[發明專利]無導軌的絕對距離測量方法和系統

在審

• 申請號: 201710413162.1
• 申請日: 2017-06-05
• 公開（公告）號: CN107228623A
• 公開（公告）日: 2017-10-03
• 發明（設計）人: 方占軍;林百科;曹士英;林弋戈;王強;赫明釗;孟飛;李燁
• 申請（專利權）人: 中國計量科學研究院
• 主分類號: G01B9/02
• 分類號: G01B9/02;G01B11/02
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所11038
• 代理人: 劉劍波

技術領域

本發明涉及激光測距領域，特別涉及一種無導軌的絕對距離測量方法和系統。

背景技術

長度測量是最基本的測量，長度單位“米(m)”在國際單位制(SI)中被列為七個基本單位之一。大長度或大尺寸的精確測量在高端裝備制造、空間工程和計量技術等領域有著廣泛的應用，在前沿科學和先進技術的基礎研究方面具有重要的科學意義。

激光干涉法是長度測量中精度最高的方法，但傳統的激光干涉儀通常采用增量式的位移測量方法，需要預先配備供測量鏡移動的、長度至少大于被測距離的精密平直導軌，并且測量過程中條紋計數不能中斷，這極大地限制了它的應用。在導軌不能鋪設、導軌長距離平直度不夠或者測量過程不能連續進行的場合，上述方法根本無法使用。因此，開展大長度、高精度的絕對距離測量技術研究及儀器研制，對提升我國重大精密工程、空間科學實驗研究和精密計量技術的原始創新能力具有重要科學意義。

在絕對大長度測量領域，測量量程、測量精度和測量速度這三個要素是最受關注的重點。傳統大長度絕對距離測量可分為飛行時間法和干涉測量法兩大類。

飛行時間法通過測量脈沖發射和返回之間的時間間隔來確定測量距離，雖然測量范圍大，但是由于光速極快，電子器件直接測量時間間隔的精度難以突破皮秒量級，受到探測光脈沖到達時間精度的限制，距離測量精度只能達到毫米量級。

傳統的干涉測量法是基于邁克爾遜干涉儀結構的光路，通過測量參考臂和測量臂之間的光相位信息得到測量距離，測量分辨率最高可到納米，但單純相位分辨無法確定大于2π的整數周期因而量程受限，即使通過干涉條紋計數來得到被測距離的光波整周期倍數，也只適合于增量式的位移測量，無法實現絕對距離測量。

在飛秒光梳出現之前，傳統的干涉測量方法所使用的光源是單一頻率的連續激光，而飛秒光梳出現改變了這一切，因為其在時域上看是脈寬極窄(飛秒量級，一飛秒等于10^-15秒)的超短脈沖，而在頻域上則對應為由多個離散譜線組成的寬光譜，相當于同時輸出多個單頻激光。因此飛秒光梳可以同時使用以上兩種方法測距，從而兼顧絕對距離測量對量程和精度的要求，其中代表性的方法如飛秒脈沖光學平衡互相關法、合成波長法、光譜分辨干涉法。而基于兩臺重復頻率略有差異的光梳來作為光源進行絕對距離測量方法，則是對傳統的單光梳測距方法的重大革新。這種方法利用兩臺光梳之間的重復頻率的微小差異，在時域上用其中一臺光梳(本地光梳)的脈沖來異步掃描另一臺光梳(信號光梳)的脈沖，得到異步采樣信號并由此解算出待測距離。這種方法第一個優點是使時域測量過程“變慢”，降低了對探測器帶寬要求，從而實現脈沖的時域探測，同時也擴大測量范圍，測量無死角。同時，由于測量過程中兩脈沖重合過程是自動實時并且周而復始的，不需要移動導軌等輔助機械設備，這是一種全新的絕對距離測量方法，有別于傳統增量式的位移測量方法，并且由于測量速度取決于兩脈沖重頻之差，因此測量速度很快，有利于提高系統的實時性，便于實時反饋。因此，雙光梳法不僅結合了普通單光梳方法兼具大量程和高精度測量的特點，而且還具有很快的測量速度，真正把長度測量的三大要素——量程、精度和速度三者完美結合在一起，并且有別于傳統增量式的位移測量方法，這是一種絕對距離測量方法，不需要移動導軌等機械器件，避免由此引入的誤差。但這種方法對兩臺光梳的相干性有著很苛刻的要求，通常做法是將兩臺光梳鎖定到超穩腔來壓窄光梳梳齒的線寬，如美國NIST的Coddington等人利于這種方法實現了測量了一段約1.14km長光纖的長度，測量精度達到5nm。但由于系統要實現高精度，同時需要光梳鎖定和超穩激光技術，技術門檻高、操作復雜，實現極其困難。

發明內容

本發明實施例提供一種無導軌的絕對距離測量方法和系統，

為了解決傳統的測距方法中，時間分辨率不高、需要增量式位移測量，難以獲取絕對距離信息的問題，同時為了克服了傳統雙光梳測距方法系統復雜、操作繁瑣的缺點，本發明提出一種能夠輸出兩套重復頻率有微小差別的脈沖序列作為測距光源搭建的雙波長脈沖絕對測距系統，既克服了傳統測距方法的弊端，實現大量程、高精度、快速實時測量。

根據本發明的一個方面，提供一種無導軌的絕對距離測量系統，包括：

激光器，用于輸出光脈沖序列，其中光脈沖序列中包括具有不同的中心波長和重復頻率的第一光脈沖序列和第二光脈沖序列；

第一光學處理器件，用于從激光器輸出的光脈沖序列中分離出第一光脈沖序列和第二光脈沖序列，將第一光脈沖序列進行光譜擴展，以便使第一光脈沖序列和第二光脈沖序列的光譜重疊；