脉冲激光测距系统，其特征在于所述互相关平衡探测装置包括两个透射基频光且反射倍频光的分色镜、一 PPKTP倍频晶体、一平衡探测器和三个反射镜；基频光发射到与光传播方向成45度角的所述分色镜后，部分基频光被所述 PPKTP晶体倍频，倍频光被与光传播方向成135度角的所述另一分色镜与设置在所述分色镜正下方且与所述分色镜平行的所述反射镜反射后被所述平衡探测器探测；基频光透过所述另一分色镜后经一垂直于光传播方向且竖直放置的所述反射镜反射后原路返回，返回的部分基频光经过所述PPKTP晶体时再次倍频，新的倍频光被所述分色镜与设置在所述分色镜下方且与所述分色镜成45度角的所述反射镜依次反射后被所述平衡探测器探测接收。
4.如权利要求1或2或3所述的一种超短脉冲激光测距系统，其特征在于所述信号处理装置包括一 A/D转换器、一中央处理单元、一计时单元和一数据存储显示单元；所述A/ D转换器将分别接收到的所述光电探测器和互相关平衡探测装置的电信号经A/D转化后发送给所述中央处理单元，所述中央处理单元同时得到所述光电探测器和互相关平衡探测器的信号幅值，所述中央处理单元通过监测所述光电探测器的信号幅值进而控制所述计时单元计时并通过计算得到时间间隔τ，根据公式L =ct/2n ;进一步计算得到需要测量的距离L，最后将测量结果发送到所述数据存储显示单元，式中，c为真空中光速，η为空气折射率。
5.如权利要求1或2或3所述的一种超短脉冲激光测距系统，其特征在于所述两频率基准源采用两个独立的精密频率基准源或有双路输出的单个精密频率基准源；所述频率基准源采用频率相对稳定度优于10_9的精密频率基准源；两所述激光器均采用超短脉冲锁模激光器。
6.如权利要求4所述的一种超短脉冲激光测距系统，其特征在于所述两频率基准源采用两个独立的精密频率基准源或有双路输出的单个精密频率基准源；所述频率基准源采用频率相对稳定度优于10_9的精密频率基准源；两所述激光器均采用超短脉冲锁模激光器。
7.如权利要求1或2或3或6所述的一种超短脉冲激光测距系统，其特征在于所述干涉系统采用迈克尔逊干涉系统和马赫-曾德干涉系统中的一种。
8.如权利要求4所述的一种超短脉冲激光测距系统，其特征在于所述干涉系统采用迈克尔逊干涉系统和马赫-曾德干涉系统中的一种。
9.如权利要求5所述的一种超短脉冲激光测距系统，其特征在于所述干涉系统采用迈克尔逊干涉系统和马赫-曾德干涉系统中的一种。
全文摘要
本发明涉及一种超短脉冲激光测距系统，其特征在于它包括两频率基准源、两激光器、两半波片、一干涉系统、一分光镜、一光电探测器、一互相关平衡探测装置和一信号处理装置；两频率基准源分别锁定两激光器的重复频率，其中一激光器发出的激光经一半波片发射到干涉系统中；另一激光器发出的激光经另一半波片后与干涉系统中发射的激光在分光镜处汇合后并分成两束激光，其中一束激光由光电探测器探测并转化为电信号后发送至信号处理装置，另外一束激光由互相关平衡探测装置探测并转化为电信号后发送至信号处理装置，信号处理装置将接收到的两组信号进行计算进而得到距离的测量值。本发明具有精度高、量程大以及测速快的优点，可以广泛应用于绝对距离测量中。
文档编号G01C3/00GK102278973SQ20111019490
公开日2011年12月14日 申请日期2011年7月12日 优先权日2011年7月12日
发明者吴冠豪 申请人:清华大学