[發明專利]一種消除雙光梳頻譜混疊的方法及系統

在審

• 申請號: 202011106148.5
• 申請日: 2020-10-15
• 公開（公告）號: CN112241014A
• 公開（公告）日: 2021-01-19
• 發明（設計）人: 吳冠豪;蔣瑞林;周思宇
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01S17/10
• 分類號: G01S17/10;G01S7/481
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 劉美麗

本發明涉及一種消除雙光梳頻譜混疊的激光測距方法及系統，該系統包括第一光梳，所述第一光梳發出信號光脈沖經第一分光鏡后一束光入射到參考鏡，另一束光入射到測量鏡，參考鏡和測量鏡反射的光經第一分光鏡出射到第二分光鏡；第二光梳，所述第二光梳發出本振光脈沖入射到第二分光鏡并與經第一分光鏡出射的光進行干涉；第一帶通濾波片，用于獲取經第二分光鏡出射的一部分光在某一頻率范圍內的頻率分量；第二帶通濾波片，用于獲取經第二分光鏡出射的另一部分光在另一頻率范圍內的頻率分量；信號處理器，用于對獲取的頻率分量信號進行處理完成距離測量。

技術領域

本發明是關于一種消除雙光梳頻譜混疊的方法及系統，涉及光學精密計量技術領域。

背景技術

絕對距離測量在大型精密機械制造、航空航天領域中具有重要應用。傳統的脈沖激光測距或干涉測距技術無法適用于大量程、高精度、高速率的絕對距離測量。本世紀誕生的新型激光光源——飛秒激光頻率梳，簡稱光頻梳或光梳，具有寬光譜、多縱模、高相干性、窄線寬等特性。光頻梳的出現促進了精密計量技術的快速發展。作為時域和頻域的精密光尺，光頻梳在光學計量領域有著廣泛的應用，其中絕對距離測量是其主要的應用方向之一。雙光梳測距技術是基于光頻梳的一種測距方法。該方法使用兩臺具有微小重復頻率之差(重頻差)的相干光梳作為光源，可以兼顧數米非模糊距離、亞微米的測量精度和高測距速率。

雙光梳測距系統的精度與光源頻率穩定性直接相關，因此通常要求測量過程中保持兩臺光頻梳的重復頻率(重頻)恒定，并鎖定到頻率基準上。但是激光器的腔長通常受到環境溫度、應力等因素的影響，這就需要不斷測量光頻梳重頻，將其與標準頻率源比較，產生的差頻作為誤差信號輸入PID控制器產生反饋信號。反饋信號通過溫控裝置以及壓電陶瓷(PZT)調節激光器腔長，實現重頻的精密鎖定，但是這種方法由于系統復雜、成本高且容易失鎖，調節精度又受PID反饋帶寬限制，導致其在很多應用場景不適用。

近年來也出現了無需頻率鎖定自由運行的雙光梳系統，它采用自由運行的光頻梳作為光源，無需鎖定重頻，只需測量重頻，然后對測距結果進行修正，就能夠實現與重頻鎖定的雙光梳相類似的測量精度。與重頻鎖定的雙光梳相比，自由運行的雙光梳系統成本低，對使用環境的要求寬松，在絕對距離測量、光譜測量領域都有著廣泛的應用。雙光梳測距系統的兩個光梳縱模頻率可以分別表示為ν₁＝n₁f_r1+f_ceo1和v₂＝n₂f_r2+f_ceo2，其中，f_r和f_ceo分別為光頻梳的重頻和載波包絡偏移頻率(偏頻)，兩臺光梳縱模之間發生多模外差干涉，產生一系列的頻率范圍在射頻域的外差信號。多模外差信號經過低通濾波器(0～f_r2/2)之后產生頻率范圍在0～f_r2/2之間的子頻率梳。子頻率梳縱模頻率可以表示為其中，在雙光梳測距系統中，被測距離是通過計算子頻率梳相位-頻率的斜率(相頻斜率)的方法得到的。在重頻和偏頻不鎖定的情況下，射頻信號中的n₁Δf_r和都會隨時間不斷變化。當其變化使得子頻率梳的頻譜范圍包含0或f_r2/2時，部分頻率區間內會出現兩組具有不同相位規律的射頻譜線，這兩組譜線之間會發生混疊，使得相頻斜率無法被正確地計算，導致無法得到可用的測距結果。需要注意的是縱模頻率中的重頻項由于被系數n₁放大，其相對于偏頻變化而言影響更大。容易發生頻譜混疊是自由運行雙光梳系統在工業現場不可用的主要原因。另外，對于只鎖定重頻而不鎖定偏頻的雙光梳系統，混疊現象使得該系統不具備在工業現場環境下長時間穩定測量的能力；對于重頻和偏頻鎖定的雙光梳系統來說，這種混疊現象限制了重頻和偏頻的可調節范圍，使雙光梳系統不能根據需要任意地調整光梳重頻和偏頻。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的是提供一種消除雙光梳頻譜混疊的方法及系統，能夠保證系統中總存在不發生混疊的子頻率梳信號。