[go: up one dir, main page]

CN117741677A - 一种基于光梳齿间自干涉信号二次混频的测距装置和方法 - Google Patents

一种基于光梳齿间自干涉信号二次混频的测距装置和方法 Download PDF

Info

Publication number
CN117741677A
CN117741677A CN202311761113.9A CN202311761113A CN117741677A CN 117741677 A CN117741677 A CN 117741677A CN 202311761113 A CN202311761113 A CN 202311761113A CN 117741677 A CN117741677 A CN 117741677A
Authority
CN
China
Prior art keywords
optical comb
measurement
self
interference
signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202311761113.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN117741677B (zh
Inventor
杨睿韬
杨大成
孙昊
徐志鹏
胡鹏程
谭久彬
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Harbin Institute of Technology Shenzhen
Original Assignee
Harbin Institute of Technology Shenzhen
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Harbin Institute of Technology Shenzhen filed Critical Harbin Institute of Technology Shenzhen
Priority to CN202311761113.9A priority Critical patent/CN117741677B/zh
Publication of CN117741677A publication Critical patent/CN117741677A/zh
Priority to US18/663,403 priority patent/US12259240B1/en
Application granted granted Critical
Publication of CN117741677B publication Critical patent/CN117741677B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers
    • G01B9/02001—Interferometers characterised by controlling or generating intrinsic radiation properties
    • G01B9/02007—Two or more frequencies or sources used for interferometric measurement
    • G01B9/02008—Two or more frequencies or sources used for interferometric measurement by using a frequency comb
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers
    • G01B9/02001—Interferometers characterised by controlling or generating intrinsic radiation properties
    • G01B9/02002—Interferometers characterised by controlling or generating intrinsic radiation properties using two or more frequencies
    • G01B9/02003—Interferometers characterised by controlling or generating intrinsic radiation properties using two or more frequencies using beat frequencies
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers
    • G01B9/02041—Interferometers characterised by particular imaging or detection techniques
    • G01B9/02048—Rough and fine measurement
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B2290/00—Aspects of interferometers not specifically covered by any group under G01B9/02
    • G01B2290/70—Using polarization in the interferometer

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
  • Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明属于高精度激光测距技术领域，公开了一种基于光梳齿间自干涉信号二次混频的测距装置和方法，双光梳光源发出的双光梳激光进入光梳齿间自干涉信号探测光路，从而获取到调制了待测距离信息的光梳齿间自干涉信号；光梳齿间自干涉信号经过光梳齿间自干涉信号探测光路进入到光梳齿间自干涉二次混频信号生成、采集与计算模块，并生成光梳齿间自干涉二次混频信号，实现信号采集并计算得到测距结果；本发明实现了不同尺度下的粗、精测量，结合同步生成的中间过渡级测尺和级间过渡方法，可有效兼顾测距范围和精度，测量实时性强，光源成本低且系统规模较小。

Description

一种基于光梳齿间自干涉信号二次混频的测距装置和方法
技术领域
本发明属于高精度激光测距技术领域，具体涉及一种基于光梳齿间自干涉信号二次混频的测距装置和方法。
背景技术
齿间自干涉测距技术由对比文件1[Kaoru Minoshima,et al.High-accuracymeasurement of 240-m distance in an optical tunnel by use of a compactfemtosecond laser,Appl.Opt.2020,39(30):5512]提出，该方法通过光梳中各个梳齿信号之间的自干涉，同步生成一组波长从小到大的齿间自干涉信号作为测尺，相邻梳齿之间的自干涉信号(即重频信号)对应的测尺波长和测量范围(测尺波长的一半)最大，而光电探测器能探测得到的最高频率齿间自干涉信号对应的测尺波长最小但测量精度最高。通过不同长度多级测尺的同步生成，该技术可在一定范围内兼顾大范围、高精度以及高速度等优点，具有较好的应用前景。
但使用单个光梳进行齿间自干涉测距时，目前常用光梳的相邻齿间频差(即重频)通常大于1MHz，对应齿间自干涉测距的测量范围最大测量范围仅为数百米。为进一步扩大测量范围，可以选择更低重频的光梳生成测尺波长更大的齿间自干涉信号，但此时低重频的光梳齿间自干涉难以生成高质量的高频测尺信号，所引入的额外相位噪声导致在提升测距范围时难以维持原有的测距精度。因此如何在保证原有测距精度的同时获取更大波长的测尺，是目前进一步提升齿间自干涉测距范围的主要问题。
针对上述问题，目前国内外主要有两种技术解决方案：基于单光梳重频扫描的齿间自干涉测距方法和基于相干双光梳的多波长齿间互干涉测距方法等。
基于单光梳重频扫描的齿间自干涉测距方法由对比文件2[Yoon-Soo Jang etal.Absolute distance measurement with extension of nonambiguity range usingthe frequency comb of a femtosecond laser.Opt.Eng.2014,53(12):122403]提出，该方法将单光梳的重频进行扫描，使齿间自干涉信号生成不同的测尺波长，进一步合成多个不同重频的测尺波长，得到更大的合成波长用于提升齿间自干涉测距的范围。该对比文件通过扫描重频，将光梳齿间自干涉所生成的最大测尺波长从3m微调为3.33mm，再将3m与3.33m的测尺波长进行合成，得到了2.7km的合成波长，因而将测距范围提升至1.35km，同时使用重频为100MHz的光梳生成1GHz的齿间自干涉信号作为精测测尺，兼顾了较高的测距精度。然而该方法需要手动对光梳重频进行微调，使得各级齿间自干涉测尺波长不是同步生成，无法对目标距离进行粗测和精测同步探测和计算，牺牲了齿间自干涉测距技术所具有的高速度测量优势。
基于相干双光梳的多波长齿间互干涉测距方法由对比文件3[Wang Guo-Chao etal.Analysis of an innovative method for large-scale high-precision absolutedistance measurement based on multi-heterodyne interference of dual opticalfrequency combs.Acta Phys.Sin.2013,62(7):070601]提出，该方法利用两个相干光梳在光电探测器表面发生双光梳之间的齿间互干涉，提取其中最低频率的干涉信号并以此实现最大波长测尺的生成。文献提出利用重频差值为100kHz、偏移频率差值为0的双光梳，通过齿间互干涉生成了波长为3km的测尺，将测距范围提升至1.5km，同时利用传统的齿间自干涉测距技术，使用重频为100MHz的光梳同步地生成高频精测测尺，可以兼顾较高的测距精度和测量速度。但是，该方法不仅要求双光梳具有稳定的重频以满足传统齿间自干涉测距技术的需要，还要求双光梳具有稳定的偏移频率差值以保证双光梳之间齿间互干涉信号的稳定性，这使得该方法对双光梳光源提出了更高的成本要求。市面上满足上述要求的一套重频与偏移频率全稳频的光梳商品，其价格超过两百万元。两套频率相互锁定的双光梳系统，仅光源价格就超过五百万元。同时占地面积超过4平方米，系统难以集成小型化。
现有技术存在以下缺点：
1、经典的单光梳齿间自干涉测距方法难以兼顾千米级大范围和微米级高精度，目前常用光梳的相邻齿间频差(即重频)通常大于1MHz，对应齿间自干涉测距的测量范围最大测量范围仅为数百米。为进一步扩大测量范围，可以选择更低重频的光梳生成测尺波长更大的齿间自干涉信号，但此时低重频的光梳齿间自干涉难以生成高质量的高频测尺信号，所引入的额外相位噪声导致在提升测距范围时难以维持原有的测距精度。因此如何在保证原有测距精度的同时获取更大波长的测尺，是目前进一步提升齿间自干涉测距范围的主要问题。
2、基于单光梳重频扫描的齿间自干涉测距方法需要手动对光梳重频进行微调，使得各级齿间自干涉测尺波长不是同步生成，无法对目标距离进行粗测和精测同步探测和计算，牺牲了齿间自干涉测距技术所具有的高速度测量优势。
3、基于相干双光梳的多波长齿间互干涉测距方法不仅要求双光梳具有稳定的重频以满足传统齿间自干涉测距技术的需要，还要求双光梳具有稳定的偏移频率差值以保证双光梳之间齿间互干涉信号的稳定性，这使得该方法对双光梳光源提出了更高的成本要求。市面上满足上述要求的一套重频与偏移频率全稳频的光梳商品，其价格超过两百万元。两套频率相互锁定的双光梳系统，仅光源价格就超过五百万元。同时占地面积超过4平方米，系统难以集成小型化。
综上所述，目前光梳齿间自干涉测距技术领域，缺少一种能实现上千米测距范围、同时兼顾测距精度、测量速度以及系统成本的测量装置与方法。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于光梳齿间自干涉信号二次混频的测距装置和方法，以解决现有技术中的问题，本发明所采用的技术方案是：
一种基于光梳齿间自干涉信号二次混频的测距装置，包括：双光梳光源、光梳齿间自干涉信号探测光路和光梳齿间自干涉二次混频信号生成、采集与计算模块；
双光梳光源发出的双光梳激光进入光梳齿间自干涉信号探测光路，从而获取到调制了待测距离信息的光梳齿间自干涉信号；光梳齿间自干涉信号经过光梳齿间自干涉信号探测光路进入到光梳齿间自干涉二次混频信号生成、采集与计算模块，并生成光梳齿间自干涉二次混频信号，实现信号采集并计算得到测距结果；
所述双光梳光源包括光梳I激光器和光梳II激光器；所述双光梳光源包括光梳I激光器和光梳II激光器；光梳I激光器的重频锁定至fr，光梳II激光器的重频锁定至fr；光梳I激光器和光梳II激光器发出光梳I和光梳II，光梳I和光梳II的偏移频率不进行锁定；
光梳I的第N阶齿间自干涉信号为：光梳I的各个纵模梳齿中频率间隔为Nfr的成对纵模，梳齿组合发生拍频干涉所生成的信号；
光梳II的第M阶齿间自干涉信号为：光梳II各个纵模梳齿中频率间隔为Mfr的成对纵模，梳齿组合发生拍频干涉所生成的信号；
其中，N的取值由测距精度需求决定，在相同干涉相位测量精度条件下，频率Nfr越高则测距精度越高。
进一步的，所述光梳I激光器和所述光梳II激光器发出的光梳I和光梳II均为线偏振光且偏振方向相互正交。
进一步的，所述光梳齿间自干涉信号探测光路包括参考端光梳II探测器、参考端光梳I探测器、参考端偏振分光棱镜、参考端二分之一波片、目标反射镜、50/50分光棱镜、测量端二分之一波片、测量端偏振分光棱镜、测量端光梳I探测器和测量端光梳II探测器；
双光梳光源发出的光梳I和光梳II在50/50分光棱镜处发生反射和透射，其中反射光通过参考端二分之一波片后，在参考端偏振分光棱镜处发生透射和反射，其中光梳I被反射后照射到参考端光梳I探测器，光梳II被透射后照射到参考端光梳II探测器；
在50/50分光棱镜处透射的光束在目标反射镜处发生反射，反射光回到50/50分光棱镜并再次发生反射和透射，其中反射光通过测量端二分之一波片后，在测量端偏振分光棱镜处发生反射和透射，其中光梳I被反射后照射到测量端光梳I探测器，光梳II被透射后照射到测量端光梳II探测器。
进一步的，所述光梳齿间自干涉信号包括：
光梳I在参考端光梳I探测器和测量端光梳I探测器生成的第N阶齿间自干涉信号；
光梳II在参考端光梳II探测器和测量端光梳II探测器生成的第M阶齿间自干涉信号。
进一步的，所述光梳齿间自干涉二次混频信号生成、采集与计算模块包括参考端粗测信号生成混频器、参考端精测信号生成混频器、本地振荡器、测量端精测信号生成混频器、测量端粗测信号生成混频器、数据采集卡和上位机；
参考端光梳I探测器生成的光梳I第N阶齿间自干涉信号分为两路，其中一路在参考端粗测信号生成混频器处与参考端光梳II探测器生成的光梳II第M阶齿间自干涉信号发生二次混频，生成参考端最长测尺波长的粗测信号，另一路在参考端精测信号生成混频器处与本地振荡器发射的本振信号发生混频，将参考端的距离精测信息解调到低频段；
测量端光梳I探测器生成的光梳I第N阶齿间自干涉信号分为两路，其中一路在测量端粗测信号生成混频器处与测量端光梳II探测器生成的光梳II第M阶齿间自干涉信号发生二次混频，生成测量端最长测尺波长的粗测信号，另一路在测量端精测信号生成混频器处与本地振荡器发射的本振信号发生混频，将测量端的距离精测信息解调到低频段；
四路中频信号分别传输至数据采集卡的不同采集通道，所采集的数据传输至上位机进行计算。
进一步的，所述光梳齿间自干涉二次混频信号为光梳I第N阶齿间自干涉信号和光梳II第M阶齿间自干涉信号发生二次混频所生成的信号，其频率fnd为光梳齿间自干涉信号的频差：f2nd＝|Nfr1-Mfr2|，该频率所对应的相位测距不模糊范围为其中c为真空光速，n为光梳齿间自干涉二次混频信号的等效折射率，其值为/>其中n为光梳I的群折射率，n为光梳II的群折射率；
所述光梳齿间自干涉二次混频信号用于距离粗测，其频率fnd满足级间过渡条件；所述正整数M的取值由测距不模糊范围需求和频率Nfr所决定，频率fnd越低则测距不模糊范围越大。
一种基于光梳齿间自干涉信号二次混频的测距方法，包括：
步骤一：启动双光梳光源，通过设置双光梳的重频fr和fr以保证待测距离L不超过不模糊范围LNAR的二分之一，同时保证在参考端粗测信号生成混频器和测量端粗测信号生成混频器处分别产生的二次混频粗测信号，频率低于数据采集卡采集频率的二分之一；启动本地振荡器，发射频率为fLO的本振信号，通过设置频率fLO以保证在参考端精测信号生成混频器和测量端精测信号生成混频器处分别产生的精测混频信号，频率低于数据采集卡采集频率的二分之一；
步骤二：将目标反射镜放置在零点位置；使用数据采集卡和上位机对于分别来自于参考端精测信号生成混频器和测量端精测信号生成混频器所产生的精测混频信号进行采集和计算，得到测量端相对于参考端的精测相位差φfine；使用数据采集卡和上位机对于分别来自于参考端粗测信号生成混频器和测量端粗测信号生成混频器所产生的二次混频粗测信号进行采集和计算，得到测量端相对于参考端的粗测相位差φcoarse；
步骤三：将目标反射镜的位置移动到被测距离L处；使用数据采集卡和上位机对于分别来自于参考端精测信号生成混频器和测量端精测信号生成混频器所产生的精测混频信号进行采集和计算，得到测量端相对于参考端的精测相位差φfine；使用数据采集卡和上位机对于分别来自于参考端粗测信号生成混频器和测量端粗测信号生成混频器所产生的二次混频粗测信号进行采集和计算，得到测量端相对于参考端的粗测相位差φcoarse；
步骤四：计算距离精测值Lfine和距离粗测值Lcoarse，计算公式分别为：
步骤五：计算待测距离L，计算公式为：
其中floor[]表示向下取整，待测距离L的计算公式成立的前提条件是满足级间过渡条件；
步骤六：使用级间过渡条件判断步骤五中待测距离L的计算公式是否成立，级间过渡条件公式为：
其中U(Lcoarse)为粗测不确定度，λfine为精测测尺波长；如果当前设置的fr和fr无法保证二次混频粗测信号与光梳I第N阶齿间自干涉精测信号满足级间过渡条件，则选择合适的P和Q，将频率为|Pfr1-Qfr2|的光梳齿间自干涉二次混频信号作为中间过渡测尺，使其首先满足如下公式中粗测测尺和中间过渡测尺的级间过渡条件：
其中，λmiddle为频率为|Pfr1-Qfr2|的光梳齿间自干涉二次混频信号的波长；再进行步骤二至步骤五，分别测量频率为|Pfr1-Qfr2|的光梳齿间自干涉二次混频信号在零点位置和待测距离处测量端相对参考端的相位差φmiddle和φmiddle，利用以下公式计算中间过渡测尺的测距结果：
再使中间过渡测尺满足和精测测尺的级间过渡条件：
重复以上步骤，通过选择合适的P和Q，将频率为|Pfr1-Qfr2|的光梳齿间自干涉二次混频信号作为中间过渡测尺，使其满足上述两个级间过渡条件，即可实现三个测尺之间的精度传递；
步骤七：在引入中间过渡测尺满足两个级间过渡条件后，首先利用频率为fnd、|Pfr1-Qfr2|的光梳齿间自干涉二次混频信号作为一对粗测、过渡测尺，分别计算出对应的粗测距离Lcoarse、过渡距离Lmiddle，并将其带入步骤五的公式中计算出过渡距离，记为Lcoarse-new：
其次，如步骤四中所述，使用频率为Nfr的光梳齿间自干涉信号作为精测测尺，计算出精测距离Lfine；最后，再将过渡距离Lcoarse和精测距离Lfine代入步骤五的公式中求出最终的待测距离L：
本发明具有以下有益效果：
(1)、兼顾数百米至数公里的测距不模糊范围和十微米甚至微米级的测距精度。本发明使用双光梳光源，既能够生成频率较高的光梳齿间自干涉信号作为精测测尺，还能够生成频率极低的光梳齿间自干涉二次混频信号作为粗测测尺，实现了不同尺度下的粗、精测量，结合同步生成的中间过渡级测尺和级间过渡方法，可有效兼顾测距范围和精度；
(2)、测量实时性强。本发明实现了粗、精测尺同时生成、同时探测、同时计算，与其它对测尺进行调节的大范围测距方法相比，本发明具有较强的实时性；
(3)、光源成本低且系统规模较小。本发明不依赖于价格昂贵、体积庞大的全稳频双光梳光源，仅需使用仅稳定了重频的双光梳光源即可，与其它通过全稳频双光梳光源实现粗、精测尺生成的大范围测距方法相比，本发明具有较低的成本和较小的系统规模。
附图说明
图1为本发明的基于光梳齿间自干涉二次混频激光测距装置的原理示意图；
图2为应用本发明的基于光梳齿间自干涉二次混频激光测距装置的具体实施方式图；
图3为本发明所述的光梳齿间自干涉二次混频信号生成原理示意图；
图中：双光梳光源1、光梳齿间自干涉信号探测光路2、光梳齿间自干涉二次混频信号生成、采集与计算模块3、光梳I激光器4、光梳II激光器5、参考端光梳II探测器6、参考端光梳I探测器7、参考端偏振分光棱镜8、参考端二分之一波片9、目标反射镜10、50/50分光棱镜11、测量端二分之一波片12、测量端偏振分光棱镜13、测量端光梳I探测器14、测量端光梳II探测器15、参考端粗测信号生成混频器16、参考端精测信号生成混频器17、本地振荡器18、测量端精测信号生成混频器19、测量端粗测信号生成混频器20、数据采集卡21、上位机22、参考端粗测信号生成滤波器23、参考端精测信号生成滤波器24、测量端精测信号生成滤波器25、测量端粗测信号生成滤波器26。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的图1-图3，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出基于光梳齿间自干涉信号二次混频的大范围高精度快速测距装置，所述装置包括双光梳光源1、光梳齿间自干涉信号探测光路2和光梳齿间自干涉二次混频信号生成、采集与计算模块3；双光梳光源1发出的双光梳激光进入光梳齿间自干涉信号探测光路2以后，获取到调制了待测距离信息的光梳齿间自干涉信号，再将该信号传送至光梳齿间自干涉二次混频信号生成、采集与计算模块3，生成光梳齿间自干涉二次混频信号，实现信号采集并计算得到测距结果。
所述双光梳光源1包括光梳I激光器4和光梳II激光器5；光梳I激光器4的重频锁定至fr1，光梳II激光器5的重频锁定至fr2；光梳I和光梳II的偏移频率自由运行，不进行锁定控制；双光梳光源1发出光梳I和光梳II均为线偏振光且偏振方向相互正交；
进一步地，所述光梳齿间自干涉信号探测光路2包括参考端光梳II探测器6、参考端光梳I探测器7、参考端偏振分光棱镜8、参考端二分之一波片9、目标反射镜10、50/50分光棱镜11、测量端二分之一波片12、测量端偏振分光棱镜13、测量端光梳I探测器14和测量端光梳II探测器15；双光梳光源1发出的光梳I和光梳II在50/50分光棱镜11处发生反射和透射，其中反射光通过角度可调的参考端二分之一波片9后，在参考端偏振分光棱镜8处发生透射和反射，其中光梳I被反射后照射到参考端光梳I探测器7，而光梳II被透射后照射到参考端光梳II探测器6；而在50/50分光棱镜11处透射的光束在目标反射镜10处发生反射，反射光回到50/50分光棱镜11并再次发生反射和透射，其中反射光通过角度可调的测量端二分之一波片12后，在测量端偏振分光棱镜13处发生反射和透射，其中光梳I被反射后照射到测量端光梳I探测器14，而光梳II被透射后照射到测量端光梳II探测器15。
进一步地，所述光梳齿间自干涉信号包括：光梳I在参考端光梳I探测器7和测量端光梳I探测器14生成的第N阶齿间自干涉信号，光梳II在参考端光梳II探测器6和测量端光梳II探测器15生成的第M阶齿间自干涉信号；所述光梳I的第N阶齿间自干涉信号为：光梳I所包含的各个纵模梳齿中频率间隔为Nfr1的成对纵模，梳齿组合发生拍频干涉所生成的信号；所述光梳II的第M阶齿间自干涉信号为：光梳II所包含的各个纵模梳齿中频率间隔为Mfr2的成对纵模，梳齿组合发生拍频干涉所生成的信号；所述光梳I第N阶齿间自干涉信号用于距离精测，所述正整数N的取值由测距精度需求所决定，在相同干涉相位测量精度条件下，频率Nfr1越高则测距精度越高；
进一步地，所述光梳齿间自干涉二次混频信号生成、采集与计算模块3包括参考端粗测信号生成混频器16、参考端精测信号生成混频器17、本地振荡器18、测量端精测信号生成混频器19、测量端粗测信号生成混频器20、数据采集卡21和上位机22；参考端光梳I探测器7生成的光梳I第N阶齿间自干涉信号分为两路，其中一路在参考端粗测信号生成混频器16处与参考端光梳II探测器6生成的光梳II第M阶齿间自干涉信号发生二次混频，生成参考端最长测尺波长的粗测信号，另一路在参考端精测信号生成混频器17处与本地振荡器18发射的本振信号发生混频，将参考端的距离精测信息解调到低频段；测量端光梳I探测器14生成的光梳I第N阶齿间自干涉信号分为两路，其中一路在测量端粗测信号生成混频器20处与测量端光梳II探测器15生成的光梳II第M阶齿间自干涉信号发生二次混频，生成测量端最长测尺波长的粗测信号，另一路在测量端精测信号生成混频器19处与本地振荡器18发射的本振信号发生混频，将测量端的距离精测信息解调到低频段；所述四路中频信号分别传输至数据采集卡21的不同采集通道，所采集的数据传输至上位机22进行相位和待测距离粗测、精测结果的计算。
进一步地，所述光梳齿间自干涉二次混频信号为光梳I第N阶齿间自干涉信号和光梳II第M阶齿间自干涉信号发生二次混频所生成的信号，其频率f2nd为光梳齿间自干涉信号的频差，即f2nd＝|Nfr1-Mfr2|，该频率所对应的相位测距不模糊范围为其中c为真空光速，n为光梳齿间自干涉二次混频信号的等效折射率，其值为/>其中n1为光梳I的群折射率，n2为光梳II的群折射率；所述光梳齿间自干涉二次混频信号用于距离粗测，其频率f2nd应满足级间过渡条件；所述正整数M的取值由测距不模糊范围需求和频率Nfr1所决定，频率f2nd越低则测距不模糊范围越大。
本发明提出基于光梳齿间自干涉信号二次混频的大范围高精度快速测距方法，所述方法采用所述的基于光梳齿间自干涉信号二次混频的大范围高精度快速测距装置实现，所述方法具体包括以下步骤：
步骤一：启动双光梳光源1，通过设置双光梳的重频fr1和fr2以保证待测距离L不超过不模糊范围LNAR的二分之一，同时保证在参考端粗测信号生成混频器16和测量端粗测信号生成混频器20处分别产生的二次混频粗测信号，频率低于数据采集卡21采集频率的二分之一；启动本地振荡器18，发射频率为fLO的本振信号，通过设置频率fLO以保证在参考端精测信号生成混频器17和测量端精测信号生成混频器19处分别产生的精测混频信号，频率低于数据采集卡21采集频率的二分之一；
步骤二：将目标反射镜10放置在零点位置；使用数据采集卡21和上位机22对于分别来自于参考端精测信号生成混频器17和测量端精测信号生成混频器19所产生的精测混频信号进行采集和计算，得到测量端相对于参考端的精测相位差φfine0；使用数据采集卡21和上位机22对于分别来自于参考端粗测信号生成混频器16和测量端粗测信号生成混频器20所产生的二次混频粗测信号进行采集和计算，得到测量端相对于参考端的粗测相位差φcoarse0；
步骤三：将目标反射镜10的位置移动到被测距离L处；使用数据采集卡21和上位机22对于分别来自于参考端精测信号生成混频器17和测量端精测信号生成混频器19所产生的精测混频信号进行采集和计算，得到测量端相对于参考端的精测相位差φfine；使用数据采集卡21和上位机22对于分别来自于参考端粗测信号生成混频器16和测量端粗测信号生成混频器20所产生的二次混频粗测信号进行采集和计算，得到测量端相对于参考端的粗测相位差φcoarse。
步骤四：计算距离精测值Lfine和距离粗测值Lcoarse，计算公式分别为：
步骤五：计算待测距离L，计算公式为：
其中floor[]表示向下取整或向下舍入。所述待测距离L的计算公式成立的前提条件是满足级间过渡条件。
步骤六：使用级间过渡条件判断步骤五中待测距离L的计算公式是否成立，级间过渡条件公式为：
其中U(Lcoarse)为粗测不确定度，λfine为精测测尺波长；如果当前设置的fr1和fr2无法保证二次混频粗测信号与光梳I第N阶齿间自干涉精测信号满足级间过渡条件，则选择合适的P和Q，将频率为|Pfr1-Qfr2|的光梳齿间自干涉二次混频信号作为中间过渡测尺，使其首先满足如下公式中粗测测尺和中间过渡测尺的级间过渡条件：
其中，λmiddle为频率为|Pfr1-Qfr2|的光梳齿间自干涉二次混频信号的波长；再进行步骤二至步骤五，分别测量频率为|Pfr1-Qfr2|的光梳齿间自干涉二次混频信号在零点位置和待测距离处测量端相对参考端的相位差φmiddle0和φmiddle，利用以下公式计算中间过渡测尺的测距结果：
再使中间过渡测尺满足和精测测尺的级间过渡条件：
重复以上步骤，通过选择合适的P和Q，将频率为|Pfr1-Qfr2|的光梳齿间自干涉二次混频信号作为中间过渡测尺，使其满足上述两个级间过渡条件，即可实现三个测尺之间的精度传递。
步骤七：在引入中间过渡测尺满足两个级间过渡条件后，首先利用频率为f2nd、|Pfr1-Qfr2|的光梳齿间自干涉二次混频信号作为一对粗测、过渡测尺，分别计算出对应的粗测距离Lcoarse0、过渡距离Lmiddle，并将其带入步骤5的公式中计算出过渡距离，记为Lcoarse-new：
其次，如步骤四中所述，使用频率为Nfr1的光梳齿间自干涉信号作为精测测尺，计算出精测距离Lfine；最后，再将过渡距离Lcoarse和精测距离Lfine代入步骤五的公式中求出最终的待测距离L：
本发明提出一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其所述处理器执行所述计算机程序时实现所述基于光梳齿间自干涉二次混频的相位测距方法的步骤。
本发明提出一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现所述基于光梳齿间自干涉二次混频的激光测距方法的步骤。
下面通过一个具体实施例说明本发明的技术方案：
结合图2和图3说明本实施方式中的基于光梳齿间自干涉信号二次混频的大范围高精度快速测距装置，主要由双光梳光源1、光梳齿间自干涉信号探测光路2和光梳齿间自干涉二次混频信号生成、采集与计算模块3组成；双光梳光源1发出的激光进入光梳齿间自干涉信号探测光路2获取到调制了距离信息的光梳齿间自干涉信号，再将该信号传送至光梳齿间自干涉二次混频信号生成、采集与计算模块3，生成光梳齿间自干涉二次混频信号，实现信号采集并计算得到测距结果。
所述双光梳光源1包括光梳I激光器4和光梳II激光器5；光梳I激光器4的重频锁定至fr1＝100MHz，光梳II激光器5的重频锁定至fr2＝250.0025MHz；光梳I和光梳II的偏移频率不进行锁定；
所述光梳齿间自干涉信号包括光梳I第N＝100阶齿间自干涉信号和光梳II第M＝40阶齿间自干涉信号；所述光梳I第N＝100阶齿间自干涉信号为光梳I所包含的各个纵模梳齿中频率间隔为Nfr1＝10GHz的成对纵模梳齿组合发生拍频干涉所生成的信号；所述光梳II第M＝40阶齿间自干涉信号为光梳II所包含的各个纵模梳齿中频率间隔为Mfr2＝10.0001GHz的成对纵模梳齿组合发生拍频干涉所生成的信号；所述光梳I第N阶齿间自干涉信号用于距离精测，所述正整数N的取值由测距精度需求所决定，频率Nfr1越高则测距精度越高；
所述光梳齿间自干涉二次混频信号为光梳I第N＝100阶齿间自干涉信号和光梳II第M＝40阶齿间自干涉信号发生混频所生成的信号，其频率f2nd为光梳齿间自干涉信号的频差，即f2nd＝|Nfr1-Mfr2|＝0.1MHz，该频率所对应的相位测距不模糊范围为其中c为真空光速，n为光梳齿间自干涉二次混频信号的等效折射率，其值为/>其中n1为光梳I的群折射率，n2为光梳II的群折射率；在真空中取n＝1；所述光梳齿间自干涉二次混频信号用于距离粗测，其频率f2nd应满足级间过渡条件；所述正整数M的取值由测距不模糊范围需求和频率Nfr1所决定，频率f2nd越低则测距不模糊范围越大。
所述光梳齿间自干涉信号探测光路2包括参考端光梳II探测器6、参考端光梳I探测器7、参考端偏振分光棱镜8、参考端二分之一波片9、目标反射镜10、50/50分光棱镜11、测量端二分之一波片12、测量端偏振分光棱镜13、测量端光梳I探测器14和测量端光梳II探测器15；双光梳光源1发出的激光中，光梳I和光梳II均为偏振光且偏振方向相互正交，在50/50分光棱镜11处发生反射和透射，其中反射光通过角度可调的参考端二分之一波片9后，在参考端偏振分光棱镜8处发生透射和反射，其中光梳I被反射后照射到参考端光梳I探测器7，而光梳II被透射后照射到参考端光梳II探测器6；而在50/50分光棱镜11处透射的光束在目标反射镜10处发生反射，反射光回到50/50分光棱镜11并再次发生反射和透射，其中反射光通过角度可调的测量端二分之一波片12后，在测量端偏振分光棱镜13处发生反射和透射，其中光梳I被反射后照射到测量端光梳I探测器14，而光梳II被透射后照射到测量端光梳II探测器15。
所述光梳齿间自干涉二次混频信号生成、采集与计算模块3包括参考端粗测信号生成混频器16、参考端精测信号生成混频器17、本地振荡器18、测量端精测信号生成混频器19、测量端粗测信号生成混频器20、数据采集卡21、上位机22、参考端粗测信号生成滤波器23、参考端精测信号生成滤波器24、测量端精测信号生成滤波器25和测量端粗测信号生成滤波器26；参考端光梳I探测器7生成的光梳I第N＝100阶齿间自干涉信号分为两路，其中一路经过参考端精测信号生成滤波器24滤除无关频率成分后在参考端粗测信号生成混频器16处与参考端光梳II探测器6生成并经过参考端粗测信号生成滤波器23滤除无关频率成分后的光梳II第M＝40阶齿间自干涉信号发生混频并产生中频信号，另一路经过参考端精测信号生成滤波器24滤除无关频率成分后在参考端精测信号生成混频器17处与本地振荡器18发射的本振信号发生混频并产生中频信号；测量端光梳I探测器14生成的光梳I第N＝100阶齿间自干涉信号分为两路，其中一路经过测量端精测信号生成滤波器25滤除无关频率成分后在测量端粗测信号生成混频器20处与测量端光梳II探测器15生成并经过测量端粗测信号生成滤波器26滤除无关频率成分后的光梳II第M＝40阶齿间自干涉信号发生混频并产生中频信号，另一路在经过测量端精测信号生成滤波器25滤除无关频率成分后测量端精测信号生成混频器19处与本地振荡器18发射的本振信号发生混频并产生中频信号；所述四路中频信号分别传输至数据采集卡21的不同采集通道，所采集的数据传输至上位机22进行相位和待测距离粗测、精测结果的计算。
基于上述光梳齿间自干涉信号二次混频的大范围高精度快速测距装置的光梳齿间自干涉信号二次混频的大范围高精度快速测距方法，它包括具体步骤如下：
步骤一：启动双光梳光源1，通过设置双光梳的重频fr1＝100MHz和fr2＝250.0025MHz以保证待测距离L不超过不模糊范围LNAR，同时保证在参考端粗测信号生成混频器16和测量端粗测信号生成混频器20处分别产生的中频信号的频率低至足以被数据采集卡21所采集；启动本地振荡器18，发射频率为fLO的本振信号，通过设置频率fLO＝10.0002GHz使得在参考端精测信号生成混频器17和测量端精测信号生成混频器19处分别产生的中频信号的频率为0.2MHz，足以被数据采集卡21所采集；
步骤二：将目标反射镜10的位置归零；使用数据采集卡21和上位机22对于分别来自于参考端精测信号生成混频器17和测量端精测信号生成混频器19所产生的中频信号进行采集和计算，得到测量端相对于参考端的精测相位差φfine0；使用数据采集卡21和上位机22对于分别来自于参考端粗测信号生成混频器16和测量端粗测信号生成混频器20所产生的中频信号进行采集和计算，得到测量端相对于参考端的粗测相位差φcoarse0；
步骤三：将目标反射镜10的位置移动到被测距离L处；使用数据采集卡21和上位机22对于分别来自于参考端精测信号生成混频器17和测量端精测信号生成混频器19所产生的中频信号进行采集和计算，得到测量端相对于参考端的精测相位差φfine；使用数据采集卡21和上位机22对于分别来自于参考端粗测信号生成混频器16和测量端粗测信号生成混频器20所产生的中频信号进行采集和计算，得到测量端相对于参考端的粗测相位差φcoarse。
步骤四：使用上位机22对于将目标反射镜10的位置归零和移动到被测距离L处这两个位置时，测量端相对于参考端的精测相位差φfine0、φfine和粗测相位差φcoarse0、φcoarse计算距离精测值Lfine和距离粗测值Lcoarse，计算公式分别为：
步骤五：使用上位机22依据距离精测值Lfine和距离粗测值Lcoarse计算出待测距离L，计算公式为：
其中floor[]表示向下取整或向下舍入。所述待测距离L的计算公式成立的前提条件是满足级间过渡条件。
步骤六：
使用级间过渡条件判断步骤五中待测距离L的计算公式是否成立，级间过渡条件公式为：
其中U(Lcoarse)为粗测不确定度，λfine为精测测尺波长；如果当前设置的fr1和fr2无法保证二次混频粗测信号与光梳I第N阶齿间自干涉精测信号满足级间过渡条件，则选择合适的P和Q，将频率为|Pfr1-Qfr2|的光梳齿间自干涉二次混频信号作为中间过渡测尺，使其首先满足如下公式中粗测测尺和中间过渡测尺的级间过渡条件：
其中，λmiddle为频率为|Pfr1-Qfr2|的光梳齿间自干涉二次混频信号的波长；再进行步骤二至步骤五，分别测量频率为|Pfr1-Qfr2|的光梳齿间自干涉二次混频信号在零点位置和待测距离处测量端相对参考端的相位差φmiddle0和φmiddle，利用以下公式计算中间过渡测尺的测距结果：
再使中间过渡测尺满足和精测测尺的级间过渡条件：
重复以上步骤，通过选择合适的P和Q，将频率为|Pfr1-Qfr2|的光梳齿间自干涉二次混频信号作为中间过渡测尺，使其满足上述两个级间过渡条件，即可实现三个测尺之间的精度传递。
步骤七：在引入中间过渡测尺满足两个级间过渡条件后，首先利用频率为f2nd、|Pfr1-Qfr2|的光梳齿间自干涉二次混频信号作为一对粗测、过渡测尺，分别计算出对应的粗测距离Lcoarse0、过渡距离Lmiddle，并将其带入步骤5的公式中计算出过渡距离，记为Lcoarse-new：
其次，如步骤四中所述，使用频率为Nfr1的光梳齿间自干涉信号作为精测测尺，计算出精测距离Lfine；最后，再将过渡距离Lcoarse和精测距离Lfine代入步骤五的公式中求出最终的待测距离L：
按照上述步骤，当设置双光梳的重频fr1＝100MHz和fr2＝250.0025MHz时，可以计算出由光梳I第N＝100阶齿间自干涉信号和光梳II第M＝40阶齿间自干涉信号发生混频所生成的光梳齿间自干涉二次混频信号频率f2nd＝|Nfr1-Mfr2|＝0.1MHz，与之对应的不模糊范围再根据实验中测相不确定度/>以及公式/>计算出频率Nfr1＝10GHz的光梳自干涉信号对应的精测精度为1.04um，同时判断本实施例中所选择的第N＝100、M＝40阶齿间自干涉信号是否满足级间过渡条件，U(Lcoarse)＝0.208m，/>不满足级间过渡条件，则需要按照步骤六、七中所述使用中间过渡测尺，选择P＝101，Q＝40，则中间过渡测尺频率|Pfr1-Qfr2|＝99.9MHz，再判断是否满足粗测测尺和中间过渡测尺级间过渡条件：
中间过渡测尺和精测测尺的级过渡条件：
均能满足级间过渡条件；说明本发明能够解决目前光梳齿间自干涉相位测距难以兼顾数百米至数公里的不模糊范围以及十微米甚至微米级精度的问题。
图2为应用本发明进行光梳齿间自干涉信号二次混频的大范围高精度快速测距的示意图，图2中相比于图1加入了参考端粗测信号生成滤波器23、参考端精测信号生成滤波器24、测量端精测信号生成滤波器25和测量端粗测信号生成滤波器26，使得本发明在具体实施例中更易实施。
图3为本发明所述的光梳齿间自干涉二次混频信号生成原理频谱示意图。双光梳光源分别生成频率成分为nfr1+fo1、mfr2+fo2的光梳Ⅰ和光梳Ⅱ，其中fo1和fo2分别是光梳Ⅰ和光梳Ⅱ的偏移频率无需锁定，不影响测距结果，如图3中光梳Ⅰ、Ⅱ的光谱图所示；光梳Ⅰ和光梳Ⅱ发生齿间自干涉后会生成光梳齿间自干涉信号，其频谱图如图3中光梳Ⅰ、Ⅱ自干涉频谱图所示；经过光电探测器和特定的带通滤波器后会得到分别仅含Nfr1、Mfr2频率成分的信号，二者经过二次混频即可获得频率为f2nd＝|Nfr1-Mfr2|的光梳齿间自干涉二次混频信号，并将其作为粗测测尺；同时，在光梳Ⅰ、Ⅱ自干涉频谱中选择合适的P和Q，经过二次混频获得频率为|Pfr1-Qfr2|的光梳齿间自干涉二次混频信号，并将其作为中间过渡测尺；最后，将光梳Ⅰ中N阶光梳齿间自干涉信号作为精测测尺，组成本实施例中的测距测尺如图3中测尺频谱图所示。
本申请实施例中的存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(read only memory，ROM)、可编程只读存储器(programmable ROM，PROM)、可擦除可编程只读存储器(erasablePROM，EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(electrically EPROM，EEPROM)或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器(random access memory，RAM)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如静态随机存取存储器(static RAM，SRAM)、动态随机存取存储器(dynamic RAM，DRAM)、同步动态随机存取存储器(synchronousDRAM，SDRAM)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(doubledata rate SDRAM，DDRSDRAM)、增强型同步动态随机存取存储器(enhanced SDRAM，ESDRAM)、同步连接动态随机存取存储器(synchlink DRAM，SLDRAM)和直接内存总线随机存取存储器(direct rambusRAM，DR RAM)。应注意，本发明描述的方法的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(digital subscriber line，DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，高密度数字视频光盘(digital video disc，DVD))、或者半导体介质(例如，固态硬盘(solid state disc，SSD))等。
在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
应注意，本申请实施例中的处理器可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法实施例的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
以上对本发明所提出的基于光梳齿间自干涉信号二次混频的大范围高精度快速测距装置和方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。。

Claims (7)

1.一种基于光梳齿间自干涉信号二次混频的测距装置，其特征在于，包括：双光梳光源(1)、光梳齿间自干涉信号探测光路(2)和光梳齿间自干涉二次混频信号生成、采集与计算模块(3)；
双光梳光源(1)发出的双光梳激光进入光梳齿间自干涉信号探测光路(2)，从而获取到调制了待测距离信息的光梳齿间自干涉信号；光梳齿间自干涉信号经过光梳齿间自干涉信号探测光路(2)进入到光梳齿间自干涉二次混频信号生成、采集与计算模块(3)，并生成光梳齿间自干涉二次混频信号，实现信号采集并计算得到测距结果；
所述双光梳光源(1)包括光梳I激光器(4)和光梳II激光器(5)；所述双光梳光源(1)包括光梳I激光器(4)和光梳II激光器(5)；光梳I激光器(4)的重频锁定至fr1，光梳II激光器(5)的重频锁定至fr2；光梳I激光器(4)和光梳II激光器(5)发出光梳I和光梳II，光梳I和光梳II的偏移频率不进行锁定；
光梳I的第N阶齿间自干涉信号为：光梳I的各个纵模梳齿中频率间隔为Nfr1的成对纵模，梳齿组合发生拍频干涉所生成的信号；
光梳II的第M阶齿间自干涉信号为：光梳II各个纵模梳齿中频率间隔为Mfr2的成对纵模，梳齿组合发生拍频干涉所生成的信号；
其中，N的取值由测距精度需求决定，在相同干涉相位测量精度条件下，频率Nfr1越高则测距精度越高。
2.根据权利要求1所述的一种基于光梳齿间自干涉信号二次混频的测距装置，其特征在于，所述光梳I激光器(4)和所述光梳II激光器(5)发出的光梳I和光梳II均为线偏振光且偏振方向相互正交。
3.根据权利要求1所述的一种基于光梳齿间自干涉信号二次混频的测距装置，其特征在于，所述光梳齿间自干涉信号探测光路(2)包括参考端光梳II探测器(6)、参考端光梳I探测器(7)、参考端偏振分光棱镜(8)、参考端二分之一波片(9)、目标反射镜(10)、50/50分光棱镜(11)、测量端二分之一波片(12)、测量端偏振分光棱镜(13)、测量端光梳I探测器(14)和测量端光梳II探测器(15)；
双光梳光源(1)发出的光梳I和光梳II在50/50分光棱镜(11)处发生反射和透射，其中反射光通过参考端二分之一波片(9)后，在参考端偏振分光棱镜(8)处发生透射和反射，其中光梳I被反射后照射到参考端光梳I探测器(7)，光梳II被透射后照射到参考端光梳II探测器(6)；
在50/50分光棱镜(11)处透射的光束在目标反射镜(10)处发生反射，反射光回到50/50分光棱镜(11)并再次发生反射和透射，其中反射光通过测量端二分之一波片(12)后，在测量端偏振分光棱镜(13)处发生反射和透射，其中光梳I被反射后照射到测量端光梳I探测器(14)，光梳II被透射后照射到测量端光梳II探测器(15)。
4.根据权利要求3所述的一种基于光梳齿间自干涉信号二次混频的测距装置，其特征在于，所述光梳齿间自干涉信号包括：
光梳I在参考端光梳I探测器(7)和测量端光梳I探测器(14)生成的第N阶齿间自干涉信号；
光梳II在参考端光梳II探测器(6)和测量端光梳II探测器(15)生成的第M阶齿间自干涉信号。
5.根据权利要求4所述的一种基于光梳齿间自干涉信号二次混频的测距装置，其特征在于，所述光梳齿间自干涉二次混频信号生成、采集与计算模块(3)包括参考端粗测信号生成混频器(16)、参考端精测信号生成混频器(17)、本地振荡器(18)、测量端精测信号生成混频器(19)、测量端粗测信号生成混频器(20)、数据采集卡(21)和上位机(22)；
参考端光梳I探测器(7)生成的光梳I第N阶齿间自干涉信号分为两路，其中一路在参考端粗测信号生成混频器(16)处与参考端光梳II探测器(6)生成的光梳II第M阶齿间自干涉信号发生二次混频，生成参考端最长测尺波长的粗测信号，另一路在参考端精测信号生成混频器(17)处与本地振荡器(18)发射的本振信号发生混频，将参考端的距离精测信息解调到低频段；
测量端光梳I探测器(14)生成的光梳I第N阶齿间自干涉信号分为两路，其中一路在测量端粗测信号生成混频器(20)处与测量端光梳II探测器(15)生成的光梳II第M阶齿间自干涉信号发生二次混频，生成测量端最长测尺波长的粗测信号，另一路在测量端精测信号生成混频器(19)处与本地振荡器(18)发射的本振信号发生混频，将测量端的距离精测信息解调到低频段；
四路中频信号分别传输至数据采集卡(21)的不同采集通道，所采集的数据传输至上位机(22)进行计算。
6.根据权利要求5所述的一种基于光梳齿间自干涉信号二次混频的测距装置，其特征在于，
所述光梳齿间自干涉二次混频信号为光梳I第N阶齿间自干涉信号和光梳II第M阶齿间自干涉信号发生二次混频所生成的信号，其频率f2nd为光梳齿间自干涉信号的频差：f2nd＝|Nfr1-Mfr2|，该频率所对应的相位测距不模糊范围为其中c为真空光速，n为光梳齿间自干涉二次混频信号的等效折射率，其值为/>其中n1为光梳I的群折射率，n2为光梳II的群折射率；
所述光梳齿间自干涉二次混频信号用于距离粗测，其频率f2nd满足级间过渡条件；所述正整数M的取值由测距不模糊范围需求和频率Nfr1所决定，频率f2nd越低则测距不模糊范围越大。
7.一种基于光梳齿间自干涉信号二次混频的测距方法，其特征在于，包括：
步骤一：启动双光梳光源(1)，通过设置双光梳的重频fr1和fr2以保证待测距离L不超过不模糊范围LNAR的二分之一，同时保证在参考端粗测信号生成混频器(16)和测量端粗测信号生成混频器(20)处分别产生的二次混频粗测信号，频率低于数据采集卡(21)采集频率的二分之一；启动本地振荡器(18)，发射频率为fLO的本振信号，通过设置频率fLO以保证在参考端精测信号生成混频器(17)和测量端精测信号生成混频器(19)处分别产生的精测混频信号，频率低于数据采集卡(21)采集频率的二分之一；
步骤二：将目标反射镜(10)放置在零点位置；使用数据采集卡(21)和上位机(22)对于分别来自于参考端精测信号生成混频器(17)和测量端精测信号生成混频器(19)所产生的精测混频信号进行采集和计算，得到测量端相对于参考端的精测相位差φfine0；使用数据采集卡(21)和上位机(22)对于分别来自于参考端粗测信号生成混频器(16)和测量端粗测信号生成混频器(20)所产生的二次混频粗测信号进行采集和计算，得到测量端相对于参考端的粗测相位差φcoarse0；
步骤三：将目标反射镜(10)的位置移动到被测距离L处；使用数据采集卡(21)和上位机(22)对于分别来自于参考端精测信号生成混频器(17)和测量端精测信号生成混频器(19)所产生的精测混频信号进行采集和计算，得到测量端相对于参考端的精测相位差φfine；使用数据采集卡(21)和上位机(22)对于分别来自于参考端粗测信号生成混频器(16)和测量端粗测信号生成混频器(20)所产生的二次混频粗测信号进行采集和计算，得到测量端相对于参考端的粗测相位差φcoarse；
步骤四：计算距离精测值Lfine和距离粗测值Lcoarse，计算公式分别为：
步骤五：计算待测距离L，计算公式为：
其中floor[]表示向下取整，待测距离L的计算公式成立的前提条件是满足级间过渡条件；
步骤六：使用级间过渡条件判断步骤五中待测距离L的计算公式是否成立，级间过渡条件公式为：
其中U(Lcoarse)为粗测不确定度，λfine为精测测尺波长；如果当前设置的fr1和fr2无法保证二次混频粗测信号与光梳I第N阶齿间自干涉精测信号满足级间过渡条件，则选择合适的P和Q，将频率为|Pfr1-Qfr2|的光梳齿间自干涉二次混频信号作为中间过渡测尺，使其首先满足如下公式中粗测测尺和中间过渡测尺的级间过渡条件：
其中，λmiddle为频率为|Pfr1-Qfr2|的光梳齿间自干涉二次混频信号的波长；再进行步骤二至步骤五，分别测量频率为|Pfr1-Qfr2|的光梳齿间自干涉二次混频信号在零点位置和待测距离处测量端相对参考端的相位差φmiddle0和φmiddle，利用以下公式计算中间过渡测尺的测距结果：
再使中间过渡测尺满足和精测测尺的级间过渡条件：
重复以上步骤，通过选择合适的P和Q，将频率为|Pfr1-Qfr2|的光梳齿间自干涉二次混频信号作为中间过渡测尺，使其满足上述两个级间过渡条件，即可实现三个测尺之间的精度传递；
步骤七：在引入中间过渡测尺满足两个级间过渡条件后，首先利用频率为f2nd、|Pfr1-Qfr2|的光梳齿间自干涉二次混频信号作为一对粗测、过渡测尺，分别计算出对应的粗测距离Lcoarse0、过渡距离Lmiddle，并将其带入步骤五的公式中计算出过渡距离，记为Lcoarse-new：
其次，如步骤四中所述，使用频率为Nfr1的光梳齿间自干涉信号作为精测测尺，计算出精测距离Lfine；最后，再将过渡距离Lcoarse和精测距离Lfine代入步骤五的公式中求出最终的待测距离L：
CN202311761113.9A 2023-12-20 2023-12-20 一种基于光梳齿间自干涉信号二次混频的测距装置和方法 Active CN117741677B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311761113.9A CN117741677B (zh) 2023-12-20 2023-12-20 一种基于光梳齿间自干涉信号二次混频的测距装置和方法
US18/663,403 US12259240B1 (en) 2023-12-20 2024-05-14 Distance measurement device and method based on secondary mixing of inter-mode self-interference signals of optical frequency combs

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311761113.9A CN117741677B (zh) 2023-12-20 2023-12-20 一种基于光梳齿间自干涉信号二次混频的测距装置和方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN117741677A true CN117741677A (zh) 2024-03-22
CN117741677B CN117741677B (zh) 2024-09-20

Family

ID=90277118

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202311761113.9A Active CN117741677B (zh) 2023-12-20 2023-12-20 一种基于光梳齿间自干涉信号二次混频的测距装置和方法

Country Status (2)

Country Link
US (1) US12259240B1 (zh)
CN (1) CN117741677B (zh)

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110285980A1 (en) * 2010-05-21 2011-11-24 Newbury Nathan R Optical frequency comb-based coherent lidar
CN102348998A (zh) * 2009-03-11 2012-02-08 卡尔蔡司股份公司 距离测量
US20120033197A1 (en) * 2009-03-03 2012-02-09 Isao Minegishi Distance measuring device
JP2013178169A (ja) * 2012-02-28 2013-09-09 Neoark Corp 光ヘテロダイン距離計
CN113759383A (zh) * 2021-08-31 2021-12-07 哈尔滨工业大学 一种基于单光源多频混合外差式激光跟踪仪系统
CN115220054A (zh) * 2022-08-08 2022-10-21 上海交通大学 基于微型加热器调节重复频率的双光梳测距系统和方法
CN115267805A (zh) * 2022-07-25 2022-11-01 上海理工大学 一种自适应太赫兹双光梳测距方法
CN115616540A (zh) * 2022-11-11 2023-01-17 哈尔滨工业大学 光梳模间拍频测距的随机相位漂移实时抑制装置及方法
CN116338710A (zh) * 2021-12-22 2023-06-27 赫克斯冈技术中心 干涉测量双梳距离测量装置和测量方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3739987B2 (ja) * 2000-02-18 2006-01-25 財団法人神奈川科学技術アカデミー トモグラフィー装置
US7292347B2 (en) * 2005-08-01 2007-11-06 Mitutoyo Corporation Dual laser high precision interferometer
WO2018102915A1 (en) * 2016-12-07 2018-06-14 UNIVERSITé LAVAL Methods for performing dual-comb interferometry

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120033197A1 (en) * 2009-03-03 2012-02-09 Isao Minegishi Distance measuring device
CN102348998A (zh) * 2009-03-11 2012-02-08 卡尔蔡司股份公司 距离测量
US20110285980A1 (en) * 2010-05-21 2011-11-24 Newbury Nathan R Optical frequency comb-based coherent lidar
JP2013178169A (ja) * 2012-02-28 2013-09-09 Neoark Corp 光ヘテロダイン距離計
CN113759383A (zh) * 2021-08-31 2021-12-07 哈尔滨工业大学 一种基于单光源多频混合外差式激光跟踪仪系统
CN116338710A (zh) * 2021-12-22 2023-06-27 赫克斯冈技术中心 干涉测量双梳距离测量装置和测量方法
CN115267805A (zh) * 2022-07-25 2022-11-01 上海理工大学 一种自适应太赫兹双光梳测距方法
CN115220054A (zh) * 2022-08-08 2022-10-21 上海交通大学 基于微型加热器调节重复频率的双光梳测距系统和方法
CN115616540A (zh) * 2022-11-11 2023-01-17 哈尔滨工业大学 光梳模间拍频测距的随机相位漂移实时抑制装置及方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
王国超;谭立龙;颜树华;魏春华;: "基于光梳多波长干涉实时绝对测距的同步相位解调", 光学学报, no. 01, 28 April 2013 (2013-04-28), pages 1 - 11 *
王国超;谭立龙;颜树华;魏春华;: "基于光梳多波长干涉实时绝对测距的同步相位解调", 光学学报, no. 01, 31 January 2017 (2017-01-31), pages 1 - 8 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN117741677B (zh) 2024-09-20
US12259240B1 (en) 2025-03-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN115327565B (zh) 一种基于相位传递的扫频干涉拍信号非线性校正系统及校正方法
CN108120378B (zh) 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
CN102494615A (zh) 基于飞秒光频梳的台阶距离测量装置及方法
CN111983628B (zh) 一种基于单片集成线性调频双频dfb激光器的测速与测距系统
CN112033551B (zh) 一种宽带可调谐激光器波长测量装置及方法
CN101581577A (zh) 基于双频干涉原理的直线度及其位置的测量装置
CN108613743B (zh) 一种双光梳测量系统的噪声补偿方法
CN115616540B (zh) 光梳模间拍频测距的随机相位漂移实时抑制装置及方法
CN102252764A (zh) 激光波长实时测量装置
WO2021227265A1 (zh) 锁至动态边带的可变合成波长绝对距离测量装置与方法
CN112114326A (zh) Fmcw距离测量的扫频信号拼接方法及装置
CN115327515B (zh) 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
CN113253241B (zh) 扫频干涉测距信号处理方法
CN108828618A (zh) 基于等光频间隔重采样的远距离高精度测量装置及方法
CN118938179B (zh) 直接测风雷达零点位置实时修正方法及测风激光雷达系统
CN112099035A (zh) 一种长距离高精度测距系统及测距方法
CN117741677B (zh) 一种基于光梳齿间自干涉信号二次混频的测距装置和方法
CN104155642A (zh) 基于可溯源同步测尺的混合双光源激光测距装置与方法
CN113687378A (zh) 一种基于单光源多频混合外差式激光绝对测距系统及测距方法
CN117741678B (zh) 一种基于集成双光梳光源的齿间自干涉测距装置和方法
CN118011411A (zh) 一种捷变频编码脉冲波形平衡探测的高精度激光测距方法
CN112362173B (zh) 一种基于差频双梳的激光波长测量装置及方法
CN104049250B (zh) 抗多频混叠的高精度同步测尺半导体激光测距装置与方法
CN110044462A (zh) 一种激光外差干涉多普勒振动测量光学结构
CN223038181U (zh) 一种宽带大功率线性调频激光雷达

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant