基于oeo的自校準(zhǔn)的大量程、高精度絕對(duì)距離測量系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種光載微波測距系統(tǒng)，尤其設(shè)及一種基于兩個(gè)光電振蕩器的帶有自 校準(zhǔn)功能的大量程、高精度絕對(duì)距離測量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 測量技術(shù)的發(fā)展是所有科學(xué)和技術(shù)發(fā)展的前提和基礎(chǔ)，長度作為7個(gè)基礎(chǔ)物理量 之一，它和角度測量構(gòu)成了所有幾何量測量的基礎(chǔ)。其發(fā)展決定了人類認(rèn)識(shí)世界和改造世 界的能力，也是衡量一個(gè)國家的測量技術(shù)水平的標(biāo)志。
[000引盡管目前采用激光干設(shè)儀的辦法已可W在幾十米的范圍內(nèi)達(dá)到nm的測量精度。 但是只能測量距離的相對(duì)變化（又稱為相對(duì)距離測量），該樣就要求有一個(gè)比被測物體大 的精密導(dǎo)軌，而該個(gè)導(dǎo)軌的測量和加工就是個(gè)問題，況且在很多場合下，根本無法安置導(dǎo) 軌。能夠直接測量兩點(diǎn)距離的測量技術(shù)就非常重要了，又稱作絕對(duì)距離測量。
[0004] 而近年來隨著科學(xué)、技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)研究、生產(chǎn)建設(shè)對(duì)大量程、高精度的距離測 量提出了越來越迫切的需求，如；大型設(shè)備、構(gòu)件的生產(chǎn)、裝配和運(yùn)行監(jiān)控；地球重力場研 究；我國空間探索、導(dǎo)航等領(lǐng)域的需要等等。
[0005] 傳統(tǒng)的激光測距原理共分為3類：脈沖飛行時(shí)間法、相位法和干設(shè)法。
[0006] 脈沖飛行時(shí)間法測距是激光在測距領(lǐng)域的最早應(yīng)用，利用了激光脈沖持續(xù)時(shí)間極 短、瞬時(shí)功率很大的特點(diǎn)，有著很大的測試范圍。但其測試精度與分辨率卻很低，限制了其 發(fā)展應(yīng)用。
[0007] 相位法激光測距是利用發(fā)射的調(diào)制光和被測目標(biāo)反射的接收光之間的相位差包 含的距離信息，來實(shí)現(xiàn)對(duì)被測目標(biāo)距離的測量。其測試精度受到調(diào)制頻率高低和鑒相精度 的影響，而且存在模糊距離，需要采用多頻率調(diào)制的辦法來擴(kuò)展測量的范圍。
[000引干設(shè)法測距是經(jīng)典的精密測距方法，原則上它也是一種相位法測距，但它不是通 過測量激光調(diào)制信號(hào)的相位差，而是測量光波本身的相位干設(shè)來測距。但傳統(tǒng)的干設(shè)法在 測量時(shí)只能得到距離的相對(duì)變化，無法獲取真實(shí)的距離信息。在大量程絕對(duì)距離測量中需 要采用多個(gè)波長測量的方法，即合成波長法或者調(diào)頻光源法。
[0009] 最近，飛秒鎖模激光器的高速發(fā)展為高精度長距離絕對(duì)距離測量提供了更多的選 擇方案。利用頻率梳在線寬和絕對(duì)頻率位置方面的獨(dú)特優(yōu)勢，可W提高干設(shè)測量技術(shù)的測 量精度與測量范圍。然而，該種方法很大程度的依賴脈沖重復(fù)速率的穩(wěn)定性和對(duì)脈沖包絡(luò) 相位的檢測精度。
[0010] 目前對(duì)大距離高精度絕對(duì)長度的測量方法主要將距離的測量轉(zhuǎn)換為時(shí)間的測量 (飛行時(shí)間法）或相位的測量（相位測量法和干設(shè)法），通過不斷提高測量分辨率得到更加 精確的測量結(jié)果。測試分辨率的要求越高，技術(shù)難度也越大，對(duì)于其它干擾因素的敏感性也 就越高。
[0011] 事實(shí)上，還有一種行之有效的測量方法，通過將被測量放大后進(jìn)行測量，則可用相 對(duì)較低分辨率的測試方法得到很高精度的測量結(jié)果，即積累放大原理。如經(jīng)典鐘擺周期測 試，通過多周期的擺動(dòng)時(shí)間測試，即使采用普通秒表，仍舊可w得到極高精度的測試結(jié)果。
[0012] 針對(duì)大距離、高精度絕對(duì)距離測量，可W采用如下的思路；由被測距離構(gòu)成諧振 腔。形成諧振后，腔長（即被測長度）決定了諧振腔的基頻fb，此時(shí)基頻的檢測精度就是長 度測量精度?？紤]到基頻是信號(hào)在腔內(nèi)往返時(shí)間的倒數(shù)，該意味著基頻測量實(shí)際上與飛行 時(shí)間法的難度是一樣的。例如，在500m長度（基頻300曲Z)上要達(dá)到lym的精度，頻率檢 測精度要達(dá)到0. 0006化。但當(dāng)諧振腔振蕩在高次諧波時(shí)，實(shí)際諧振頻率片二NXfb，則基頻 的變化就被放大了N倍，同樣在500m長度達(dá)到1ym的精度，當(dāng)諧振頻率振蕩在30GHz時(shí)（N =1〇5)，頻率的測量精度只需60化即可。要實(shí)現(xiàn)上面的設(shè)想，對(duì)諧振腔有幾個(gè)要求：
[0013] (1)因?yàn)楸粶y距離構(gòu)成了腔長的一部分，所W對(duì)于大量程測量來講，腔長要足夠 長；
[0014] (2)要能穩(wěn)定的振蕩在足夠高的高次諧波上，W保障足夠的放大系數(shù)；
[0015] (3)諧振頻率的穩(wěn)定性（頻譜線寬或譜純度）應(yīng)優(yōu)于測量精度要求所確定的最小 頻率分辨率。
[0016] 光電振蕩器（OEO)是近年來發(fā)展起來的一種新型振蕩器，它需要一個(gè)長諧振腔W 提供高的儲(chǔ)能；一般振蕩在十幾到幾十GHz的頻率上；其輸出的譜純度非常高，可達(dá)mHz量 級(jí)。完全滿足上面的3個(gè)要求。為了求得待測距離的長度，也即精確求得與及fb的值，系 統(tǒng)的穩(wěn)定性極為重要。由于OEO系統(tǒng)采用的是長度較長的光纖（通常在km量級(jí)）儲(chǔ)能，腔 長容易受到環(huán)境溫度、應(yīng)力的影響而發(fā)生改變，由此引起的基頻變化會(huì)導(dǎo)致OEO的高頻輸 出發(fā)生嚴(yán)重漂移甚至跳模，更無法區(qū)分測試系統(tǒng)自身腔長的變化和待測距離的變化。在不 加任何穩(wěn)定措施的情況下是無法獲得fw及fb的準(zhǔn)確值，更無法求得待測距離的準(zhǔn)確值。
[0017] fw的測量精度還有一個(gè)限制因素；即必須保證OEO工作在單頻振蕩狀態(tài)下，排除fw 的邊模對(duì)測試結(jié)果的干擾。事實(shí)上，如果不加額外措施，由于微波濾波器帶寬的限制（通常 在lOMHz量級(jí)），在其通帶內(nèi)往往有多個(gè)模式起振（OEO基頻在十幾曲Z量級(jí)），在頻率測量 中會(huì)造成相互干擾。在W前的研究中，利用偏振分束器/合束器構(gòu)建的光域雙環(huán)路可W提 高0E0的邊模抑制比，但是由于偏振分束器/合束器的消光比有限（20地左右），兩個(gè)偏振 正交的同一波長的光之間仍然存在干設(shè)帶來的隨機(jī)噪聲，使0E0的輸出信號(hào)質(zhì)量惡化，該 也將對(duì)距離測量的精度產(chǎn)生不利的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[001引針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種基于0E0的自校準(zhǔn)的大量程、高精 度絕對(duì)距離測量系統(tǒng)。利用0E0將積累放大原理應(yīng)用于大量程絕對(duì)距離的測量方案，從而 用普通的測量儀器可W進(jìn)行大范圍的絕對(duì)距離測量（km量級(jí)），可W達(dá)到很高的測量精度 (ym量級(jí)）；采用兩個(gè)0E0結(jié)構(gòu)解決儀器自身的穩(wěn)定問題，實(shí)現(xiàn)了儀器的自校準(zhǔn)，每個(gè)0E0 都是利用光波分復(fù)用器（WDM)構(gòu)建的雙波長的光域雙環(huán)路結(jié)構(gòu)，在光波分復(fù)用系統(tǒng)中，由 于WDM隔離度很大，所W兩束光幾乎不會(huì)在兩個(gè)通道內(nèi)相互串?dāng)_，大大降低了由于隨機(jī)干 設(shè)產(chǎn)生的拍噪聲，提高了 0E0輸出的微波信號(hào)質(zhì)量。本發(fā)明操作簡單易行，并可廣泛應(yīng)用于 工業(yè)測控，精密儀器制造等領(lǐng)域，此外由于本測距系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，隱蔽性好，在軍事領(lǐng) 域也有著極好的應(yīng)用前景。
[0019] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的一種基于0E0的自校準(zhǔn)的大量程、高精度 絕對(duì)距離測量系統(tǒng)，包括四個(gè)激光器，第一光波分復(fù)用器、第二光波分復(fù)用器、電光調(diào)制器、 滲巧光纖放大器、光分插復(fù)用器、長度不同的第一段光纖和第二段光纖、第一光纖拉伸器、 第二光纖拉伸器、=個(gè)光禪合器、第一光電探測器、第二光電探測器、中屯、頻率不同的第一 微波濾波器和第二微波濾波器，第一微波放大器、第二微波放大器、第一微波功率分束器、 第二微波功率分束器、微波合成器；所述=個(gè)光禪合器包括第一光禪合器、第二光禪合器和 第=光禪合器；四個(gè)激光器發(fā)出的四束光經(jīng)過第一光波分復(fù)用器禪合后進(jìn)入電光調(diào)制器， 四束光的波長不同、波長分別為A1、A2、A3和人4,調(diào)制后四束光經(jīng)滲巧光纖放大器放大 后進(jìn)入光分插復(fù)用器，所述光分插復(fù)用器將四束光分為兩部分，一部分是A路，即波長為入1 和A3的兩束光經(jīng)過一個(gè)光開關(guān)、第一光纖和第一光纖拉伸器，另一部分是B路，即波長為 入2和^ 4的兩束光經(jīng)過第二光纖和第二光纖拉伸器；然后，波長為^ 1、^2、入3和^ 4的 四束光由第一光禪合器禪合后送入第二光波分復(fù)用器，并按不同的波長分開，其中；波長為 入1和A2的兩束光經(jīng)第二光禪合器禪合在一起后經(jīng)過第一光電探測器進(jìn)行光/電轉(zhuǎn)換， 然后經(jīng)過第一微波濾波器和第一微波放大器到達(dá)第一微波功率分束器，第一微波功率分束 器將一部分微波信號(hào)送入所述微波合成器；用光學(xué)天線或微波天線將待測距離引入到環(huán)路 中，用光學(xué)天線將待測距離引入到環(huán)路中的結(jié)構(gòu)是：將所述光學(xué)天線設(shè)置在所述第二光禪 合器與所述第一光電探測器之間；用微波天線將待測距離引入到環(huán)路中的結(jié)構(gòu)是；將所述 微波天線設(shè)置在所述第一光電探測器與所述第一微波濾波器之間；波長為A3和A4的兩束 光經(jīng)第=光禪合器禪合在一起后經(jīng)過第二光電探測器進(jìn)行光/電轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過第二微波 濾波器和第二微波放大器到達(dá)第二微波功率分束器，第二微波功率分束器將一部分微波信 號(hào)送入所述微波合成器；所述微波合成器將從第一微波功率分束器和第二微波功率分束器 接收到的兩個(gè)微波信號(hào)合成W后用W驅(qū)動(dòng)所述電光調(diào)制器；波長A1和A2所在的環(huán)路形成 了一個(gè)0E0,定義為測試0E0,第一微波功率分束器將其剩余部分的微波信號(hào)輸出，用于分 別測量所述光開關(guān)導(dǎo)通和斷開狀態(tài)下該測試0E0的諧振