雙向飛秒脈沖高精度測距方法及裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于激光測距領域，主要涉及一種超遠距離高精度飛秒激光脈沖測距方法 及裝置。
【背景技術】
[0002] 超遠距離高精度激光測距是大型科學裝置和空間飛行任務所必備的關鍵技術，隨 著科學技術的迅猛發展，其測程和精度的需求也在日益提高。例如，近年來引力波探測等大 型科學裝置的建造也是世界各國的研究熱點，引力波的探測是對廣義相對論預言的直接驗 證，也是對其核心思想的直接檢驗，并且對探討引力場的量子化和大統一模型、研究宇宙起 源和演化具有重大意義。引力波的探測直接促成了引力波天文學的誕生，使得用引力波代 替傳統的電磁波手段觀測宇宙成為可能，這可以為我們提供大量過去無法獲得的信息，為 人們進一步加深對宇宙的理解提供了新的途徑。美國的LIG 0、德國的G E06 0 0、意大利的 VIRGO和日本的TAMA300等地面引力波探測器，測程可達幾十公里；美國的LISA、歐洲的NG0 等空間引力波探測器，測程可達數百萬公里；而中國和歐洲合作的ASTR0D等深空引力波探 測器測程將達到上億公里。此外，在分布式小衛星合成孔徑雷達等空間編隊飛行任務中，各 顆小衛星相互協同工作，共同承擔信號處理、通信和有效載荷等任務，可以以較低的成本、 較高的可靠性和生存能力替代單顆相同功能的傳統大衛星，并突破傳統大衛星的尺寸限 制，擴展大衛星的應用領域和性能，包括對地觀測、立體成像、精確定位、大氣探測、天文觀 測和地球物理觀測等，具有巨大的軍用價值和民用價值。該任務需要對衛星間基線進行高 精度測量，其精度要求達到亞毫米甚至更高量級，而測程要求則達到上百公里甚至更高。
[0003] 然而，在上述超遠距離高精度激光測距任務中，由于測程遙遠，以目前的光束整形 技術，即使出射光的光束發散角僅為幾個微弧度，在到達遙遠的目標端時，光斑也將擴散得 極其明顯;再加上光路中不可避免的光學損耗，測距系統的回光功率與被測距離呈四次方 關系劇烈衰減，系統最終探測到的回光能量僅為出射能量中很小的一部分。例如，空間引力 波探測項目LISA中的系統回光能量僅為出射光能量的1/10 1()，ASTR0D中的系統回光能量僅 為出射光能量的3/1014。回光功率過小將會導致測距系統的信噪比大幅度降低，進而測量精 度無法滿足需求，甚至根本無法測量。
[0004] 在遠距離激光測距領域，如2002年，Journal of Geodynamics第34卷第三期發表 文章 〈〈Asynchronous laser transponders for precise interplanetary ranging and time transfer》；又如2010年，光電工程第37卷第5期發表文章《異步應答激光測距技術》， 均在被測端采用異步應答器對測距系統的脈沖功率進行放大，使得系統回光功率由被測距 離的四次方衰減函數變為了平方衰減函數，大幅度擴展了系統測程。但是，該方法放大后的 脈沖序列與原脈沖序列相比存在時域延遲及時鐘不同步的問題，不能在放大脈沖功率的同 時保留原脈沖信號的時域信息，只能通過其它手段進行補償，導致測距精度難以突破毫米 量級。且該方法需要在距離遙遠的兩個測量端之間實現高精度時鐘同步和實時通信。
[0005] 近年來，隨著飛秒激光技術的發展，飛秒脈沖測距方法逐漸進入了人們的視野。其 主要優勢在于脈沖能量非常集中，可以在瞬間達到極高的峰值功率。相比于干涉測量和雙 向干涉測量等連續波測量方法，在相同的激光器平均功率下，系統回光功率可以提高多個 甚至十余個量級，因而更適合于超遠距離測量。此外，基于飛秒激光的測距方法相比于傳統 脈沖測距方法的精度更高。
[0006] 在飛秒激光測距領域，如2010年，Nature Photonics第4卷第10期發表文章《111116-of-flight measurement with femtosecond light pulses》；又如2012年，物理學報第61 卷第24期發表文章《基于飛秒激光平衡光學互相關的任意長絕對距離測量》，均提出一種針 對飛秒脈沖的平衡光學互相關方法，通過測量脈沖和參考脈沖之間的時域鎖定，實現了納 米量級的測距精度（用阿倫方差評價）。但該方法尚不足以滿足深空引力波探測任務上億公 里的測程要求。
[0007] 綜上所述，目前在激光測距領域缺少一種超遠距離高精度飛秒激光脈沖測距方法 及裝置。
【發明內容】
[0008] 本發明針對上述激光測距方法及裝置精度較低、測程有待進一步提高以及距離遙 遠的兩個測量端之間難以實現實時通信和高精度時鐘同步等問題，提出并設計了一種雙向 飛秒脈沖高精度測距方法及裝置。采用了脈沖時域鎖定式雙向測量結構，實現了上億公里 尺度的超遠距離測量，測距精度可以達到納米量級，同時避免了相距遙遠的測量端和被測 端之間的實時通信和高精度時鐘同步問題。
[0009] 本發明的目的通過以下技術方案實現：
[0010] 一種雙向飛秒脈沖高精度測距方法，該方法步驟如下：
[0011] a、在測量端，由測量端飛秒激光器發出的飛秒激光脈沖序列經過測量端分光光路 后分為兩束，其中一束作為測量信號發射向遙遠的被測端，另一束作為測量端參考信號由 測量端平衡光電探測單元進行探測；
[0012] b、在被測端，由被測端飛秒激光器發出的飛秒激光脈沖序列經過被測端分光光路 后分為兩束，其中一束作為回光信號發射回遙遠的測量端，另一束作為被測端參考信號，與 被測端接收到的測量信號一同由被測端平衡光電探測單元進行探測;對測量信號和被測端 參考信號進行平衡光電探測后產生反饋信號，進而對被測端飛秒激光器的腔長進行反饋控 制，通過改變其脈沖重復頻率，實現測量信號和被測端參考信號在時域的高精度重疊和鎖 定；
[0013] c、在測量端，接收到的回光信號與測量端參考信號一同由測量端平衡光電探測單 元進行探測；對回光信號和測量端參考信號進行平衡光電探測后產生反饋信號，進而對測 量端飛秒激光器的腔長進行反饋控制，通過改變其脈沖重復頻率，實現回光信號和測量端 參考信號在時域的高精度重疊和鎖定；
[0014] d、在測量端，當回光信號和測量端參考信號已經鎖定后，繼續調節測量端飛秒激 光器的脈沖重復頻率，并重復上述步驟a、步驟b和步驟c直至回光信號和測量端參考信號再 次鎖定，并記錄相鄰兩次鎖定時的脈沖重復頻率之差A f，進而可以精確地求得被測距離： c D=-^, 2Δ/'
[0015] -種雙向飛秒脈沖高精度測距裝置，其測量端由測量端飛秒激光器、測量端分光 光路、測量端平衡光電探測單元和測量端控制單元組成;在被測端設置了主動反射器，構成 了脈沖時域鎖定式雙向測量結構;所述主動反射器由被測端飛秒激光器、被測端分光光路、 被測端平衡光電探測單元和被測端控制單元組成;所述被測端分光光路的輸出光分別指向 被測端平衡光電探測單元的輸入端和測量端分光光路;被測端平衡光電探測單元的輸出端 連接到被測端控制單元的輸入端;被測端控制單元的輸出端連接到被測端飛秒激光器;被 測端飛秒激光器的輸出光指向被測端分光光路。
[0016] 所述測量端分光光路的結構是:測量端飛秒激光器發出的激光經過一號四分之一 波片和一號偏振分光鏡后分為兩束;其中一束反射光經過二號四分之一波片和一號擴束準 直器后射向被測端;另一束透射光經過三號四分之一波片后被二號反射鏡反射并沿原光路 返回，再先后經過一號偏振分光鏡、一號反射鏡和二號偏振分光鏡的反射后射向測量端平 衡光電探測單元；同時，從被測端發射過來的激光先后經過二號擴束準直器、四號四分之一 波片和二號偏振分光鏡也射向測量端平衡光電探測單元。
[0017] 所述測量端平衡光電探測單元的結構是:測量端分光光路輸出的激光先后經過一 號透鏡、一號周期性極化晶體、二號透鏡和三號反射鏡后射向一號雙色鏡;一號雙色鏡的反 射光射向一號光電探測器，一號雙色鏡的透射光先后經過三號透鏡、二號周期性極化晶體 和四號透鏡射向二號雙色鏡;二號雙色鏡的透射光直接射出系統，二號雙色鏡的反射光射 向二號光電探測器;一號光電探測器和二號光電探測器的輸出端連接到一號減法器的輸入 端;一號減法器的輸出端連接到測量端控制單元。所述一號周期性極化晶體和二號周期性 極化晶體采用的非線性光學材料為碘酸鋰。
[0018] 所述被測端分光光路的結構是:被測端飛秒激光器發出的激光經過七號四分之