遠(yuǎn)程動態(tài)目標(biāo)測距裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種遠(yuǎn)程動態(tài)目標(biāo)測距裝置及方法，屬于飛秒激光測距領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光以其單色性和相干性好、方向性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在涉及大尺寸加工測量、地球形貌 繪制、空間遙感探測和衛(wèi)星間精密定位中的精密位移測量方面發(fā)揮著重要的作用。通常的 激光測距法分為干涉測量法和非干涉測量法兩類，非干涉測量法通過將激光傳輸?shù)臅r間飛 行信號轉(zhuǎn)換為待測目標(biāo)距離，適合于絕對距離測量應(yīng)用，但此方法的測量精度和分辨力受 限于電子儀器的響應(yīng)時間。而傳統(tǒng)的干涉測量法則是采用走行程和相位累積推算出位移增 量，這種方法的精度和分辨力較高，但是不適合于遠(yuǎn)程絕對距離測量。飛秒光學(xué)頻率梳提供 了一種有效的方法來解決高精度絕對距離測量問題。目前飛秒光學(xué)頻率梳測距主要包括多 波長干涉測距法、結(jié)合非相干原理和相干原理的測距法、基于時間飛行原理的非干涉測距 法和集成時間飛行、光譜分辨干涉及合成波長的測距法。
[0003] 國際上已有美國、日本、德國、荷蘭等國相繼開展了飛秒激光高精度測距技術(shù)研宄 工作。早在2000年，日本利用鎖模飛秒光纖激光器實(shí)現(xiàn)了 240m距離的高精度測量，提出利 用10GHz的高頻飛秒脈沖來達(dá)到y(tǒng)m量級的測量分辨力的可能性。2004年，美國提出結(jié)合 非相干的飛行時間法和干涉法的測距技術(shù)，該方法可實(shí)現(xiàn)分辨力達(dá)一個光學(xué)波長，測距范 圍達(dá)上千公里；之后荷蘭和美國進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。2008年，韓國提出基于飛秒光梳的組合 干涉測量技術(shù)。該技術(shù)結(jié)合了合成波長干涉測量法、時間飛行法和光譜分辨干涉測量法等 三種測量原理的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了快速和大動態(tài)范圍測量。2010年，韓國采用基于時間飛行原理 的非干涉方法來實(shí)現(xiàn)長距離測量，從而將時間飛行測距法的測量精度提高到納米量級。
[0004] 以上這些已有測量方法，都是通過調(diào)節(jié)參考臂的長度使發(fā)生干涉，在進(jìn)行遠(yuǎn)距離 測量時，為達(dá)到干涉需要對參考臂進(jìn)行大范圍的調(diào)節(jié)，很難實(shí)現(xiàn)快速測距和動態(tài)跟蹤。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是克服傳統(tǒng)的干涉測量方法難實(shí)現(xiàn)快速測距和動態(tài)跟蹤的問題，提 出一種遠(yuǎn)程動態(tài)目標(biāo)測距裝置及方法，實(shí)現(xiàn)了用微小調(diào)節(jié)進(jìn)行超遠(yuǎn)距離的跟蹤測量。
[0006] 本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案解決的。
[0007] 本發(fā)明提出的一種遠(yuǎn)程動態(tài)目標(biāo)測距裝置，其特征在于，其包括：頻率調(diào)諧模塊 (1)、飛秒激光振蕩器（2)、光纖耦合器（3)、光學(xué)池（4)、環(huán)路器（5)、飛秒激光擴(kuò)束準(zhǔn)直器 (6)、光纖耦合器（8)、雙光子探測器（9)、數(shù)據(jù)采集分析模塊（10)、參考頻率發(fā)生裝置（11)、 光電探測器（12)和重復(fù)頻率鎖定裝置（13)。
[0008] 頻率調(diào)諧模塊（1)的主要作用是：通過調(diào)整飛秒激光振蕩器（2)的腔長改變飛秒 激光振蕩器（2)的出射光的重復(fù)頻率。
[0009] 飛秒激光振蕩器（2)的主要作用是：提供脈沖重復(fù)頻率穩(wěn)定的飛秒脈沖激光。
[0010] 參考頻率發(fā)生裝置（11)的主要作用是：提供和原子鐘穩(wěn)定度相同的基準(zhǔn)信號，將 參考頻率發(fā)生裝置（11)的輸出頻率作為重復(fù)頻率鎖定裝置（13)的參考頻率。
[0011] 光電探測器（12)的主要作用是：將飛秒激光振蕩器（2)輸出的光信號轉(zhuǎn)化為電信 號。
[0012] 重復(fù)頻率鎖定裝置（13)的主要作用是：將光電探測器（12)輸出的包含飛秒激光 振蕩器（2)出射光重復(fù)頻率的電信號鎖定到參考頻率裝置（13)的輸出頻率上，使飛秒激光 振蕩器（2)出射光的重復(fù)頻率和參考頻率裝置（13)輸出的電信號頻率的穩(wěn)定度相同。
[0013] 光纖耦合器（3)的主要作用是：將來自飛秒激光振蕩器（2)的出射光分為兩路，一 路稱為A路飛秒激光，另一路稱為B路飛秒激光。
[0014]光學(xué)池（4)是真空腔，其主要作用是：光纖耦合器（3)輸出的B路飛秒激光進(jìn)入光 學(xué)池（4)后，使B路飛秒激光的光程增加，并避免自由空間傳送而產(chǎn)生的色散。
[0015] 環(huán)路器（5)有三個端口，分別稱為L端口、R端口和D端口。其主要作用是：①光 學(xué)池（4)的出射激光從環(huán)路器（5)的L端口進(jìn)入，然后從R端口輸出至準(zhǔn)直鏡（6)，經(jīng)準(zhǔn)直 鏡（6)準(zhǔn)直后，其出射光經(jīng)自由空間射向待測目標(biāo)（7);②待測目標(biāo)（7)的反射光線經(jīng)準(zhǔn)直 鏡（6)后，進(jìn)入環(huán)路器（5)的R端口，然后從環(huán)路器（5)的D端口輸出至光纖耦合器（8)。
[0016] 準(zhǔn)直鏡（6)的主要作用是：①改善從環(huán)路器（5)的R端口輸出的飛秒脈沖激光的 準(zhǔn)直度，使經(jīng)準(zhǔn)直鏡（6)出射的飛秒激光為準(zhǔn)直光束。②收集由待測目標(biāo)反射回來的飛秒 脈沖激光，送入環(huán)路器（5)中。
[0017] 光纖耦合器（8)的主要作用是：將光纖耦合器（3)輸出的A路飛秒激光和環(huán)路器 (5)的D端口發(fā)送來的光親合進(jìn)同一光學(xué)路徑中。
[0018] 雙光子探測器（9)的主要作用是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。光纖耦合器（8)的出射 光線進(jìn)入雙光子探測器（9)，雙光子探測器（9)將光信號轉(zhuǎn)換為電信號后，輸出至數(shù)據(jù)采集 分析模塊（10)。
[0019] 數(shù)據(jù)采集分析模塊（10)的作用是對電信號進(jìn)行分析，解算出待測目標(biāo)（7)的位移 信息。
[0020] 使用所述遠(yuǎn)程動態(tài)目標(biāo)測距裝置進(jìn)行測距的操作過程為：
[0021] 步驟1 :將待測目標(biāo)（7)放在準(zhǔn)直鏡（6)的光軸上。
[0022] 步驟2 :飛秒激光振蕩器（2)提供脈沖重復(fù)頻率穩(wěn)定的飛秒脈沖激光。
[0023] 步驟3:光電探測器（12)將飛秒激光振蕩器⑵輸出的光信號轉(zhuǎn)化為電信號。
[0024] 步驟4:參考頻率發(fā)生裝置（11)提供和原子鐘穩(wěn)定度相同的基準(zhǔn)信號。
[0025] 步驟5:重復(fù)頻率鎖定裝置（13)將光電探測器（12)輸出的包含飛秒激光振蕩器 (2)出射光重復(fù)頻率的電信號鎖定到參考頻率裝置（13)的輸出頻率上，使飛秒激光振蕩器 (2)出射光的重復(fù)頻率和參考頻率裝置（13)輸出的電信號頻率的穩(wěn)定度相同。
[0026] 步驟6 :自飛秒激光振蕩器（2)的出射光線進(jìn)入光纖耦合器（3)。
[0027] 步驟7:光纖耦合器（3)將來自飛秒激光振蕩器（2)的出射光分為兩路，一路稱為 A路飛秒激光，另一路稱為B路飛秒激光。
[0028] 步驟8 :光纖耦合器（3)輸出的B路飛秒激光進(jìn)入光學(xué)池（4)后，使B路飛秒激光 的光程增加，并避免自由空間傳送而產(chǎn)生的色散。
[0029] 步驟9:光學(xué)池⑷的出射激光從環(huán)路器（5)的L端口進(jìn)入，然后從R端口輸出至 準(zhǔn)直鏡（6)，經(jīng)準(zhǔn)直鏡（6)準(zhǔn)直后，其出射光經(jīng)自由空間射向待測目標(biāo)（7);
[0030] 步驟10 :待測目標(biāo)（7)的反射光線經(jīng)準(zhǔn)直鏡（6)后，進(jìn)入環(huán)路器（5)的R端口，然 后從環(huán)路器（5)的D端口輸出至光纖耦合器（8)。
[0031] 步驟11 :此步驟與步驟8同步操作：光纖耦合器⑶將光纖耦合器（3)輸出的A 路飛秒激光和環(huán)路器（5)的D端口發(fā)送來的光耦合進(jìn)同一光學(xué)路徑中。
[0032] 步驟12:光纖耦合器（8)的出射光線進(jìn)入雙光子探測器（9)，雙光子探測器（9)將 光信號轉(zhuǎn)換為電信號后，輸出至數(shù)據(jù)采集分析模塊（10)。
[0033] 步驟13 :頻率調(diào)諧模塊（1)調(diào)整飛秒激光振蕩器（2)的腔長，改變飛秒激光振蕩 器（2)的出射光的重復(fù)頻率，使通過耦合器（8)進(jìn)入同一光學(xué)路徑中A路脈沖序列和B路 脈沖序列的相鄰脈沖間距為〇,數(shù)據(jù)采集分析模塊（10)獲得待測目標(biāo)（7)的距離信息。
[0034] 步驟14 :當(dāng)待測目標(biāo)（7)在準(zhǔn)直鏡（6)