大量程距离测量的高精度光学校准装置及方法
阅读说明：本技术 大量程距离测量的高精度光学校准装置及方法 (High-precision optical calibration device and method for large-range distance measurement ) 是由 王菊 苏学敏 于晋龙 马闯 于 2020-12-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种大量程距离测量的高精度光学校准装置及方法,利用激光器、电光调制器、长光纤、光电探测器、微波放大及滤波器、石英棒、波分复用器等光学和电子器件构成两个包含公共环路部分的OEO谐振腔,通过光开关对两个谐振腔交替起振；飞秒脉冲测距仪发出的飞秒测距脉冲进入大量程距离测量的校准光路,而后再次经过长光纤和一个波分复用器后经过透镜原路返回给飞秒脉冲测距仪；长光纤由腔长稳定控制器进行控制,即通过锁相环控制腔长,保证光电谐振频率保持稳定,从而达到稳定光程的目的；除此之外,利用二次调制距离测量保持除长光纤以外部分的腔长稳定；从而在长光纤及其他部分腔长稳定的条件下,进行飞秒脉冲测距仪的校准。(The invention discloses a high-precision optical calibration device and method for wide-range distance measurement.A laser, an electro-optical modulator, a long optical fiber, a photoelectric detector, a microwave amplification and filter, a quartz rod, a wavelength division multiplexer and other optical and electronic devices are utilized to form two OEO resonant cavities comprising a common loop part, and the two resonant cavities are alternatively vibrated by an optical switch; the femtosecond range pulse sent by the femtosecond pulse range finder enters a calibration light path for measuring a large range distance, and then returns to the femtosecond pulse range finder through a lens original path after passing through the long optical fiber and a wavelength division multiplexer again; the long optical fiber is controlled by a cavity length stabilizing controller, namely the cavity length is controlled by a phase-locked loop, so that the photoelectric resonant frequency is kept stable, and the purpose of stabilizing the optical path is achieved; in addition, the cavity length of the part except the long optical fiber is kept stable by using secondary modulation distance measurement; therefore, the femtosecond pulse range finder is calibrated under the condition that the long optical fiber and other parts of the cavity length are stable.)
技术领域
本发明涉及激光测距领域，特别涉及一种基于光电振荡器的大量程长距离高精度测量系统。
背景技术
随着卫星编队技术等空间技术的发展，通过测量卫星间的距离，构成高精度测量空间测量基线，可以大大提高对地、对深空的观测精度。而在重力场测量等应用中，也需要高精度的星间距离的测量。针对此应用，近年来大量程、高精度的星间距离测量技术，尤其是激光距离测量技术得到了快速的发展。但在空间中很难对测量载荷设备进行高精度在轨校准，而在地面上对测距载荷进行有效的校准和测试就成了一种必然的选择，但由于星间测距的量程大(km到上百km)及地面的大气扰动、振动及地质方面的干扰，在地面环境下很难达到仪器标定所需要的精度。所以，开展在地面条件下对高精度、大量程的星间测距载荷的测试和标定技术有重要的科学意义和实际的需求。解决此问题将为大大提高人们对地球、深空等目标的观测精度和水平，为国防和国民经济发展做出贡献。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种大量程距离测量的高精度光学校准技术，实现一个长度精确测量且高度稳定的光纤链路，用于仿真星间的空间距离，从而实现在地面环境下对星间距离测量设备的校准和测量。该方案通过利用长腔谐振的原理，即将此测量用光纤作为一个高Q值谐振腔的一部分，其谐振腔长的变化会导致谐振频率的变化，从而通过检测谐振频率得到谐振腔的变化，再通过锁相控制，就可以保证整个谐振腔的总体稳定；通过采用二次调制技术，控制谐振腔中非测量光纤部分的稳定。总腔长的稳定和非测量腔部分的稳定就保证了用于测量的长光纤的稳定。起振后，将飞秒测距仪的测距脉冲通过透镜、波分复用器、长光纤进入光程稳定的长光纤，再经由反射镜反射后原路返回至飞秒测距仪，根据测量的长光纤长度对测距仪进行校准。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种大量程距离测量的高精度光学校准装置，包括如下光学和电子器件：两个电光调制器，两个光电探测器，两个波分复用器、两个光开关，半导体激光器，腔长稳定控制器，长光纤，石英棒，微波滤波器，微波移相器，微波放大器，反射镜和透镜；其中两个电光调制器分别记为第一电光调制器和第二电光调制器，两个光电探测器分别记为第一光电探测器和第二光电探测器，两个波分复用器分别记为第一波分复用器和第二波分复用器，两个光开关分别记为第一光开关和第二光开关；利用上述光学和电子器件构成两个包含公共环路部分的OEO谐振腔，通过两个光开关对两个谐振腔交替起振；飞秒脉冲测距仪发出波长为λ1的飞秒测距脉冲进入大量程距离测量的校准光路，即通过由透镜构成的光学接口后依次经过第一波分复用器后第一光开关后进入所述长光纤，再经过第二光开关、第二波分复用器经由反射镜反射，再次经过所述长光纤、第一光开关、第一波分复用器后经过所述透镜原路返回给飞秒脉冲测距仪，所述半导体激光器发出波长为λ2的激光作为OEO谐振腔的谐振光源；所述长光纤由腔长稳定控制器进行控制，所述的腔长稳定控制器由锁相环组成，即通过锁相环控制腔长，保证光电谐振频率保持稳定，从而达到稳定光程的目的；除此之外，从微波放大器输出的微波通过第二电光调制器和第二光电探测器实现二次调制距离测量，保持除所述长光纤以外部分的腔长稳定；从而在长光纤及其他部分腔长稳定的条件下，进行飞秒脉冲测距仪的校准。
进一步讲，本发明装置中，两个包含公共环路部分的OEO谐振腔分别为OEO第一谐振腔和OEO第二谐振腔；所述OEO第一谐振腔由所述半导体激光器，第一电光调制器，第一波分复用器，第一光开关，腔长控制器，长光纤，第二光开关，第二波分复用器，第一光电探测器，微波滤波器，微波移相器和微波放大器构成；所述OEO第二谐振腔由所述半导体激光器，第一电光调制器，第一波分复用器，第一光开关，石英棒，第二光开关，第二波分复用器，第一光电探测器，微波滤波器，微波移相器和微波放大器构成。
同时，本发明还提出了利用上述大量程距离测量的高精度光学校准装置进行校准的方法，步骤如下：
步骤一：所述半导体激光器发出的波长为λ2的光信号依次经过第一电光调制器、第一波分复用器、第一光开关、腔长稳定控制器、长光纤、第二光开关、第二波分复用器后，分为两路，一路通过第一光电探测器转换为电信号，另一路送入第二电光调制器；
步骤二：步骤一中所得电信号经过依次微波滤波器、微波移相器、微波放大器处理后送入第一电光调制器，从而形成OEO环路；
步骤三：步骤一中送入第二电光调制器的光信号经过第二光电探测器后，作为二次调制距离测量信号作用于所述微波移相器，以保证OEO谐振腔中除了长光纤和石英棒以外部分的腔长稳定；
步骤四：利用第一光开关和第二光开关的导通状态，将半导体激光器产生的激光切至包含所述长光纤一路的OEO第一谐振腔，所述长光纤长度的变化将会引起OEO谐振频率的变化，测量OEO谐振频率与频率基准的误差得到当前所述长光纤长度的变化量以及当前OEO第一谐振腔的腔长总长度；
步骤五：利用第一光开关和第二光开关的导通状态，将半导体激光器产生的激光切至包含所述石英棒一路的OEO第二谐振腔，所述石英棒长度已知，通过测量当前OEO第二谐振腔谐振频率得到OEO第二谐振腔的腔长总长度，且计算得出除所述石英棒之外部分的长度；
步骤六：将步骤四得到的OEO第一谐振腔的腔长总长度与步骤五得到的OEO第二谐振腔的腔长总长度的值作差得到所述长光纤的长度；
步骤七：将步骤四计算得到的OEO谐振频率与频率基准的误差值利用PID算法转换为控制量，作为腔长稳定控制信号来控制所述腔长稳定控制器使所述长光纤的长度稳定；
步骤八：飞秒脉冲测距仪发出的波长为λ1的飞秒测距脉冲经所述透镜、第一波分复用器和第一光开关进入所述长光纤，并经第二波分复用器、第二光开关抵达反射镜，经由反射镜反射回原光路，并最终沿原路返回飞秒脉冲测距仪，测量得到待校准的绝对距离；
步骤九：将步骤八飞秒脉冲测距仪得到待校准的绝对距离与步骤六所得长光纤的长度进行对比处理，利用误差完成对飞秒脉冲测距仪的校正。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明实现的超长光纤光程稳定与测量系统不受器件自身非线性的影响。
(2)本发明通过测量谐振频率，从而将长度的稳定性和测量精度转换成时间稳定性和测量精度，当长光纤长度变化时谐振频率将跟随变化，通过计算频率变化量从而实现超长光纤光程稳定与测量系统。
(3)本发明提出采用二次谐振和二次调制方法实现测量光纤的稳定和高精度测量。通过二次谐振将测量光纤从整个谐振腔的长度中提取出来，通过高精度的石英棒实现了谐振腔的测量精度到被测光纤测量精度的转换，并实现了可回溯性；用二次调制的办法实现了谐振环路中非测量光纤部分的稳定性，从而将谐振环路的稳定性转移成测量光纤的稳定性，最终实现测量光纤的高精度测量和高稳定性。
附图说明
图1为本发明的大量程距离测量的高精度光学校准装置及方法示意图。
图中：
1-第一电光调制器 2-第二光电探测器 3-半导体激光器
4-第一波分复用器 5-第一光开关 6-腔长稳定控制器
7-长光纤 8-第二光开关 9-石英棒
10-第二波分复用器 11-第一光电探测器 12-微波滤波器
13-微波移相器 14-微波放大器 15-第二电光调制器
16-反射镜 17-透镜
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于区别描述具体器件的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
如图1所示，本发明提出的一种大量程距离测量的高精度光学校准装置，包括如下光学和电子器件：两个电光调制器，两个光电探测器，两个波分复用器、两个光开关，半导体激光器3，腔长稳定控制器6，长光纤7，石英棒9，微波滤波器12，微波移相器13，微波放大器14，反射镜16和透镜17；其中，两个电光调制器分别记为第一电光调制器1和第二电光调制器15，两个光电探测器分别记为第一光电探测器11和第二光电探测器2，两个波分复用器分别记为第一波分复用器4和第二波分复用器10，两个光开关分别记为第一光开关5和第二光开关8。
本发明装置中利用上述光学和电子器件构成两个包含公共环路部分的OEO谐振腔，通过两个光开关对两个谐振腔交替起振；飞秒脉冲测距仪发出波长为λ1的飞秒测距脉冲进入大量程距离测量的校准光路，校准光路由所述第一波分复用器4，第一光开关5，长光纤7，第二光开关8，第二波分复用器10，反射镜16和透镜17组成；即飞秒测距脉冲通过由透镜17构成的光学接口后依次经过第一波分复用器4、第一光开关5后进入所述长光纤7，再经过第二光开关8、第二波分复用器10经由反射镜16反射，再次经过所述长光纤7，第一波分复用器4、第一光开关5后经过所述透镜17原路返回给飞秒脉冲测距仪；半导体激光器3发出波长为λ2的激光作为OEO的谐振光源，通过对第一光开关5和第二光开关8状态进行控制，使两个OEO谐振腔交替起振，从而实现对所述长光纤7长度的高精度测量，进而实现接下来对腔长稳定控制器的控制；所述长光纤7由腔长稳定控制器6进行控制，所述的腔长稳定控制器由锁相环组成，即通过锁相环控制腔长，保证光电谐振频率保持稳定，从而达到稳定光程的目的；除此之外，微波放大器14发出的微波通过第二电光调制器15和第二光电探测器2实现二次调制距离测量，保持除所述长光纤7以外部分的腔长稳定；从而在长光纤及其他部分腔长稳定的条件下，进行飞秒脉冲测距仪的校准。
本发明装置中，所述的两个包含公共环路部分的OEO谐振腔分别为OEO第一谐振腔和OEO第二谐振腔。所述OEO第一谐振腔由所述半导体激光器3，第一电光调制器1，第一波分复用器4，第一光开关5，腔长控制器6，长光纤7，第二光开关8，第二波分复用器10，第一光电探测器11，微波滤波器12，微波移相器13和微波放大器14构成；所述OEO第二谐振腔由所述半导体激光器3，第一电光调制器1，第一波分复用器4，第一光开关5，石英棒9，第二光开关8，第二波分复用器10，第一光电探测器11，微波滤波器12，微波移相器13和微波放大器14构成。
利用上述大量程距离测量的高精度光学校准装置对飞秒脉冲测距仪的校正步骤如下：
步骤一：所述半导体激光器3发出的波长为λ2的光信号依次经过第一电光调制器1、第一波分复用器4、第一光开关5、腔长稳定控制器6、长光纤7、第二光开关8、第二波分复用器10后，分为两路，一路通过第一光电探测器11转换为电信号，另一路送入第二电光调制器15；
步骤二：步骤一中所得电信号经过依次微波滤波器12、微波移相器13、微波放大器14处理后送入第一电光调制器1，从而形成OEO环路；
步骤三：步骤一中送入第二电光调制器15的光信号经过第二光电探测器2后，作为二次调制距离测量信号作用于所述微波移相器13，通过所述微波移相器13以保证OEO谐振腔中除了长光纤7和石英棒9以外部分的腔长稳定；
步骤四：利用第一光开关5和第二光开关8的导通状态，将半导体激光器3产生的激光切至包含所述长光纤7一路的OEO第一谐振腔，所述长光纤7长度的变化将会引起OEO谐振频率的变化，测量OEO谐振频率与频率基准的误差得到当前所述长光纤7长度的变化量以及当前OEO第一谐振腔的腔长总长度。即通过控制第一光开关5和第二光开关8的状态，使OEO的第一谐振腔产生振荡，测得该第一谐振腔的谐振频率，利用测得的谐振频率与腔长的关系算出第一谐振腔的腔长总长度L总长1，L总长1＝L长光纤+L其他1，L长光纤是长光纤构成的回路长度，L其他1是构成该第一谐振腔的其它部分的长度。
步骤五：利用第一光开关5和第二光开关8的导通状态，将半导体激光器3产生的激光切至包含所述石英棒9一路的OEO第二谐振腔，所述石英棒9长度已知，通过测量当前OEO第二谐振腔谐振频率得到OEO第二谐振腔的腔长总长度，且计算得出除所述石英棒9之外部分的长度。即改变第一光开关5与第二光开关8的状态，使OEO的第二谐振腔产生振荡，通过测量该第二谐振腔的谐振频率求得该第二谐振腔的腔长总长度L总长2，L总长2＝L石英棒+L其他2，L石英棒是石英棒9构成的回路长度，L其他2是构成该第二谐振腔的其它部分的长度；
本发明中，通过第二电光调制器15对返回信号进行二次调制，通过所述微波移相器13保证第一谐振腔中L其他1或第一谐振腔中L其他2的长度稳定。
步骤六：将步骤四得到的OEO第一谐振腔的腔长总长度与步骤五得到的OEO第二谐振腔的腔长总长度的值作差得到所述长光纤7的长度即L长光纤＝L总长2-L总长1。
步骤七：将步骤四计算得到的OEO的第一谐振腔的谐振频率与频率基准的误差值(即偏移量)利用PID算法转换为控制量作用于所述腔长稳定控制器6，作为腔长稳定控制信号来控制所述腔长稳定控制器6，以保证OEO的第一谐振腔中的长光纤长度L长光纤稳定。
步骤八：飞秒脉冲测距仪发出的波长为λ1的飞秒测距脉冲经所述透镜17、第一波分复用器4和第一光开关5进入所述长光纤7，并经第二波分复用器10、第二光开关8抵达反射镜16，经由反射镜16反射回原光路，并最终沿原路返回飞秒脉冲测距仪，测量得到待校准的绝对距离；
步骤九：将步骤八飞秒脉冲测距仪得到待校准的绝对距离与步骤六所得长光纤7的长度进行对比处理，利用误差完成对飞秒脉冲测距仪的校正。
综上所述，本发明通过测量谐振频率来测OEO腔长，测得OEO谐振频率变化得到腔长的变化量以及长光纤的长度，并根据误差量对光纤长度进行控制，保证光纤光程稳定，进而进行大量程距离测量的光学校准工作。OEO腔长变化改变OEO振荡产生的微波信号频率的过程为线性过程，不受器件自身非线性的限制，因此，本发明实现的大量程距离测量的高精度光学校准技术为线性系统，不受实验器件自身非线性的影响。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
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