基于OEO快速切换的大量程、高精度绝对距离测量仪器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于OEO快速切换的大量程、高精度绝对距离测量仪器，包括仪器内部延时模块、环路切换模块和频率计量及距离计算模块，所述仪器内部延时模块与环路切换模块之间通过光纤和电缆连接成一个多腔切换的光电振荡器结构；所述仪器内部延时模块与所述频率计量及距离计算模块相连。本发明专利技术是利用OEO将积累放大原理应用于大量程绝对距离长度的测量方案，可以进行大范围的绝对距离测量(km量级)，可以达到很高的测量精度(μm级)；操作简单易行，可广泛应用于工业测控，精密仪器制造等领域，此外由于本测距系统抗干扰能力强，隐蔽性好，在军事领域也有极好的应用前景。

A large range and high precision absolute distance measuring instrument based on OEO fast switching

【技术实现步骤摘要】
基于OEO快速切换的大量程、高精度绝对距离测量仪器
本专利技术涉及光载微波测距系统，具体来说，涉及一种基于OEO快速切换的大量程、高精度绝对距离测量仪器。
技术介绍
测量技术的发展是所有科学和技术发展的前提和基础，长度作为7个基础物理量之一，它和角度测量构成了所有几何量测量的基础，其发展决定了人类认识世界和改造世界的能力，也是衡量一个国家的测量技术水平的标志。尽管目前采用激光干涉仪的办法已可以在几十米的范围内达到nm的测量精度，但是只能测量距离的相对变化(又称为相对距离测量)，这样就要求有一个比被测物体大的精密导轨，而这个导轨的测量和加工就是个问题，况且在很多场合下，根本无法安置导轨，能够直接测量两点距离的测量技术就非常重要了，又称作绝对距离测量。而近年来随着科学、技术的发展，科学研究、生产建设对大量程、高精度的距离测量提出了越来越迫切的需求，如：大型设备、构件的生产、装配和运行监控；地球重力场研究；我国空间探索、导航等领域的需要等等。传统的激光测距原理共分为3类：脉冲飞行时间法、相位法和干涉法，其中，脉冲飞行时间法测距是激光在测距领域的最早应用，利用了激光脉冲持续时间极短、瞬时功率很大的特点，有着很大的测试范围，但其测试精度与分辨率却很低，限制了其发展应用；相位法激光测距是利用发射的调制光和被测目标反射的接收光之间的相位差包含的距离信息，来实现对被测目标距离的测量，其测试精度受到调制频率高低和鉴相精度的影响，而且存在模糊距离，需要采用多频率调制的办法来扩展测量的范围；干涉法测距是经典的精密测距方法，原则上它也是一种相位法测距，但它不是通过测量激光调制信号的相位差，而是测量光波本身的相位干涉来测距，但传统的干涉法在测量时只能得到距离的相对变化，无法获取真实的距离信息，在大量程绝对距离测量中需要采用多个波长测量的方法，即合成波长法或者调频光源法。最近，飞秒锁模激光器的高速发展为高精度长距离绝对距离测量提供了更多的选择方案，利用频率梳在线宽和绝对频率位置方面的独特优势，可以提高干涉测量技术的测量精度与测量范围，然而，这种方法很大程度的依赖脉冲重复速率的稳定性和对脉冲包络相位的检测精度。目前对大距离高精度绝对长度的测量方法主要将距离的测量转换为时间的测量(飞行时间法)或相位的测量(相位测量法和干涉法)，通过不断提高测量分辨率得到更加精确的测量结果，测试分辨率的要求越高，技术难度也越大，对于其它干扰因素的敏感性也就越高。事实上，还有一种行之有效的测量方法，通过将被测量放大后进行测量，则可用相对较低分辨率的测试方法得到很高精度的测量结果，即积累放大原理，如经典钟摆周期测试，通过多周期的摆动时间测试，即使采用普通秒表，仍旧可以得到极高精度的测试结果。针对大距离、高精度绝对距离测量，可以采用如下的思路：由被测距离构成谐振腔，形成谐振后，腔长(即被测长度)决定了谐振腔的基频fb，此时基频的检测精度就是长度测量精度。考虑到基频是信号在腔内往返时间的倒数，这意味着基频测量实际上与飞行时间法的难度是一样的，例如，在500m长度(基频300kHz)上要达到1μm的精度，频率检测精度要达到0.0006Hz。但当谐振腔振荡在高次谐波时，实际谐振频率fN＝N×fb，则基频的变化就被放大了N倍，同样在500m长度达到1μm的精度，当谐振频率振荡在30GHz时(N＝105)，频率的测量精度只需60Hz即可。要实现上面的设想，对谐振腔有两个要求：1)因为被测距离构成了腔长的一部分，所以对于大量程测量来讲，腔长要足够长；2)能振荡在足够高的高次谐波上，以保障足够的放大系数；光电振荡器(OEO)是近年来发展起来的一种新型振荡器，它需要一个长谐振腔以提供高的储能；一般振荡在十几到几十GHz的频率上，其输出的谱纯度非常高，可达mHz量级，完全满足以上的两个要求。通常来讲，为了求得待测距离的长度，也即精确求得fN及fb的值，要求系统稳定单模起振；由于OEO系统采用的是长度较长的光纤(通常在km量级)储能，腔长容易受到环境温度及应力的影响而发生改变，由此为了保证测量精度的准确性，通常需要采用锁相环控制压电陶瓷光纤拉伸器的方法对参考环路进行腔长控制，腔长的理论控制精度需要达到um量级，需要多个拉伸量和精度不同的压电陶瓷光纤拉伸器以及复杂的控制算法，增加了系统的复杂性。此外，为了保证整个系统的单模起振，通常需要采用偏振双环或者波长双环的系统结构拟制边模，极大的增加了整个系统的成本以及复杂性。针对上述相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
技术实现思路
针对相关技术中的上述技术问题，本专利技术提出基于OEO快速切换的大量程、高精度绝对距离测量仪器，能够进行大范围的绝对距离测量，达到很高的测量精度。为了解决上述技术问题，本专利技术提出的一种基于OEO快速切换的大量程、高精度绝对距离测量仪器，包括仪器内部延时模块、环路切换模块和频率计量及距离计算模块，所述仪器内部延时模块与环路切换模块之间通过光纤和电缆连接成一个多腔切换的光电振荡器结构；所述仪器内部延时模块与所述频率计量及距离计算模块相连。进一步讲，本专利技术所述的基于OEO快速切换的大量程、高精度绝对距离测量仪器，其中，所述仪器内部延时模块包括n个激光器、第一波分复用器，偏振控制器、电光调制器、光环形器、光放大器、光电探测器、带通滤波器、微波放大器和电耦合器；所述第一波分复用器具有n个输入端口和1个输出端口；n个激光器与第一波分复用器的n个输入端口相连接，所述第一波分复用器的输出端口与偏振控制器相连接，所述偏振控制器与电光调制器相连接；所述环路切换模块包括n个反射镜、n个准直器和第二波分复用器；所述n个反射镜包括1个测试反射镜和n-1个测量反射镜，所述n个准直器包括1个测试准直器和n-1个测量准直器，所述第二波分复用器具有一个输入端口和n个输出端口；n个准直器与第二波分复用器的n个输出端口相连接，1个测试准直器1个测试反射镜的镜面中心和1个测试准直器的透镜焦点对应，n-1个反射镜的镜面中心分别与n-1个测量准直器的透镜焦点一一对应；所述电光调制器通过所述光环形器分别与所述第二波分复用器的输入端口和所述光放大器相连接；所述光放大器通过所述光电探测器与带通滤波器相连接，所述带通滤波器通过微波放大器与电耦合器的输入端口相连接，所述电耦合器的第一输出端口与电光调制器的射频输入端口相连接，所述电耦合器的第二输出端口和频率计量及距离计算模块相连接。本专利技术中的所述光环形器具有三个端口分别记为第一端口、第二端口和第三端口，其中，第一端口与电光调制器相连接，第二端口与第二波分复用器的输入端口相连接，第三端口与所述光放大器相连接。由所述光环形器的第二端口与第二波分复用器的输入端口的相连接，从而构成了一个多腔切换的光电振荡器结构。本专利技术中，所述激光器的类型为半导体激光器或是光纤激光器，且n个激光器为同类型激光器。本专利技术中，所述电光调制器为铌酸锂强度调制器、铌酸锂相位调制器和半导体结构的电吸收调制器中的一种。...

【技术保护点】
1.一种基于OEO快速切换的大量程、高精度绝对距离测量仪器，其特征在于，包括仪器内部延时模块(1)、环路切换模块(2)和频率计量及距离计算模块(16)，所述仪器内部延时模块(1)与环路切换模块(2)之间通过光纤和电缆连接成一个多腔切换的光电振荡器结构；所述仪器内部延时模块(1)与所述频率计量及距离计算模块(16)相连。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于OEO快速切换的大量程、高精度绝对距离测量仪器，其特征在于，包括仪器内部延时模块(1)、环路切换模块(2)和频率计量及距离计算模块(16)，所述仪器内部延时模块(1)与环路切换模块(2)之间通过光纤和电缆连接成一个多腔切换的光电振荡器结构；所述仪器内部延时模块(1)与所述频率计量及距离计算模块(16)相连。


2.根据权利要求1所述的基于OEO快速切换的大量程、高精度绝对距离测量仪器，其特征在于，所述仪器内部延时模块(1)包括n个激光器、第一波分复用器(4)，偏振控制器(5)、电光调制器(6)、光环形器(7)、光放大器(8)、光电探测器(9)、带通滤波器(10)、微波放大器(11)和电耦合器(12)；所述第一波分复用器(4)具有n个输入端口和1个输出端口；n个激光器与第一波分复用器(4)的n个输入端口相连接，所述第一波分复用器(4)的输出端口与偏振控制器(5)相连接，所述偏振控制器(5)与电光调制器(6)相连接；
所述环路切换模块(2)包括n个反射镜、n个准直器和第二波分复用器(15)；所述n个反射镜包括1个测试反射镜和n-1个测量反射镜，所述n个准直器包括1个测试准直器和n-1个测量准直器，所述第二波分复用器(15)具有一个输入端口和n个输出端口；n个准直器与第二波分复用器(15)的n个输出端口相连接，1个测试准直器1个测试反射镜的镜面中心和1个测试准直器的透镜焦点对应，n-1个反射镜的镜面中心分别与n-1个测量准直器的透镜焦点一一对应；
所述电光调制器(6)通过所述光环形器(7)分别与所述第二波分复用器(15)的输入端口和所述光放大器(8)相连接；
所述光放大器(8)通过所述光电探...

【专利技术属性】
技术研发人员：于晋龙，毛新丹，王菊，马闯，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12