大量程距离测量的高精度光学校准装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种大量程距离测量的高精度光学校准装置及方法，利用激光器、电光调制器、长光纤、光电探测器、微波放大及滤波器、石英棒、波分复用器等光学和电子器件构成两个包含公共环路部分的OEO谐振腔，通过光开关对两个谐振腔交替起振；飞秒脉冲测距仪发出的飞秒测距脉冲进入大量程距离测量的校准光路，而后再次经过长光纤和一个波分复用器后经过透镜原路返回给飞秒脉冲测距仪；长光纤由腔长稳定控制器进行控制，即通过锁相环控制腔长，保证光电谐振频率保持稳定，从而达到稳定光程的目的；除此之外，利用二次调制距离测量保持除长光纤以外部分的腔长稳定；从而在长光纤及其他部分腔长稳定的条件下，进行飞秒脉冲测距仪的校准。

【技术实现步骤摘要】
大量程距离测量的高精度光学校准装置及方法
本专利技术涉及激光测距领域，特别涉及一种基于光电振荡器的大量程长距离高精度测量系统。
技术介绍
随着卫星编队技术等空间技术的发展，通过测量卫星间的距离，构成高精度测量空间测量基线，可以大大提高对地、对深空的观测精度。而在重力场测量等应用中，也需要高精度的星间距离的测量。针对此应用，近年来大量程、高精度的星间距离测量技术，尤其是激光距离测量技术得到了快速的发展。但在空间中很难对测量载荷设备进行高精度在轨校准，而在地面上对测距载荷进行有效的校准和测试就成了一种必然的选择，但由于星间测距的量程大(km到上百km)及地面的大气扰动、振动及地质方面的干扰，在地面环境下很难达到仪器标定所需要的精度。所以，开展在地面条件下对高精度、大量程的星间测距载荷的测试和标定技术有重要的科学意义和实际的需求。解决此问题将为大大提高人们对地球、深空等目标的观测精度和水平，为国防和国民经济发展做出贡献。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提出一种大量程距离测量的高精度光学校准技术，实现一个长度精确测量且高度稳定的光纤链路，用于仿真星间的空间距离，从而实现在地面环境下对星间距离测量设备的校准和测量。该方案通过利用长腔谐振的原理，即将此测量用光纤作为一个高Q值谐振腔的一部分，其谐振腔长的变化会导致谐振频率的变化，从而通过检测谐振频率得到谐振腔的变化，再通过锁相控制，就可以保证整个谐振腔的总体稳定；通过采用二次调制技术，控制谐振腔中非测量光纤部分的稳定。总腔长的稳定和非测量腔部分的稳定就保证了用于测量的长光纤的稳定。起振后，将飞秒测距仪的测距脉冲通过透镜、波分复用器、长光纤进入光程稳定的长光纤，再经由反射镜反射后原路返回至飞秒测距仪，根据测量的长光纤长度对测距仪进行校准。为了解决上述技术问题，本专利技术提出的一种大量程距离测量的高精度光学校准装置，包括如下光学和电子器件：两个电光调制器，两个光电探测器，两个波分复用器、两个光开关，半导体激光器，腔长稳定控制器，长光纤，石英棒，微波滤波器，微波移相器，微波放大器，反射镜和透镜；其中两个电光调制器分别记为第一电光调制器和第二电光调制器，两个光电探测器分别记为第一光电探测器和第二光电探测器，两个波分复用器分别记为第一波分复用器和第二波分复用器，两个光开关分别记为第一光开关和第二光开关；利用上述光学和电子器件构成两个包含公共环路部分的OEO谐振腔，通过两个光开关对两个谐振腔交替起振；飞秒脉冲测距仪发出波长为λ1的飞秒测距脉冲进入大量程距离测量的校准光路，即通过由透镜构成的光学接口后依次经过第一波分复用器后第一光开关后进入所述长光纤，再经过第二光开关、第二波分复用器经由反射镜反射，再次经过所述长光纤、第一光开关、第一波分复用器后经过所述透镜原路返回给飞秒脉冲测距仪，所述半导体激光器发出波长为λ2的激光作为OEO谐振腔的谐振光源；所述长光纤由腔长稳定控制器进行控制，所述的腔长稳定控制器由锁相环组成，即通过锁相环控制腔长，保证光电谐振频率保持稳定，从而达到稳定光程的目的；除此之外，从微波放大器输出的微波通过第二电光调制器和第二光电探测器实现二次调制距离测量，保持除所述长光纤以外部分的腔长稳定；从而在长光纤及其他部分腔长稳定的条件下，进行飞秒脉冲测距仪的校准。进一步讲，本专利技术装置中，两个包含公共环路部分的OEO谐振腔分别为OEO第一谐振腔和OEO第二谐振腔；所述OEO第一谐振腔由所述半导体激光器，第一电光调制器，第一波分复用器，第一光开关，腔长控制器，长光纤，第二光开关，第二波分复用器，第一光电探测器，微波滤波器，微波移相器和微波放大器构成；所述OEO第二谐振腔由所述半导体激光器，第一电光调制器，第一波分复用器，第一光开关，石英棒，第二光开关，第二波分复用器，第一光电探测器，微波滤波器，微波移相器和微波放大器构成。同时，本专利技术还提出了利用上述大量程距离测量的高精度光学校准装置进行校准的方法，步骤如下：步骤一：所述半导体激光器发出的波长为λ2的光信号依次经过第一电光调制器、第一波分复用器、第一光开关、腔长稳定控制器、长光纤、第二光开关、第二波分复用器后，分为两路，一路通过第一光电探测器转换为电信号，另一路送入第二电光调制器；步骤二：步骤一中所得电信号经过依次微波滤波器、微波移相器、微波放大器处理后送入第一电光调制器，从而形成OEO环路；步骤三：步骤一中送入第二电光调制器的光信号经过第二光电探测器后，作为二次调制距离测量信号作用于所述微波移相器，以保证OEO谐振腔中除了长光纤和石英棒以外部分的腔长稳定；步骤四：利用第一光开关和第二光开关的导通状态，将半导体激光器产生的激光切至包含所述长光纤一路的OEO第一谐振腔，所述长光纤长度的变化将会引起OEO谐振频率的变化，测量OEO谐振频率与频率基准的误差得到当前所述长光纤长度的变化量以及当前OEO第一谐振腔的腔长总长度；步骤五：利用第一光开关和第二光开关的导通状态，将半导体激光器产生的激光切至包含所述石英棒一路的OEO第二谐振腔，所述石英棒长度已知，通过测量当前OEO第二谐振腔谐振频率得到OEO第二谐振腔的腔长总长度，且计算得出除所述石英棒之外部分的长度；步骤六：将步骤四得到的OEO第一谐振腔的腔长总长度与步骤五得到的OEO第二谐振腔的腔长总长度的值作差得到所述长光纤的长度；步骤七：将步骤四计算得到的OEO谐振频率与频率基准的误差值利用PID算法转换为控制量，作为腔长稳定控制信号来控制所述腔长稳定控制器使所述长光纤的长度稳定；步骤八：飞秒脉冲测距仪发出的波长为λ1的飞秒测距脉冲经所述透镜、第一波分复用器和第一光开关进入所述长光纤，并经第二波分复用器、第二光开关抵达反射镜，经由反射镜反射回原光路，并最终沿原路返回飞秒脉冲测距仪，测量得到待校准的绝对距离；步骤九：将步骤八飞秒脉冲测距仪得到待校准的绝对距离与步骤六所得长光纤的长度进行对比处理，利用误差完成对飞秒脉冲测距仪的校正。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术实现的超长光纤光程稳定与测量系统不受器件自身非线性的影响。(2)本专利技术通过测量谐振频率，从而将长度的稳定性和测量精度转换成时间稳定性和测量精度，当长光纤长度变化时谐振频率将跟随变化，通过计算频率变化量从而实现超长光纤光程稳定与测量系统。(3)本专利技术提出采用二次谐振和二次调制方法实现测量光纤的稳定和高精度测量。通过二次谐振将测量光纤从整个谐振腔的长度中提取出来，通过高精度的石英棒实现了谐振腔的测量精度到被测光纤测量精度的转换，并实现了可回溯性；用二次调制的办法实现了谐振环路中非测量光纤部分的稳定性，从而将谐振环路的稳定性转移成测量光纤的稳定性，最终实现测量光纤的高精度测量和高稳定性。附图说明图1为本专利技术的大量程距离测量的高精度光学校准装置及方法示意图。图中：1-第一电光调制器2-第二光电探测器3-半导体激光器4-第一波分复用器5-第一光开关6-腔长稳定控制器7本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大量程距离测量的高精度光学校准装置，包括如下光学和电子器件：两个电光调制器，两个光电探测器，两个波分复用器、两个光开关，半导体激光器(3)，腔长稳定控制器(6)，长光纤(7)，石英棒(9)，微波滤波器(12)，微波移相器(13)，微波放大器(14)，反射镜(16)和透镜(17)；其中两个电光调制器分别记为第一电光调制器(1)和第二电光调制器(15)，两个光电探测器分别记为第一光电探测器(11)和第二光电探测器(2)，两个波分复用器分别记为第一波分复用器(4)和第二波分复用器(10)，两个光开关分别记为第一光开关(5)和第二光开关(8)；其特征在于，/n利用上述光学和电子器件构成两个包含公共环路部分的OEO谐振腔，通过两个光开关对两个谐振腔交替起振；飞秒脉冲测距仪发出波长为λ1的飞秒测距脉冲进入大量程距离测量的校准光路，即通过由透镜(17)构成的光学接口后依次经过第一波分复用器(4)、第一光开关(5)后进入所述长光纤(7)，再经过第二光开关(8)、第二波分复用器(10)经由反射镜(16)反射，再次经过所述长光纤(7)，第一波分复用器(4)后经过所述透镜(17)原路返回给飞秒脉冲测距仪；所述半导体激光器(3)发出波长为λ2的激光作为OEO谐振腔的谐振光源；所述长光纤(7)由腔长稳定控制器(6)进行控制，所述的腔长稳定控制器由锁相环组成，即通过锁相环控制腔长，保证光电谐振频率保持稳定，从而达到稳定光程的目的；除此之外，从微波放大器(14)输出的微波通过第二电光调制器(15)和第二光电探测器(2)实现二次调制距离测量，保持除所述长光纤(7)以外部分的腔长稳定；从而在长光纤及其他部分腔长稳定的条件下，进行飞秒脉冲测距仪的校准。/n...

【技术特征摘要】
1.一种大量程距离测量的高精度光学校准装置，包括如下光学和电子器件：两个电光调制器，两个光电探测器，两个波分复用器、两个光开关，半导体激光器(3)，腔长稳定控制器(6)，长光纤(7)，石英棒(9)，微波滤波器(12)，微波移相器(13)，微波放大器(14)，反射镜(16)和透镜(17)；其中两个电光调制器分别记为第一电光调制器(1)和第二电光调制器(15)，两个光电探测器分别记为第一光电探测器(11)和第二光电探测器(2)，两个波分复用器分别记为第一波分复用器(4)和第二波分复用器(10)，两个光开关分别记为第一光开关(5)和第二光开关(8)；其特征在于，
利用上述光学和电子器件构成两个包含公共环路部分的OEO谐振腔，通过两个光开关对两个谐振腔交替起振；飞秒脉冲测距仪发出波长为λ1的飞秒测距脉冲进入大量程距离测量的校准光路，即通过由透镜(17)构成的光学接口后依次经过第一波分复用器(4)、第一光开关(5)后进入所述长光纤(7)，再经过第二光开关(8)、第二波分复用器(10)经由反射镜(16)反射，再次经过所述长光纤(7)，第一波分复用器(4)后经过所述透镜(17)原路返回给飞秒脉冲测距仪；所述半导体激光器(3)发出波长为λ2的激光作为OEO谐振腔的谐振光源；所述长光纤(7)由腔长稳定控制器(6)进行控制，所述的腔长稳定控制器由锁相环组成，即通过锁相环控制腔长，保证光电谐振频率保持稳定，从而达到稳定光程的目的；除此之外，从微波放大器(14)输出的微波通过第二电光调制器(15)和第二光电探测器(2)实现二次调制距离测量，保持除所述长光纤(7)以外部分的腔长稳定；从而在长光纤及其他部分腔长稳定的条件下，进行飞秒脉冲测距仪的校准。


2.根据权利要求1所述的大量程距离测量的高精度光学校准装置，其特征在于，两个包含公共环路部分的OEO谐振腔分别为OEO第一谐振腔和OEO第二谐振腔；
所述OEO第一谐振腔由所述半导体激光器(3)，第一电光调制器(1)，第一波分复用器(4)，第一光开关(5)，腔长控制器(6)，长光纤(7)，第二光开关(8)，第二波分复用器(10)，第一光电探测器(11)，微波滤波器(12)，微波移相器(13)和微波放大器(14)构成；
所述OEO第二谐振腔由所述半导体激光器(3)，第一电光调制器(1)，第一波分复用器(4)，第一光开关(5)，石英棒(9)，第二光开关(8)，第二波分复用器(10)，第一光电探测器(11)，微波滤波器(12)，微波移相器(13)和微波放大器(14)构成。


3.根据权利要求1所述的大量程距离测量的高精度光学校准装置，其特征在于，所述二次调制距离测量由所述第二电光调制器(15)和第二光电探测器(2)组成。


4.根据权利要...

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