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专利号: 2020103968306
申请人: 浙江理工大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-08-19
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种锁至动态边带的可变合成波长绝对距离测量装置,其特征在于:

包括参考激光器(1)、第一光纤分束器(2)、高频电光相位调制器(3)、正交光纤合束器(4)、高频放大器(10)、可调时钟源(11)、原子钟(12)、偏频探测及锁定控制器(13)、可调谐激光器(14)、第二光纤分束器(15)、光纤合束器(16)和弦相位调制干涉仪;参考激光器(1)的输出端连接至第一光纤分束器(2)的输入端,第一光纤分束器(2)的输出端分别连接至高频电光相位调制器(3)的一个输入端和正交光纤合束器(4)的一个输入端;可调时钟源(11)的输出端连接至高频放大器(10)的输入端,高频放大器(10)的输出端连接至高频电光相位调制器(3)的另一个输入端,高频电光相位调制器(3)的输出端连接至光纤合束器(16)的输入端;可调谐激光器(14)的输出端连接至第二光纤分束器(15)的输入端,第二光纤分束器(15)的输出端分别连接至光纤合束器(16)的另一个输入端和正交光纤合束器(4)的另一个输入端;光纤合束器(16)的输出端连接到偏频探测及锁定控制器(13)的输入端,偏频锁定控制器(13)的输出端连接至可调谐激光器(14)的输入端;正交光纤合束器(4)的输出端连接至耦合器(5)的输入端;耦合器(5)输出到正弦相位调制干涉仪,原子钟(12)的输出端连接至可调时钟源(11)和偏频探测及锁定控制器(13)的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种锁至动态边带的可变合成波长绝对距离测量装置,其特征在于:参考激光器(1)发出的激光作为参考激光,经第一光纤分束器(2)分为功率比为80:

20的两束激光,其中功率占比为20%的一束激光输入至高频电光相位调制器(3)进行调制产生等频率间隔的激光边带,激光边带的频率间隔等于可调时钟源(11)的时钟频率;可调谐激光器(14)发出的激光经第二光纤分束器(15)分为功率比为90:10的两束激光,其中功率占比为10%的一束激光与高频电光相位调制器(3)调制产生的激光边带共同进入光纤合束器(16)进行合光并输入至偏频探测及锁定控制器(13),偏频探测及锁定控制器(13)产生反馈控制信号到可调谐激光器(14),将可调谐激光器(14)的激光频率锁定至参考激光的边带;参考激光经第一光纤分束器(2)输出的功率占比为80%的另一束激光与可调谐激光(14)经第二光纤分束器(15)输出的功率占比为90%的另一束激光输入至正交光纤合束器(4)进行合光并传输至耦合器(5),耦合器(5)输出正交偏振光至正弦相位调制干涉仪测量模块。

3.根据权利要求1所述的一种锁至动态边带的可变合成波长绝对距离测量装置,其特征在于:所述的正弦相位调制干涉仪包括参考镜(6)、低频电光相位调制器(7)、分光镜(8)、测量镜(9)、偏振分光镜(17)、第一光电探测器(18)、第二光电探测器(19)、第二模数转换器(20)、第一模数转换器(21)和现场可编程门阵列信号处理器(22);耦合器(5)输出正交线偏振光射向由参考镜(6)、低频电光相位调制器(7)、分光镜(8)、测量镜(9)、偏振分光镜(17)、第一光电探测器(18)、第二光电探测器(19)、第一模数转换器(21)、第二模数转换器(20)和现场可编程门阵列信号处理器(22)组成的正弦相位调制干涉仪测量模块;低频电光相位调制器(7)置于分光镜(8)和参考镜(6)之间的参考臂中;参考激光器(1)和可调谐激光器(14)的干涉信号经第一光电探测器(18)与第二光电探测器(19)探测、第一模数转换器(21)与第二模数转换器(20)采样后进入现场可编程门阵列信号处理器(22)进行相位解调。

4.根据权利要求3所述的一种锁至动态边带的可变合成波长绝对距离测量装置,其特征在于:耦合器(5)输出的激光中,参考激光为P偏振态,可调谐激光为S偏振态;激光经分光镜(8)后分为透射的测量光与反射的参考光,测量光经测量镜(9)反射后平行地返回分光镜再反射,形成测量光路;参考光经低频电光相位调制器(7)后输入到参考镜(6),经参考镜(6)反射后平行地返回分光镜(8)再透射,形成参考光路;返回到分光镜(8)的测量光和参考光合光后经偏振分光镜(17)分为透射的P偏振态和反射的S偏振态的两束光,P偏振态的一束光照射到第一光电探测器(18),S偏振态的一束光照射到第二光电探测器(19);第一光电探测器(18)和第二光电探测器(19)的输出端分别经各自的第一模数转换器(21)与第二模数转换器(20)连接到现场可编程们阵列信号处理器(FPGA)中进行数据相位解调处理。

5.应用于权利要求1-4任一所述装置的一种锁至动态边带的可变合成波长绝对距离测量方法,其特征在于:方法包括如下步骤:

1)使用高频电光相位调制器(3)对单频的参考激光器(1)输出的激光进行高频正弦相位调制,产生等频率间隔的激光边带,表示如下:fEOM=f1+k·fr

其中,f1表示参考激光器(1)的激光频率,fr表示高频电光相位调制器(3)的调制频率,k表示调制产生的激光边带的阶数,k=0,±1,±2,……;

2)可调谐激光器(14)输出的激光与参考激光器(1)经高频电光相位调制器(3)调制后输出的激光边带经光纤合束器(16)合光拍频,通过偏频探测及锁定控制器(13)将可调谐激光器(14)锁定至第N阶激光边带,可调谐激光器(14)和参考激光器(1)的频率关系表示如下:f2=f1+fb

fb=Nfr+fo

其中,f2表示可调谐激光器(14)的激光频率,fb表示可调谐激光器(14)与参考激光器(1)的频差,fo表示可调谐激光器(14)与第N边带的锁定偏置频率;

对高频电光相位调制器(3)的调制频率fr进行频率动态调整,产生间隔频率可变的边带即动态边带,后续共进行M次频率动态调整,i表示频率动态调整次数的序号(i=1,2,3……M),每次动态调整后高频电光相位调制器(3)调制频率记为fr[i],其中fr[0]表示初始频率;第i次频率动态调整时可调谐激光器(14)与参考激光器(1)的频差计算为:fb[i]=Nfr[i]+fo

其中,fb[i]表示第i次频率动态调整时可调谐激光器(14)与参考激光器(1)的动态频差;

可调谐激光器(14)的频率计算为:

f2[i]=f1+fb[i]=f1+Nfr[i]+fo

其中,f2[i]表示第i次频率动态调整时可调谐激光器(14)的动态频率;

3)使用正交光纤合束器(4)将参考激光器(1)与可调谐激光器(14)的激光合为一束正交线偏振光,入射至正弦相位调制干涉仪测量模块进行绝对距离测量,构建合成波长λs[i],公式如下:λ2[i]=c/f2[i],λ1=c/f1

其中,λ1为参考激光器(1)的激光波长、λ2[i]为第i次调整高频电光相位调制器(3)调制频率后可调谐激光器的激光波长,c表示真空光速;

合成波长的大小由高频电光相位调制器(3)调制频率fr[i]决定,每次动态调整高频电光相位调制器(3)的调制频率fr[i]后,用第i次的合成波长与第i-1次的合成波长来构建二阶合成波长λss[i],公式如下:Δfr[i]=fr[i]-fr[i-1]

其中,Δfr[i]表示高频电光相位调制器(3)第i次的频率动态调整增量,Δfr[i]>0;

4)正弦相位调制干涉仪测量模块中,参考激光器(1)和可调谐激光器(14)的干涉信号分别经两个光电探测器(18、19)探测后,再经模数转换器(20、21)采样后进入现场可编程门阵列信号处理器(2)进行相位解调,得到两路干涉信号相位,计算合成波长的相位和二阶合成波长的相位分别为:其中,L表示正弦相位调制干涉仪中测量镜(9)的待测距离, 表示参考激光器的干涉信号相位, 和 分别表示第i次调整高频电光相位调制器(3)调制频率后可调谐激光器的干涉信号相位、合成波长相位和二阶合成波长相位;

5)高频电光相位调制器(3)的调制频率第i=1次动态调整后,根据二阶合成波长和对应相位求得对应的绝对距离的初测测量结果,公式如下:高频电光相位调制器(3)调制频率第i次动态调整后,i>1,根据合成波长过渡理论,绝对距离的测量结果表示如下:其中,int[]表示向上取整;

6)重复完成步骤3)、4)、5)一共进行重复进行M次,最终获得测量结果为最后一次的绝对距离LM。