阅读说明：本技术 一种微谐振腔光学频率梳相位法测量系统 (Micro-resonant cavity optical frequency comb phase method measuring system ) 是由 张福民 宋明宇 郑继辉 姚思涵 曲兴华 马鑫 于 2020-07-20 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种微谐振腔光学频率梳相位法测量系统,用于高精度长度测量。所述的微谐振腔光学频率梳相位法测量系统包括光源、准直镜、分光镜、光电探测器、相位调制器、计算机,其中光源、准直镜构成光输出模块,实现准直光源的输出；分光镜、光电探测器、被测物体构成光学测量模块,实现利用被测物体的距离对光信号相位的调制；相位调制器、计算机构成信号处理模块。通过微谐振腔光学频率梳的自拍频,对光学信号的相位调制,进而实现对距离的较高精度测量。(The invention relates to a micro-resonant cavity optical frequency comb phase method measuring system which is used for high-precision length measurement. The micro-resonant cavity optical frequency comb phase method measuring system comprises a light source, a collimating mirror, a spectroscope, a photoelectric detector, a phase modulator and a computer, wherein the light source and the collimating mirror form a light output module to realize the output of a collimated light source; the spectroscope, the photoelectric detector and the measured object form an optical measuring module to realize the modulation of the phase of the optical signal by using the distance of the measured object; the phase modulator and the computing mechanism form a signal processing module. The self-timer frequency of the micro-resonant cavity optical frequency comb is used for modulating the phase of an optical signal, so that the distance can be measured with higher precision.)

一种微谐振腔光学频率梳相位法测量系统

技术领域

本发明涉及一维距离测量技术领域，特别是涉及一种微谐振腔光学频率梳相位法测量系统。

技术背景

一维距离测量技术在工业装配、航空航天、工业零部件生产等领域有着广泛的应用，传统的一维距离激光测量技术主要分为以下几方面：利用激光的飞行时间计算距离的飞行时间法；利用参考光和测量光进行干涉计算距离的干涉法；通过被测光的相位来计算距离的相位法。

由于受到探测器响应时间的限制，飞行时间法适用于测量精度要求较低的测量场合；由于光干涉信号的周期性，干涉法无法进行距离的绝对测量；相位法由于传统激光的频率较高，而相位分辨力又较低，因此测量精度也比较低。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供微谐振腔光学频率梳相位法测量系统，其可实现高精度一维测距。

本发明是通过如下技术方案实现：

本发明提供一种微谐振腔光学频率梳相位法测量系统，包括：

光输出模块，由光源、准直镜构成，用于生成准直的微谐振腔光学频率梳。

光学测量模块，由分光镜、光电探测器、被测物体构成，用于测量被测物体的一维距离。

信号处理模块，由相位调制器、计算机构成，用于对所述的光电探测器产生的参考光信号与测量光信号进行处理，计算得到被测物体的一维距离信息。

所述的光输出模块包括光源、准直镜。所述的光源为微谐振腔光学频率梳。将所述的微谐振腔频率梳通过光纤与准直镜连接，可以得到准直的微谐振腔光学频率梳。

所述的光学测量模块包括分光镜、光电探测器、被测物体。由光输出模块输出的准直的微谐振腔光学频率梳经过分光镜被分为参考光与测量光。

参考光由光电探测器直接探测，测量光照射到被测物体上，经被测物体表面反射后，通过分光镜反射至另一光电探测器接收。两个光电探测器分别获得由自拍频效应产生的参考光信号和测量光信号。

所述的信号处理模块包括：

相位调制器具有A、B两路输入端和I、Q两路输出端。使用信号线将两个光电探测器与相位调制器的A、B输入端连接，两路输入端分别输入所述的参考光信号与测量光信号，参考光信号与测量光信号经过相位调制器处理后由I、Q两路输出端分别输出I信号与Q信号。

计算机用于计算相位调制器产生的信号。使用信号线把相位调制器的I、Q输出端与计算机连接，将I信号与Q信号进行处理，得到被测物体的距离信息。I信号与Q信号以及被测物体距离的关系为：

其中，c是空气中光的传播速度，Q是所述的相位调制器产生的Q信号，I是所述的相位调制器产生的I信号，f_r为所述的微谐振腔光学频率梳的重复频率。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明可以通过微腔光学频率梳的频域特性，获得具有高精度频率的电信号，由于系统的结构简单，信号处理方便以及相位调制器具有的高相位分辨力，因此该方法具有精度高、测量简便等优点。

附图说明

图1为本发明实施例中微谐振腔光学频率梳相位法测量系统整体结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种微谐振腔光学频率梳相位法测量系统，其结构图如图1所示，所述的光输出模块，由所述的光源1和准直镜2构成，将光源1通过光纤连接至准直镜2，用于生成准直的微谐振腔光学频率梳。

所述的光学测量模块，由所述的光镜5、光电探测器3、光电探测器4和被测物体6构成。分光镜5将准直的微谐振腔光学频率梳分为参考光与测量光；光电探测器3、4分别探测参考光与测量光以获得参考光信号与测量光信号。

所述的信号处理模块，由所述的相位调制器7和计算机8构成。相位调制器7，其具有A、B两路输入端和I、Q两路输出端。

使用信号线将光电探测器3、4与相位调制器7的输入端A、B连接，两路输入端分别输入所述的参考光信号与测量光信号，参考光信号与测量光信号经过相位调制器7处理后由I、Q两路输出端分别输出I信号与Q信号。

所述的计算机8，用于计算相位调制器7产生的信号。使用信号线把相位调制器7的I、Q输出端与计算机8连接，将I信号与Q信号进行处理，得到被测物体的距离信息。

具体地，所述的光输出模块包括光源1、准直镜2。所述的光源1为微谐振腔光学频率梳。将光源1通过光纤连接至准直镜2，用于生成准直的微谐振腔光学频率梳。

具体地，所述的光学测量模块由所述的分光镜5和光电探测器3、4组成。当所述的光输出模块产生的微谐振腔光学频率梳通过所述的分光镜5时，所述的分光镜5将光输出模块产生的微谐振腔光学频率梳分为参考光与测量光，其中参考光直接由光电探测器3直接探测，测量光经过被测物体6反射后再被分光镜5反射，被光电探测器4探测，基于参考光和测量光分别获得由自拍频产生的参考光信号和测量光信号。

参考光信号可以表示为：

I_r＝∑_N＝1∑_nA_1nA_1n+Ncos(2Nπf_rt)；

其中，A_1n和A_1n+N分别是不同序号对应的所述的微腔光学频率梳的频率成分的幅值，N是整数，f_r为所述的微谐振腔光学频率梳的重复频率，t是时间。

测量光信号可以表示为：

I_m＝∑_N＝1∑_nA_2nA_2n+Ncos(2Nπf_rt-2Nπf_rτ)；

其中，A_2n和A_2n+N分别是不同序号对应的所述的微腔光学频率梳的频率成分的幅值，N是整数，f_r为所述的微谐振腔光学频率梳的重复频率，t是时间，τ是由于被测距离引起的所述的测量光的时间延迟。

由于所述的光电探测器3、4的响应可以选择，因此选择一阶信号进行测量。参考光信号可以表示为：

I_r＝∑_nA_1nA_1n+1cos(2πf_rt)；

其中，A_1n和A_1n+1分别是不同序号对应的所述的微腔光学频率梳的频率成分的幅值，f_r为所述的微谐振腔光学频率梳的重复频率，t是时间。

测量光信号可以表示为：

I_m＝∑_nA_2nA_2n+1cos(2πf_rt-2πf_rτ)；

其中，A_2n和A_2n+1分别是不同序号对应的所述的微腔光学频率梳的频率成分的幅值，f_r为所述的微谐振腔光学频率梳的重复频率，t是时间，τ是由于被测距离引起的所述的测量光的时间延迟。

具体地，所述信号处理模块由所述的相位调制器7和计算机8组成。所述的相位调制器具有A、B两路输入端和I、Q两路输出端，且具有较高的鉴相精度。通过信号线的连接，两路输入端A、B分别输入所述的参考光信号与测量光信号，所述的参考光信号与测量光信号经过相位调制器处理后由I、Q两路输出端分别输出I信号与Q信号。

其中I信号可以表示为：

I＝cos(2πf_rτ)；

其中，f_r为所述的微谐振腔光学频率梳的重复频率，τ是由于被测距离引起的所述的测量光的时间延迟。

其中Q信号可以表示为：

Q＝sin(2πf_rτ)；

其中，f_r为所述的微谐振腔光学频率梳的重复频率，τ是由于被测距离引起的所述的测量光的时间延迟。

计算机用于计算所述的相位调制器产生的信号，使用信号线将相位调制器与计算机进行连接，将I信号与Q信号输入计算机进行处理，得到被测物体的距离信息，I信号与Q信号以及被测物体距离的关系为：

其中，c是空气中光的传播速度，Q是所述的相位调制器产生的Q信号，I是所述的相位调制器产生的I信号，f_r为所述的微谐振腔光学频率梳的重复频率。

本发明最后得到被测物体的一维距离。上述的实施例只是为了描述本发明，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应涵盖在本发明的保护范围之内。