[實(shí)用新型]一種基于偏振調(diào)制的絕對距離測量裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202023014846.0
• 申請日: 2020-12-15
• 公開（公告）號: CN214201777U
• 公開（公告）日: 2021-09-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馮福榮;張和君;吳興發(fā);梁志明;廖學(xué)文;張琥杰;陳源;章志偉
• 申請（專利權(quán)）人: 深圳市中圖儀器股份有限公司
• 主分類號: G01S17/08
• 分類號: G01S17/08;G01S7/481
• 代理公司: 深圳市科吉華烽知識產(chǎn)權(quán)事務(wù)所(普通合伙) 44248
• 代理人: 孫偉

本實(shí)用新型提供了一種基于偏振調(diào)制的絕對距離測量裝置，包括準(zhǔn)直光源、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一光電探測器、第二光電探測器、信號處理單元、電光調(diào)制器、光纖耦合裝置、保偏光纖開關(guān)、參考光路和測量光路，其中，所述準(zhǔn)直光源輸出的準(zhǔn)直光束，經(jīng)第一偏振分束器一分為二，一路輸出至所述第一光電探測器，用于監(jiān)測光源輸出功率，并由所述第一光電探測器反饋到所述準(zhǔn)直光源進(jìn)行功率控制，另一路輸出至第二偏振分束器，經(jīng)所述電光調(diào)制器進(jìn)入所述光纖耦合裝置，再輸出至所述保偏光纖開關(guān)進(jìn)行差分測距。本實(shí)用新型的有益效果是：解決了絕對測距裝置測距漂移和重復(fù)性差的問題，保證測距的穩(wěn)定性和可靠性。

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及光學(xué)測量，尤其涉及一種基于偏振調(diào)制的絕對距離測量裝置。

背景技術(shù)

大尺度空間絕對距離測量是衛(wèi)星編隊(duì)飛行、行星空間定位、深空探測成像及高端制造領(lǐng)域不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)的絕對測距技術(shù)主要包括脈沖飛行時(shí)間法(TOF)、相位測距法、調(diào)頻連續(xù)波測距法(FMCW)以及多波長干涉法等。

脈沖飛行時(shí)間測距技術(shù)是直接測定脈沖往返時(shí)間，乘以脈沖信號在空氣中的傳播速度即可得到測量原點(diǎn)到反射中心的距離。由于激光脈沖能量集中，因此能夠進(jìn)行非合作目標(biāo)測量，并且實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離測量，比如測量月球或衛(wèi)星與地球的距離，大多數(shù)手持式激光測距儀都是采用脈沖飛行時(shí)間法進(jìn)行測距。但其受限于時(shí)間分辨，測距精度較低，難以應(yīng)用到大尺寸高精度裝配、基線校準(zhǔn)標(biāo)定等領(lǐng)域。

相位測距法是通過測量信號在待測距離上所產(chǎn)生的相位差來測算距離的。其測距精度受到調(diào)制頻率以及鑒相精度的影響，同時(shí)存在模糊距離。

FMCW調(diào)頻連續(xù)波激光測距法，其測量原理是將包含距離信息的回波信號與本振信號進(jìn)行拍頻，通過解調(diào)拍頻信號，即可推算出目標(biāo)的距離信息。 FMCW調(diào)頻連續(xù)波激光測距技術(shù)無需靶標(biāo)或者標(biāo)記點(diǎn)，能夠快速測量漫反射體的表面信息，而且測量精度能達(dá)到微米量級。然而，受制于連續(xù)波光源穩(wěn)定性的影響，激光頻率不能線性地進(jìn)行變化，導(dǎo)致回波信號與本振信號的拍頻不穩(wěn)定、分辨力下降，從而無法正確解算出距離。

多波長干涉法是以光學(xué)頻率梳作為頻率基準(zhǔn)，將用于測量的兩個(gè)激光器分別進(jìn)行偏頻鎖定，由鎖定在不同梳齒的測量光生成不同的合成波長，從而實(shí)現(xiàn)絕對距離測量。該方法可以實(shí)現(xiàn)um量級的絕對測距精度，但由于需要多個(gè)波長，需要使用多個(gè)激光光源，對于光源的波長穩(wěn)定性要求極高，需要配置多個(gè)穩(wěn)頻裝置，這會導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)變得非常復(fù)雜，系統(tǒng)的可靠性和精度難以保證。

瑞士kern提出的基于菲索齒輪測距方法本質(zhì)上也是一種相位測距方法，用電光晶體代替齒輪作為調(diào)制器，優(yōu)選調(diào)制光的偏振而非相位，將出射波和回波的相位差信息轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)信息，進(jìn)而尋找到調(diào)制頻率的波長間距的等距最小值，利用相鄰兩個(gè)最小值點(diǎn)對應(yīng)頻率，即可解算出最終的絕對距離信息。該測距方法具有較高的測量精度，而后被瑞士leica公司引入到激光跟蹤儀中，解決了早期激光跟蹤儀斷光續(xù)接的問題。但是這種方法對空間光路中光線的準(zhǔn)直有極高的要求，不同的光束發(fā)散角會對電光調(diào)制器產(chǎn)生不同的附加偏振，對測量精度影響較大。同時(shí)在遠(yuǎn)距離測量時(shí)，該方法容易受到劇烈環(huán)境引起的光束偏移或抖動而導(dǎo)致接收光強(qiáng)劇烈變化，從而導(dǎo)致測距重復(fù)性嚴(yán)重下降，進(jìn)而降低測量精度。

基于此測距原理，中科院光電所和天津大學(xué)的課題組提出了基于全光纖的絕對距離測量裝置，減少了光束抖動，但測距精度較低且由于光纖的溫變特性，導(dǎo)致測距值存在較大漂移，同時(shí)沒有補(bǔ)償由于外部光學(xué)元件(逆反射器等)的附加偏振變化而引起的測距零點(diǎn)頻率的漂移，因而測距穩(wěn)定性較低且抗干擾能力較差。

現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)如下：

1、脈沖飛行時(shí)間測距和相位法測距的測距精度較低，難以到達(dá)十微米量級。

2、調(diào)頻連續(xù)波測距和多波長干涉測距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性較差，測距精度難以保持。

3、leica菲索齒輪測距容易受到附加偏振和環(huán)境劇烈變化導(dǎo)致光束抖動的干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性較低。