双向飞秒脉冲高精度测距方法及装置制造方法及图纸

双向飞秒脉冲高精度测距方法及装置属于激光测距领域，该方法采用了脉冲时域锁定式双向测量结构，将系统回光功率由被测距离的四次方衰减函数变为了平方衰减函数，实现了上亿公里尺度的超远距离测量，测距精度可以达到纳米量级；该装置包括测量端飞秒激光器、测量端分光光路、测量端平衡光电探测单元、测量端控制单元、被测端飞秒激光器、被测端分光光路、被测端平衡光电探测单元和被测端控制单元，测量端与被测端相对独立，避免了相距遥远的卫星间的实时通信和高精度时钟同步问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于激光测距领域，主要涉及一种超远距离高精度飞秒激光脉冲测距方法及装置。
技术介绍
超远距离高精度激光测距是大型科学装置和空间飞行任务所必备的关键技术，随着科学技术的迅猛发展，其测程和精度的需求也在日益提高。例如，近年来引力波探测等大型科学装置的建造也是世界各国的研究热点，引力波的探测是对广义相对论预言的直接验证，也是对其核心思想的直接检验，并且对探讨引力场的量子化和大统一模型、研究宇宙起源和演化具有重大意义。引力波的探测直接促成了引力波天文学的诞生，使得用引力波代替传统的电磁波手段观测宇宙成为可能，这可以为我们提供大量过去无法获得的信息，为人们进一步加深对宇宙的理解提供了新的途径。美国的LIGO、德国的GEO600、意大利的VIRGO和日本的TAMA300等地面引力波探测器，测程可达几十公里；美国的LISA、欧洲的NGO等空间引力波探测器，测程可达数百万公里；而中国和欧洲合作的ASTROD等深空引力波探测器测程将达到上亿公里。此外，在分布式小卫星合成孔径雷达等空间编队飞行任务中，各颗小卫星相互协同工作，共同承担信号处理、通信和有效载荷等任务，可以以较低的成本、较高的可靠性和生存能力替代单颗相同功能的传统大卫星，并突破传统大卫星的尺寸限制，扩展大卫星的应用领域和性能，包括对地观测、立体成像、精确定位、大气探测、天文观测和地球物理观测等，具有巨大的军用价值和民用价值。该任务需要对卫星间基线进行高精度测量，其精度要求达到亚毫米甚至更高量级，而测程要求则达到上百公里甚至更高。然而，在上述超远距离高精度激光测距任务中，由于测程遥远，以目前的光束整形技术，即使出射光的光束发散角仅为几个微弧度，在到达遥远的目标端时，光斑也将扩散得极其明显；再加上光路中不可避免的光学损耗，测距系统的回光功率与被测距离呈四次方关系剧烈衰减，系统最终探测到的回光能量仅为出射能量中很小的一部分。例如，空间引力波探测项目LISA中的系统回光能量仅为出射光能量的1/1010，ASTROD中的系统回光能量仅为出射光能量的3/1014。回光功率过小将会导致测距系统的信噪比大幅度降低，进而测量精度无法满足需求，甚至根本无法测量。在远距离激光测距领域，如2002年，JournalofGeodynamics第34卷第三期发表文章《Asynchronouslasertranspondersforpreciseinterplanetaryrangingandtimetransfer》；又如2010年，光电工程第37卷第5期发表文章《异步应答激光测距技术》，均在被测端采用异步应答器对测距系统的脉冲功率进行放大，使得系统回光功率由被测距离的四次方衰减函数变为了平方衰减函数，大幅度扩展了系统测程。但是，该方法放大后的脉冲序列与原脉冲序列相比存在时域延迟及时钟不同步的问题，不能在放大脉冲功率的同时保留原脉冲信号的时域信息，只能通过其它手段进行补偿，导致测距精度难以突破毫米量级。且该方法需要在距离遥远的两个测量端之间实现高精度时钟同步和实时通信。近年来，随着飞秒激光技术的发展，飞秒脉冲测距方法逐渐进入了人们的视野。其主要优势在于脉冲能量非常集中，可以在瞬间达到极高的峰值功率。相比于干涉测量和双向干涉测量等连续波测量方法，在相同的激光器平均功率下，系统回光功率可以提高多个甚至十余个量级，因而更适合于超远距离测量。此外，基于飞秒激光的测距方法相比于传统脉冲测距方法的精度更高。在飞秒激光测距领域，如2010年，NaturePhotonics第4卷第10期发表文章《Time-of-flightmeasurementwithfemtosecondlightpulses》；又如2012年，物理学报第61卷第24期发表文章《基于飞秒激光平衡光学互相关的任意长绝对距离测量》，均提出一种针对飞秒脉冲的平衡光学互相关方法，通过测量脉冲和参考脉冲之间的时域锁定，实现了纳米量级的测距精度(用阿伦方差评价)。但该方法尚不足以满足深空引力波探测任务上亿公里的测程要求。综上所述，目前在激光测距领域缺少一种超远距离高精度飞秒激光脉冲测距方法及装置。
技术实现思路
本专利技术针对上述激光测距方法及装置精度较低、测程有待进一步提高以及距离遥远的两个测量端之间难以实现实时通信和高精度时钟同步等问题，提出并设计了一种双向飞秒脉冲高精度测距方法及装置。采用了脉冲时域锁定式双向测量结构，实现了上亿公里尺度的超远距离测量，测距精度可以达到纳米量级，同时避免了相距遥远的测量端和被测端之间的实时通信和高精度时钟同步问题。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种双向飞秒脉冲高精度测距方法，该方法步骤如下：a、在测量端，由测量端飞秒激光器发出的飞秒激光脉冲序列经过测量端分光光路后分为两束，其中一束作为测量信号发射向遥远的被测端，另一束作为测量端参考信号由测量端平衡光电探测单元进行探测；b、在被测端，由被测端飞秒激光器发出的飞秒激光脉冲序列经过被测端分光光路后分为两束，其中一束作为回光信号发射回遥远的测量端，另一束作为被测端参考信号，与被测端接收到的测量信号一同由被测端平衡光电探测单元进行探测；对测量信号和被测端参考信号进行平衡光电探测后产生反馈信号，进而对被测端飞秒激光器的腔长进行反馈控制，通过改变其脉冲重复频率，实现测量信号和被测端参考信号在时域的高精度重叠和锁定；c、在测量端，接收到的回光信号与测量端参考信号一同由测量端平衡光电探测单元进行探测；对回光信号和测量端参考信号进行平衡光电探测后产生反馈信号，进而对测量端飞秒激光器的腔长进行反馈控制，通过改变其脉冲重复频率，实现回光信号和测量端参考信号在时域的高精度重叠和锁定；d、在测量端，当回光信号和测量端参考信号已经锁定后，继续调节测量端飞秒激光器的脉冲重复频率，并重复上述步骤a、步骤b和步骤c直至回光信号和测量端参考信号再次锁定，并记录相邻两次锁定时的脉冲重复频率之差Δf，进而可以精确地求得被测距离：一种双向飞秒脉冲高精度测距装置，其测量端由测量端飞秒激光器、测量端分光光路、测量端平衡光电探测单元和测量端控制单元组成；在被测端设置了主动反射器，构成了脉冲时域锁定式双向测量结构；所述主动反射器由被测端飞秒激光器、被测端分光光路、被测端平衡光电探测单元和被测端控制单元组成；所述被测端分光光路的输出光分别指向被测端平衡光电探测单元的输入端和测量端分光光路；被测端平衡光电探测单元的输出端连接到被测端控制单元的输入端；被测端控制单元的输出端连接到被测端飞秒激光器；被测端飞秒激光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双向飞秒脉冲高精度测距方法，其特征在于：该方法步骤如下：a、在测量端，由测量端飞秒激光器(2)发出的飞秒激光脉冲序列经过测量端分光光路(7)后分为两束，其中一束作为测量信号发射向遥远的被测端，另一束作为测量端参考信号由测量端平衡光电探测单元(8)进行探测；b、在被测端，由被测端飞秒激光器(6)发出的飞秒激光脉冲序列经过被测端分光光路(3)后分为两束，其中一束作为回光信号发射回遥远的测量端，另一束作为被测端参考信号，与被测端接收到的测量信号一同由被测端平衡光电探测单元(4)进行探测；对测量信号和被测端参考信号进行平衡光电探测后产生反馈信号，进而对被测端飞秒激光器(6)的腔长进行反馈控制，通过改变其脉冲重复频率，实现测量信号和被测端参考信号在时域的高精度重叠和锁定；c、在测量端，接收到的回光信号与测量端参考信号一同由测量端平衡光电探测单元(8)进行探测；对回光信号和测量端参考信号进行平衡光电探测后产生反馈信号，进而对测量端飞秒激光器(2)的腔长进行反馈控制，通过改变其脉冲重复频率，实现回光信号和测量端参考信号在时域的高精度重叠和锁定；d、在测量端，当回光信号和测量端参考信号已经锁定后，继续调节测量端飞秒激光器(2)的脉冲重复频率，并重复上述步骤a、步骤b和步骤c直至回光信号和测量端参考信号再次锁定，并记录相邻两次锁定时的脉冲重复频率之差Δf，进而可以精确地求得被测距离：...

【技术特征摘要】
1.一种双向飞秒脉冲高精度测距方法，其特征在于：该方法步骤如下：
a、在测量端，由测量端飞秒激光器(2)发出的飞秒激光脉冲序列经过测量端分光光路(7)
后分为两束，其中一束作为测量信号发射向遥远的被测端，另一束作为测量端参考信号由测
量端平衡光电探测单元(8)进行探测；
b、在被测端，由被测端飞秒激光器(6)发出的飞秒激光脉冲序列经过被测端分光光路(3)
后分为两束，其中一束作为回光信号发射回遥远的测量端，另一束作为被测端参考信号，与
被测端接收到的测量信号一同由被测端平衡光电探测单元(4)进行探测；对测量信号和被测端
参考信号进行平衡光电探测后产生反馈信号，进而对被测端飞秒激光器(6)的腔长进行反馈控
制，通过改变其脉冲重复频率，实现测量信号和被测端参考信号在时域的高精度重叠和锁定；
c、在测量端，接收到的回光信号与测量端参考信号一同由测量端平衡光电探测单元(8)
进行探测；对回光信号和测量端参考信号进行平衡光电探测后产生反馈信号，进而对测量端
飞秒激光器(2)的腔长进行反馈控制，通过改变其脉冲重复频率，实现回光信号和测量端参考
信号在时域的高精度重叠和锁定；
d、在测量端，当回光信号和测量端参考信号已经锁定后，继续调节测量端飞秒激光器(2)
的脉冲重复频率，并重复上述步骤a、步骤b和步骤c直至回光信号和测量端参考信号再次锁
定，并记录相邻两次锁定时的脉冲重复频率之差Δf，进而可以精确地求得被测距离：2.一种双向飞秒脉冲高精度测距装置，其测量端由测量端飞秒激光器(2)、测量端分光光
路(7)、测量端平衡光电探测单元(8)和测量端控制单元(1)组成；其特征在于：在被测端设置了
主动反射器，构成了脉冲时域锁定式双向测量结构；所述主动反射器由被测端飞秒激光器(6)、
被测端分光光路(3)、被测端平衡光电探测单元(4)和被测端控制单元(5)组成；所述被测端分光
光路(3)的输出光分别指向被测端平衡光电探测单元(4)的输入端和测量端分光光路(7)；被测端
平衡光电探测单元(4)的输出端连接到被测端控制单元(5)的输入端；被测端控制单元(5)的输出
端连接到被测端飞秒激光器(6)；被测端飞秒激光器(6)的输出光指向被测端分光光路(3)；
所述测量端分光光路(7)的结构是：测量端飞秒激光器(2)发出的激光经过一号四分之一波
片(14)和一号偏振分光镜(50)后分为两束；其中一束反射光经过二号四分之一波片(15)和一号
扩束准直器(16)后射向被测端；另一束透射光经过三号四分之一波片(51)后被二号反射镜(38)
反射并沿原光路返回，再先后经过...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭久彬，于亮，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23