無導軌的絕對距離測量方法和系統與流程
本發明涉及激光測距領域，特別涉及一種無導軌的絕對距離測量方法和系統。
背景技術：
長度測量是最基本的測量，長度單位“米(m)”在國際單位制(si)中被列為七個基本單位之一。大長度或大尺寸的精確測量在高端裝備制造、空間工程和計量技術等領域有著廣泛的應用，在前沿科學和先進技術的基礎研究方面具有重要的科學意義。
激光干涉法是長度測量中精度最高的方法，但傳統的激光干涉儀通常采用增量式的位移測量方法，需要預先配備供測量鏡移動的、長度至少大于被測距離的精密平直導軌，并且測量過程中條紋計數不能中斷，這極大地限制了它的應用。在導軌不能鋪設、導軌長距離平直度不夠或者測量過程不能連續進行的場合，上述方法根本無法使用。因此，開展大長度、高精度的絕對距離測量技術研究及儀器研制，對提升我國重大精密工程、空間科學實驗研究和精密計量技術的原始創新能力具有重要科學意義。
在絕對大長度測量領域，測量量程、測量精度和測量速度這三個要素是最受關注的重點。傳統大長度絕對距離測量可分為飛行時間法和干涉測量法兩大類。
飛行時間法通過測量脈沖發射和返回之間的時間間隔來確定測量距離，雖然測量范圍大，但是由于光速極快，電子器件直接測量時間間隔的精度難以突破皮秒量級，受到探測光脈沖到達時間精度的限制，距離測量精度只能達到毫米量級。
傳統的干涉測量法是基于邁克爾遜干涉儀結構的光路，通過測量參考臂和測量臂之間的光相位信息得到測量距離，測量分辨率最高可到納米，但單純相位分辨無法確定大于2π的整數周期因而量程受限，即使通過干涉條紋計數來得到被測距離的光波整周期倍數，也只適合于增量式的位移測量，無法實現絕對距離測量。
在飛秒光梳出現之前，傳統的干涉測量方法所使用的光源是單一頻率的連續激光，而飛秒光梳出現改變了這一切，因為其在時域上看是脈寬極窄(飛秒量級，一飛秒等于10-15秒)的超短脈沖，而在頻域上則對應為由多個離散譜線組成的寬光譜，相當于同時輸出多個單頻激光。因此飛秒光梳可以同時使用以上兩種方法測距，從而兼顧絕對距離測量對量程和精度的要求，其中代表性的方法如飛秒脈沖光學平衡互相關法、合成波長法、光譜分辨干涉法。而基于兩臺重復頻率略有差異的光梳來作為光源進行絕對距離測量方法，則是對傳統的單光梳測距方法的重大革新。這種方法利用兩臺光梳之間的重復頻率的微小差異，在時域上用其中一臺光梳(本地光梳)的脈沖來異步掃描另一臺光梳(信號光梳)的脈沖，得到異步采樣信號并由此解算出待測距離。這種方法第一個優點是使時域測量過程“變慢”，降低了對探測器帶寬要求，從而實現脈沖的時域探測，同時也擴大測量范圍，測量無死角。同時，由于測量過程中兩脈沖重合過程是自動實時并且周而復始的，不需要移動導軌等輔助機械設備，這是一種全新的絕對距離測量方法，有別于傳統增量式的位移測量方法，并且由于測量速度取決于兩脈沖重頻之差，因此測量速度很快，有利于提高系統的實時性，便于實時反饋。因此，雙光梳法不僅結合了普通單光梳方法兼具大量程和高精度測量的特點，而且還具有很快的測量速度，真正把長度測量的三大要素——量程、精度和速度三者完美結合在一起，并且有別于傳統增量式的位移測量方法，這是一種絕對距離測量方法，不需要移動導軌等機械器件，避免由此引入的誤差。但這種方法對兩臺光梳的相干性有著很苛刻的要求，通常做法是將兩臺光梳鎖定到超穩腔來壓窄光梳梳齒的線寬，如美國nist的coddington等人利于這種方法實現了測量了一段約1.14km長光纖的長度，測量精度達到5nm。但由于系統要實現高精度，同時需要光梳鎖定和超穩激光技術，技術門檻高、操作復雜，實現極其困難。
技術實現要素：
本發明實施例提供一種無導軌的絕對距離測量方法和系統，
為了解決傳統的測距方法中，時間分辨率不高、需要增量式位移測量，難以獲取絕對距離信息的問題，同時為了克服了傳統雙光梳測距方法系統復雜、操作繁瑣的缺點，本發明提出一種能夠輸出兩套重復頻率有微小差別的脈沖序列作為測距光源搭建的雙波長脈沖絕對測距系統，既克服了傳統測距方法的弊端，實現大量程、高精度、快速實時測量。
根據本發明的一個方面，提供一種無導軌的絕對距離測量系統，包括：
激光器，用于輸出光脈沖序列，其中光脈沖序列中包括具有不同的中心波長和重復頻率的第一光脈沖序列和第二光脈沖序列；
第一光學處理器件，用于從激光器輸出的光脈沖序列中分離出第一光脈沖序列和第二光脈沖序列，將第一光脈沖序列進行光譜擴展，以便使第一光脈沖序列和第二光脈沖序列的光譜重疊；
待測距裝置，用于使光譜擴展后的第一光脈沖序列分別通過待測距裝置中的目標鏡和參考鏡的反射，以生成目標脈沖序列和參考脈沖序列；
光學干涉裝置，用于使第二光脈沖序列分別與目標脈沖序列和參考脈沖序列進行干涉，以生成目標干涉信號和參考干涉信號；
信息處理裝置，用于采集目標干涉信號和參考干涉信號，并利用目標干涉信號和參考干涉信號的相位譜線之差，得到目標鏡對應的目標臂和參考鏡對應的參考臂之間的距離差。
在一個實施例中，上述系統還包括：
第二光學處理器件，用于將第二光脈沖序列分為第一本地脈沖序列和第二本地脈沖序列，以便光學干涉裝置使用第一本地脈沖序列分別與目標脈沖序列和參考脈沖序列進行干涉。
在一個實施例中，第一本地脈沖序列的光功率小于第二本地脈沖序列的光功率。
在一個實施例中，上述系統還包括光電探測器，用于探測第二本地脈沖序列的重復頻率，以作為信息處理裝置的信號采集時鐘信號。
在一個實施例中，信息處理裝置用于在時域上采集目標干涉信號和參考干涉信號，分別對采集的目標干涉信號和參考干涉信號進行時頻域變換，以分別得到目標干涉信號對應的第一相位譜線和參考干涉信號對應的第二相位譜線，通過利用第一相位譜線和第二相位譜線之差，得到目標臂和參考臂之間的距離差。
在一個實施例中，第一相位譜線和第二相位譜線之差與目標臂和參考臂之間的距離差成正比。
根據本發明的另一方面，提供一種無導軌的絕對距離測量方法，包括：
激光器輸出光脈沖序列，其中光脈沖序列中包括具有不同的中心波長和重復頻率的第一光脈沖序列和第二光脈沖序列；
第一光學處理器件從激光器輸出的光脈沖序列中分離出第一光脈沖序列和第二光脈沖序列，將第一光脈沖序列進行光譜擴展，以便使第一光脈沖序列和第二光脈沖序列的光譜重疊；
待測距裝置使光譜擴展后的第一光脈沖序列分別通過待測距裝置中的目標鏡和參考鏡的反射，以生成目標脈沖序列和參考脈沖序列；
光學干涉裝置使第二光脈沖序列分別與目標脈沖序列和參考脈沖序列進行干涉，以生成目標干涉信號和參考干涉信號；
信息處理裝置采集目標干涉信號和參考干涉信號，并利用目標干涉信號和參考干涉信號的相位譜線之差，得到目標鏡對應的目標臂和參考鏡對應的參考臂之間的距離差。
在一個實施例中，第二光學處理器件將第二光脈沖序列分為第一本地脈沖序列和第二本地脈沖序列，以便光學干涉裝置使用第一本地脈沖序列分別與目標脈沖序列和參考脈沖序列進行干涉。
在一個實施例中，第一本地脈沖序列的光功率小于第二本地脈沖序列的光功率。
在一個實施例中，光電探測器探測第二本地脈沖序列的重復頻率，以作為信息處理裝置的信號采集時鐘信號。
在一個實施例中，信息處理裝置在時域上采集目標干涉信號和參考干涉信號；
分別對采集的目標干涉信號和參考干涉信號進行時頻域變換，以分別得到目標干涉信號對應的第一相位譜線和參考干涉信號對應的第二相位譜線；
通過利用第一相位譜線和第二相位譜線之差，得到目標臂和參考臂之間的距離差。
在一個實施例中，第一相位譜線和第二相位譜線之差與目標臂和參考臂之間的距離差成正比。
通過以下參照附圖對本發明的示例性實施例的詳細描述，本發明的其它特征及其優點將會變得清楚。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發明無導軌的絕對距離測量系統一個實施例的示意圖。
圖2為本發明無導軌的絕對距離測量系統另一實施例的示意圖。
圖3為本發明無導軌絕對距離測量系統配置一個實施例的示意圖。
圖4為本發明無導軌的絕對距離測量方法一個實施例的示意圖。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。以下對至少一個示例性實施例的描述實際上僅僅是說明性的，決不作為對本發明及其應用或使用的任何限制。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
除非另外具體說明，否則在這些實施例中闡述的部件和步驟的相對布置、數字表達式和數值不限制本發明的范圍。
同時，應當明白，為了便于描述，附圖中所示出的各個部分的尺寸并不是按照實際的比例關系繪制的。
對于相關領域普通技術人員已知的技術、方法和設備可能不作詳細討論，但在適當情況下，所述技術、方法和設備應當被視為授權說明書的一部分。
在這里示出和討論的所有示例中，任何具體值應被解釋為僅僅是示例性的，而不是作為限制。因此，示例性實施例的其它示例可以具有不同的值。
應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進行進一步討論。
圖1為本發明無導軌的絕對距離測量系統一個實施例的示意圖。如圖1所示，該測量系統包括：
激光器1用于輸出光脈沖序列，其中光脈沖序列中包括具有不同的中心波長和重復頻率的第一光脈沖序列和第二光脈沖序列，第一光脈沖序列和第二光脈沖序列的重復頻率有微小差別。
第一光學處理器件2用于從激光器1輸出的光脈沖序列中分離出第一光脈沖序列和第二光脈沖序列，將第一光脈沖序列進行光譜擴展，以便使第一光脈沖序列和第二光脈沖序列的光譜重疊。
待測距裝置3用于使光譜擴展后的第一光脈沖序列分別通過待測距裝置中的目標鏡和參考鏡的反射，以生成目標脈沖序列和參考脈沖序列。
可選地，待測距裝置3可為邁克爾遜干涉儀。其中在待測距裝置3中，第一光脈沖序列分別通過待測距裝置中的目標鏡和參考鏡的反射，以生成通過目標臂的目標脈沖序列和通過參考臂的參考脈沖序列。
由于邁克爾遜干涉儀是本領域技術人員所了解的，因此這里不展開描述。
光學干涉裝置4用于使第二光脈沖序列分別與目標脈沖序列和參考脈沖序列進行干涉，以生成目標干涉信號和參考干涉信號。
信息處理裝置5用于采集目標干涉信號和參考干涉信號，并利用目標干涉信號和參考干涉信號的相位譜線之差，得到目標鏡對應的目標臂和參考鏡對應的參考臂之間的距離差。
基于本發明上述實施例提供的無導軌的絕對距離測量系統，通過利用能夠輸出兩套重復頻率有微小差別的脈沖序列作為測距光源搭建的雙波長脈沖絕對測距系統，既克服了傳統測距方法的弊端，實現大量程、高精度、快速實時測量。
可選地，信息處理裝置5在時域上采集目標干涉信號和參考干涉信號，分別對采集的目標干涉信號和參考干涉信號進行時頻域變換，以分別得到目標干涉信號對應的第一相位譜線和參考干涉信號對應的第二相位譜線，通過利用第一相位譜線和第二相位譜線之差，得到目標臂和參考臂之間的距離差。
其中，第一相位譜線和第二相位譜線之差與目標臂和參考臂之間的距離差成正比。
圖2為本發明無導軌的絕對距離測量系統一個實施例的示意圖。與圖1所示實施例相比，在圖2中，該測量系統還進一步包括：
第二光學處理器件6用于將第二光脈沖序列分為第一本地脈沖序列和第二本地脈沖序列，以便光學干涉裝置4使用第一本地脈沖序列分別與目標脈沖序列和參考脈沖序列進行干涉。
可選地，第一本地脈沖序列的光功率小于第二本地脈沖序列的光功率。例如，第一本地脈沖序列與第二本地脈沖序列的光功率之比為3：7。
此外，在圖2所示實施例中，還包括光電探測器7，用于探測第二本地脈沖序列的重復頻率，以作為信息處理裝置5的信號采集時鐘信號。
下面通過一個具體示例對本發明進行說明。
如圖3所示，激光器301為雙波長鎖模激光器，它能產生兩路有微小重頻差的鎖模光脈沖序列。在光譜儀上看這兩路脈沖序列，分別隸屬于兩個相鄰的光譜峰值，其中心波長分別為1533nm和1542nm(實際的波長值可隨著鎖模狀態不同會有所區別)，正是由于不同光波長對腔內折射率的差異，最終導致了這兩個中心波長不同的脈沖序列其各自對應重頻的差異。在利用這個光源進行測量之前，通過cwdm波分復用器302將這兩個脈沖序列分離開來。這里選取其中一路脈沖序列(這里定為1542nm)作為第一光脈沖序列，另一路脈沖序列(1533nm)作為實施異步采樣的第二光脈沖序列。通過摻鉺光纖放大器edfa303將第一光脈沖序列放大和光譜展寬后，使其光譜能夠覆蓋到1533nm波段，再通過一3db寬度約0.8nm的窄帶濾波器304，只保留第一光脈沖序列在1533nm附近的光譜。
其次，將這個放大濾波后的光脈沖序列，通過光纖準直器(fc)305轉化為空間光，進入到一個邁克爾遜干涉儀結構的空間光路。這樣，經過偏振分光棱鏡pbs306和干涉儀參考鏡307之間的光路(參考臂)，以及偏振分光棱鏡pbs306和目標鏡308之間的光路(目標臂)，參考鏡307和目標鏡308分別反射回參考脈沖和目標脈沖。這兩個脈沖序列在干涉儀的尾端合束在一起，通過準直器(fc)耦合進光纖，進入一根2×2的光纖耦合器309其中一個輸入端，同時通過光纖耦合器311將第二光脈沖序列分出一部分功率(30％)接入該耦合器309的另一個輸入端，而耦合器309的輸出端則接入平衡探測器(bpd)310。將第二光脈沖序列剩下的功率(70％)，用光電探測器(pd)312探測，可以得到其重頻fr1，經過濾波器(lpf)313和電學放大器(amp)314后，作為高速ad采集卡315的外時鐘信號。
隨后，干涉圖分析模塊316將采集得到的兩路干涉信號，在時域上截取并分離開，分別計算對其做傅里葉變換，求出各自對應的相位譜。將兩個相位譜上各自對應傅里葉頻率上的相位值相減，得到反映兩路信號相位差的相位譜圖，并通過該相位譜圖計算待測距離。
相關理論分析和算法如下：
如圖3所示，cwdm波分復用器302分離出來的1542nm脈沖序列(信號脈沖)和1533nm脈沖序列(本地脈沖)，其電場表達式可分別表示為：
這其中，eref(t)和etar(t)分別代表1542nm脈沖序列(信號脈沖)經過邁克爾遜干涉儀參考臂和測量臂返回的脈沖序列，fr和f01分別為其重復頻率和系統頻移，τ代表測量臂和參考臂之間的延時。而elo(t)代表1533nm脈沖序列(本地脈沖)，fr+δfr和f02分別為其重復頻率和系統頻移。因此，當公式(1)和(2)所涉及的信號分別與公式(3)所涉及的電場相干涉時，在光電探測器上得到參考臂干涉信號和測量臂干涉信號可以分別表示為：
iref＝(eref+elo)(eref+elo)*(4)
itar＝(etar+elo)(etar+elo)*(5)
將公式(1)、(2)和(3)代入公式(4)、(5)，由于采取了平衡探測的方法，公式(4)、(5)中展開的直流平方分項將被消除，只剩下相關分項erefelo或者etarelo。并且通過低通濾波濾除高頻成分，只保留零到0.5fr的頻率成分。因此，最后通過數據采集卡(ad)采樣得到的參考臂干涉信號和測量臂干涉信號的電場可表示為：
其中，i的取值范圍為0到n/2，n通常被稱為轉換因子，其值等于(fr+δfr)/δfr。
通常情況下，m和n并不相等，所以i和m或者n并不相等。但如果fr、δfr、f01和f02是確定的話，公式(7)中的i和m存在唯一對應關系。根據公式(6)和(7)，得到測量臂和參考臂對應譜線的相位差表達式：
式中l代表測量臂和參考臂之間的距離差，也即待測距離。c為真空光速，ng為空氣折射率修正值。公式(8)即為第三步最終得到的測量臂干涉信號和參考臂干涉信號的相位差譜圖。根據該公式(8)，很容易得知該相位差譜圖為一線性曲線：
第一步采用飛行時間法求解待測距離粗測值。通過斜率b計算待測距離粗測值，根據公式(8)，求解斜率
則被測距離粗測值為：
在長度測量領域，我們一般把測量系統的最大量程，稱為模糊范圍。由公式(9)可知飛行時間法測距的模糊范圍為
以重頻fr＝58mhz為例，模糊范圍約為2.6m，即該法所能測量的最大量程。
第二步利用干涉法來求解距離精測值。根據激光干涉法測距的原理，待測距離精測值可表示為：
λ0為光頻mfr+f01對應的波長值，大數k由上一步粗測值ltof決定，其必要條件是ltof的不確定度至少優于λ0/2。公式(10)中
第三步利用游標原理擴展最大量程。綜上所述即使采用飛行時間法，其最大量程也僅到m量級，無法應對更長距離的測量。可通過游標原理來擴展量程，具體方法是，先通過原系統測量得到距離l1，然后交換兩脈沖序列的角色(即1533nm脈沖序列作為信號脈沖，1542nm脈沖序列作為本地脈沖)，重新測量得到距離l2。則兩次測量結果可以表示為：
d＝mr1+l1＝mr2+l2(11)
其中d為待測距離，r_1和r_2分別為兩次測量中飛行時間法的模糊范圍，即:
為確保式(11)中等式左右兩邊的m相同，需要滿足條件:
d＜r1r2/(r1+r2)
r1、r2、l1、l2已知，根據式(11)解出m，即可以得到d。以fr≈58mhz、δfr≈800hz為例，最大量程可達187km！
圖4為本發明無導軌的絕對距離測量方法一個實施例的示意圖。其中：
步驟401，激光器輸出光脈沖序列，其中光脈沖序列中包括具有不同的中心波長和重復頻率的第一光脈沖序列和第二光脈沖序列。
步驟402，第一光學處理器件從激光器輸出的光脈沖序列中分離出第一光脈沖序列和第二光脈沖序列，將第一光脈沖序列進行光譜擴展，以便使第一光脈沖序列和第二光脈沖序列的光譜重疊。
步驟403，待測距裝置使光譜擴展后的第一光脈沖序列分別通過待測距裝置中的目標鏡和參考鏡的反射，以生成目標脈沖序列和參考脈沖序列。
步驟404，光學干涉裝置使第二光脈沖序列分別與目標脈沖序列和參考脈沖序列進行干涉，以生成目標干涉信號和參考干涉信號。
可選地，第二光學處理器件將第二光脈沖序列分為第一本地脈沖序列和第二本地脈沖序列。光學干涉裝置使用第一本地脈沖序列分別與目標脈沖序列和參考脈沖序列進行干涉，以生成目標干涉信號和參考干涉信號
其中，第一本地脈沖序列的光功率小于第二本地脈沖序列的光功率。
步驟405，信息處理裝置采集目標干涉信號和參考干涉信號，并利用目標干涉信號和參考干涉信號的相位譜線之差，得到目標鏡對應的目標臂和參考鏡對應的參考臂之間的距離差。
可選地，光電探測器探測第二本地脈沖序列的重復頻率，以作為信息處理裝置的信號采集時鐘信號。
可選地，信息處理裝置在時域上采集目標干涉信號和參考干涉信號，分別對采集的目標干涉信號和參考干涉信號進行時頻域變換，以分別得到目標干涉信號對應的第一相位譜線和參考干涉信號對應的第二相位譜線；通過利用第一相位譜線和第二相位譜線之差，得到目標臂和參考臂之間的距離差。
其中，第一相位譜線和第二相位譜線之差與目標臂和參考臂之間的距離差成正比。
基于本發明上述實施例提供的無導軌的絕對距離測量方法，通過利用能夠輸出兩套重復頻率有微小差別的脈沖序列作為測距光源搭建的雙波長脈沖絕對測距系統，既克服了傳統測距方法的弊端，實現大量程、高精度、快速實時測量。
通過實施本發明，采用能同時輸出兩個重復頻率有微小差別的脈沖序列的雙波長鎖模脈沖激光器替代傳統雙光梳方案作為無導軌的絕對測距光源，極大地簡化了測距系統的復雜程度，使雙光梳這種無導軌的絕對測距方法真正有可能應用在實際測量場合。
本領域普通技術人員可以理解實現上述實施例的全部或部分步驟可以通過硬件來完成，也可以通過程序來指令相關的硬件完成，所述的程序可以存儲于一種計算機可讀存儲介質中，上述提到的存儲介質可以是只讀存儲器，磁盤或光盤等。
本發明的描述是為了示例和描述起見而給出的，而并不是無遺漏的或者將本發明限于所公開的形式。很多修改和變化對于本領域的普通技術人員而言是顯然的。選擇和描述實施例是為了更好說明本發明的原理和實際應用，并且使本領域的普通技術人員能夠理解本發明從而設計適于特定用途的帶有各種修改的各種實施例。
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