[發(fā)明專利]一種全光纖大尺寸高精度飛秒激光絕對測距系統(tǒng)

在審

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• 申請日: 2021-11-24
• 公開（公告）號: CN114236560A
• 公開（公告）日: 2022-03-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 韓繼博;武騰飛;白毓;張磊;呂林杰;李新良
• 申請（專利權(quán)）人: 中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京長城計量測試技術(shù)研究所
• 主分類號: G01S17/10
• 分類號: G01S17/10;G01S17/32
• 代理公司: 北京正陽理工知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11639
• 代理人: 王松

1.一種全光纖大尺寸高精度飛秒激光絕對測距系統(tǒng)，其特征在于：雙飛秒激光測距單元具有測量精度高、測量速度快的優(yōu)點，相位激光測距單元具有遠(yuǎn)距離測量及測量光人眼可見的優(yōu)點，采用雙飛秒激光測距技術(shù)與相位激光測距技術(shù)相結(jié)合的方式，實現(xiàn)大尺寸高精度絕對距離測量。

2.如權(quán)利要求1所述的一種全光纖大尺寸高精度飛秒激光絕對測距系統(tǒng)，其特征在于：包括第一全光纖飛秒激光器、第二全光纖飛秒激光器、光纖分束器、第一光纖環(huán)形器、波分復(fù)用器、消色差光纖準(zhǔn)直器、第一光纖合束器、第二光纖合束器、半導(dǎo)體激光器、第二光纖環(huán)形器、第一光電探測器、第二光電探測器以及數(shù)據(jù)采集與處理模塊；

第一全光纖飛秒激光器、第二全光纖飛秒激光器，作用是發(fā)出雙飛秒測距單元所用飛秒脈沖激光；第一全光纖飛秒激光器與第二全光纖飛秒激光器具有微小重頻差，且第一全光纖飛秒激光器重頻大于第二全光纖飛秒激光器，中心波長相同；所述微小重頻差根據(jù)測量速度而定；

半導(dǎo)體激光器，作用是發(fā)出相位測距單元所用激光，半導(dǎo)體激光器輸出的激光中心波長為人眼可見激光，并通過柱透鏡或非球面耦合進(jìn)光纖；

光纖分束器，作用是將第一全光纖飛秒激光器發(fā)出的飛秒脈沖激光分成兩束，一束作為參考光，另一束作為測量光；

第一光纖環(huán)形器，為三端口環(huán)形器，作用是1端口輸入飛秒測量光，2端口輸出飛秒測量光，3端口輸出返回的飛秒測量光；

波分復(fù)用器，作用是實現(xiàn)雙飛秒測距測量光與相位測距測量光的合束與分束，波分復(fù)用器有三個工作端口；

消色差光纖準(zhǔn)直器，作用是實現(xiàn)發(fā)射雙飛秒測距測量光與相位測距測量光共路傳輸，并接收返回光，消色差光纖準(zhǔn)直器的工作波段為第一全光纖飛秒激光器的中心波長與半導(dǎo)體激光器輸出的激光中心波長；

第一光纖合束器，作用是將第一全光纖飛秒激光器發(fā)出的參考光與返回的測量光進(jìn)行合束；

第二光纖合束器，作用是將第二全光纖飛秒激光器發(fā)出的飛秒脈沖激光與第一全光纖飛秒激光器發(fā)出的參考光、返回的測量光進(jìn)行合束；

第二光纖環(huán)形器，為三端口環(huán)形器，作用是1端口輸入相位測距測量光，2端口發(fā)射相位測距測量光，3端口輸出返回的相位測距測量光；

第一光電探測器，作用是探測雙飛米激光測距信號，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換；

第二光電探測器，作用是探測相位測距信號，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換；

數(shù)據(jù)采集與處理模塊，作用是對測距信號進(jìn)行采集與處理，并顯示測量距離。

3.如權(quán)利要求2所述的一種全光纖大尺寸高精度飛秒激光絕對測距系統(tǒng)，其特征在于：

第一全光纖飛秒激光器與第二全光纖飛秒激光器，中心波長都為1560nm；

半導(dǎo)體激光器輸出的激光中心波長為635nm，并通過柱透鏡或非球面耦合進(jìn)光纖；

波分復(fù)用器三個工作端口分別為1560nm端、635nm端、公共端；

消色差光纖準(zhǔn)直器的工作波段為1560nm與635nm。

4.如權(quán)利要求2或3所述的一種全光纖大尺寸高精度飛秒激光絕對測距系統(tǒng)，其特征在于：工作方法為，

第一全光纖飛秒激光器發(fā)出飛秒脈沖激光，進(jìn)入光纖分束器，光纖分束器將該飛秒脈沖激光分成兩束，一束作為作為參考光，另一束作為測量光，該測量光進(jìn)入第一光纖環(huán)形器的1端口，由第一光纖環(huán)形器的2端口出射，輸入到波分復(fù)用器的1560nm端口，由波分復(fù)用器的公共端輸出到消色差光纖準(zhǔn)直器，由消色差光纖準(zhǔn)直器輸出的光照射到測量目標(biāo)，經(jīng)測量目標(biāo)反射的測量光，被消色差光纖準(zhǔn)直器接收并返回到波分復(fù)用器的公共端，通過波分復(fù)用器、第一光纖環(huán)形器，由第一光纖環(huán)形器的3端口輸出反射回的測量光，該測量光與參考光經(jīng)第一光纖合束器合束輸出，第二全光纖飛秒激光器發(fā)出中心波長為1560nm的飛秒脈沖激光，作為掃描光，其重復(fù)頻率略小于第一全光纖飛秒激光器的重復(fù)頻率，第一光纖合束器合束輸出的參考光與測量光，與第二全光纖飛秒激光器發(fā)出的掃描光，經(jīng)第二光纖合束器合束，輸出到光電探測器，光電探測器探測雙飛秒激光測距信號，送入到數(shù)據(jù)采集與處理模塊；

半導(dǎo)體激光器發(fā)出中心波長為635nm的可見連續(xù)激光，輸入到第二光纖環(huán)形器的1端口，由第二光纖環(huán)形器的2端口出射，輸入到波分復(fù)用器的635nm端口，由波分復(fù)用器的公共端輸出到消色差光纖準(zhǔn)直器，由消色差光纖準(zhǔn)直器輸出的光照射到測量目標(biāo)，經(jīng)測量目標(biāo)反射的測量光，被消色差光纖準(zhǔn)直器接收并返回到波分復(fù)用器的公共端，通過波分復(fù)用器、第二光纖環(huán)形器，由第二光纖環(huán)形器的3端口輸出反射回的測量光，進(jìn)入光電探測器，光電探測器探測相位測距信號，送入到數(shù)據(jù)采集與處理模塊；

由數(shù)據(jù)采集與處理模塊采集并處理雙飛秒激光測距信號和相位測距信號，并顯示絕對距離；雙飛秒激光測距部分的非模糊量程受限于第一全光纖飛秒激光器的重復(fù)頻率，當(dāng)?shù)谝蝗饫w飛秒激光器的重復(fù)頻率為f_r；而測量速度取決于第一全光纖飛秒激光器與第二全光纖飛秒激光器的重復(fù)頻率差，所述重復(fù)頻率差為Δf_r，則雙飛秒測距部分的非模糊量程約為(cf_r/2n)，測量速度為Δf_r，c為光速，n為空氣折射率；

則對任一距離，雙飛秒測距部分得到距離為d₁，精度一般為亞微米量級，d₁的值小于(cf_r/2n)；

半導(dǎo)體激光相位測距部分得到的距離為d₂，精度一般為毫米量級；

對d₂/(cf_r/2n)向下取整得到整數(shù)N；

則最終絕對距離為:

即采用雙飛秒激光測距技術(shù)與相位激光測距技術(shù)相結(jié)合的方式，實現(xiàn)大尺寸高精度絕對距離測量。