一种基于四通道探测技术的弱光锁相星间位移测量方法及实现该方法的装置

摘要

一种基于四通道探测技术的弱光锁相星间位移测量方法及实现该方法的装置，属于光学领域，本发明为解决超远距离星间位移测量中光束能量难以满足测量需要的问题。本发明测量两个卫星之间的位移，分别命名为目标端和测量端，测量端的双纵模激光模块输出激光包含偏振态相互垂直的两个纵模激光成分，调整后作为测量激光发射到目标端，并形成参考信号Sref，测量激光在目标端经过处理后，与目标端的激光模块发射的激光进行合束，形成的回传激光返回测量端，将回传激光与参考激光合光并进行混频得到外差干涉测量的测量信号Smeas，将参考信号Sref和测量信号Smeas分别输入相位细分模块后，再由位移计算模块根据累计的相位值解算出目标端相对测量端的位移。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于四通道探测技术的弱光锁相星间位移测量方法及实现该方法的 装置，属于光学领域。

背景技术

从发射地球卫星到成功登月，从探索外星生命到进行空间引力波探测，人类向太空的 探索永未停歇。在这个过程中，用于监测飞行器运动状态的星间位移测量技术得到了极大 的发展。通过采用激光外差干涉测量方法，在保证微米甚至纳米级精度的前提下，其探测 距离已经扩展到几百万公里。在探测距离如此远的情况下，传统位移与距离测量所使用的 目标端被动反射测量激光的方法已经不再适用，测量激光在两倍探测距离下光束的发散将 导致激光功率大幅度衰减而无法探测。

针对这一问题，研究人员提出了在目标端设置回传激光器，控制回传激光对入射激光 进行频率相位锁定来实现对入射测量激光放大回传的方法。2000年美国国家航空航天局 (NASA)喷气动力实验室(Jet Propulsion Laboratory)的Muthu Jeganathan和Serge  Dubovitsky等人利用上述方法进行了相关实验，其使用激光偏频锁定装置(LOLA)实现 了目标端1.319μm波长回传激光对发射端激光50MHz的频率锁定。其通过在目标端设置 压电陶瓷微位移平台控制反射镜位置，验证了测量系统的测量分辨率在350nm位移范围 内达到2.6nm。经过实验与分析，Muthu Jeganathan等人提出利用该方法实现远距离位移 测量的关键在于保证目标端回传激光对测量端发射激光频率相位的精确锁定跟踪。

20世纪90年代初期，光学锁相技术在电学领域的锁相环技术基础上发展成型，由于 能够实现对激光频率相位的锁定跟踪，其一经出现便受到研究人员的广泛关注。光学锁相 环根据产生反馈控制信号的不同可以分为零差式光学锁相环和外差式光学锁相环。其中， 零差式光学锁相环直接提取出回传激光与入射激光的相位差值，并以此为反馈信号对回传 激光进行控制，最终实现回传激光与入射激光频率一致的锁相跟踪。外差式光学锁相环则 将回传激光与入射激光混频信号的频率与本地振荡器的参考频率进行比较，以产生的频率 偏差信号反馈控制回传激光，最终实现回传激光与入射激光频率差值恒定为本地振荡器的 参考频率。

目前，光学锁相技术已经在空间引力波探测这一国内外热点研究课题中得到了应用。 空间引力波探测需要对多个超远距离、特定轨道的航天器进行实时的间距与位置测量，航 天器间距离通常为数百万公里。因此对测量激光的弱光锁相成为保证在如此远的探测距离 下进行位移精密测量的关键技术。现有的空间引力波探测计划有空间激光干涉天线计划 (LISA)和激光天文动力学空间计划(ASTROD)。其中，空间激光干涉天线计划(LISA) 由美国国家航天局(NASA)和欧洲空间局(ESA)合作进行研究，该项目需要对两颗距离远达 500万公里航天器的间距进行精密测量，其选取外差式光学锁相回路以实现弱光回传。该 计划采用两支1064nm的Nd:YAG激光器作为光源，对其实现了参考频率为3～30MHz的 可调外差锁相。其光强相差最大时，弱光仅为320pW而强光为2mW。该项目所选用的外 差式弱光锁相回路能够消除航天器相对运动所引入多普勒频移对锁相造成的影响，但是由 于其采用本地振荡器作为锁相的基准，该振荡器带来的误差会直接引入锁相结果中对锁相 精度产生影响。另外，外差锁相环由于其选取频率差作为反馈信号，无法真正实现回传激 光与入射激光相位差的精确锁定。

激光天文动力学空间计划(ASTROD)由中国与欧洲合作执行，为避免多普勒频移对 锁相带来的影响，该项目仍计划使用外差锁相方案对回传激光进行控制，但在前期实验中 进行了零差锁相的相关探索。台湾清华大学的倪维斗、廖安琪等人利用两台Nd:YAG激 光器作为光源，利用光阻隔器分别控制两激光器的输出光强以模拟远程入射弱光及本地回 传强光。采用均衡二阶零差锁相回路，通过调节本地激光器的温度和直接由压电陶瓷驱动 器调控共振腔长度两种途径对本地激光器光信号相位进行反馈控制，使本地回传激光的相 位锁定于远程入射激光，形成光锁相回路。实验表明，该零差锁相环最终实现了对2nW 弱光与2mW强光的持久锁相，实现了对200pW弱光与200μW强光2h以上的锁相。但 是需要注意的是，该实验中两激光器相对静止，因此并没有测试多普勒频移效应对零差锁 相的影响。然而在实际的星间测距过程中，本地与远程激光器由相对运动而导致的多普勒 频移难以避免，受限于现有零差锁相环只有几十kHz的捕捉带宽，对远程入射弱光的锁 相跟踪难以实现。

综上所述，对外差式激光锁相环和零差式激光锁相环在超远距离星间位移测量中的应 用进行对比：外差式激光锁相环具有较大的捕获带宽，能够有效避免多普勒频移带来的两 激光频率差变化对锁相的影响。但是由于回传激光和入射激光之间存在频率差，其并不能 实现真正意义上的锁相跟踪。同时由于采用本地震荡器作为锁相的基准，其工作特性会对 锁相精度产生很大影响。零差式激光锁相环能够实现两束激光的精确锁频锁相，同时其不 需要本地振荡器作为锁相参考基准，但要应用于实际测量环境，首先要解决多普勒频移对 其锁相的影响。

发明内容

本发明目的是为了解决超远距离星间位移测量中光束能量难以满足测量需要的问题， 提供了一种基于四通道探测技术的弱光锁相星间位移测量方法及实现该方法的装置。

本发明所述一种基于四通道探测技术的弱光锁相星间位移测量方法，

该方法包括以下步骤：

步骤一、开启处于目标端的激光模块，经过预热过程后该激光模块进入稳定工作状态， 利用二分之一波片和偏振分光棱镜将激光模块输出的线偏振激光分为两部分，一部分作为 目标端的回传激光，将其记为L_B，另一部分作为锁相激光用于反馈控制激光模块，将其 记为L_L，锁相激光L_L的为竖直线偏振激光，回传激光L_B的频率与锁相激光L_L的频率相同， 将其分别记为v_B和v_L；

步骤二、开启处于测量端的双纵模激光模块，经过预热及稳频控制过程后，双纵模激 光模块输出激光包含偏振态相互垂直的两个纵模激光成分，调整两个纵模激光的偏振态使 其分别成为水平线偏振激光L_M和竖直线偏振激光L_R，水平线偏振激光的频率为v_M，竖 直线偏振激光的频率为v_R，且v_M＞v_R；

步骤三、利用消偏振分光棱镜将所述水平线偏振激光L_M和竖直线偏振激光L_R分为反 射部分和透射部分，反射部分的水平线偏振激光L_M和竖直线偏振激光L_R进行光学混频得 到外差干涉测量的参考信号，由高速光电探测器将该拍频信号转化为电信号，将其记为 S_ref，其频率为两个纵模激光的频率差v_ref＝v_M-v_R；

透射部分的竖直线偏振激光L_R作为参考激光与目标端的回传激光L_B进行激光合束及 光学混频，透射部分的水平线偏振激光L_M被转化为圆偏振光后，作为测量激光由测量端 向目标端射出；

步骤四、所述测量激光到达目标端以后，先将其由圆偏振光转换为偏振方向为水平的 线偏振光，再与目标端的锁相激光L_L进行激光合束形成合光光束，利用二分之一波片调 整所述合光光束中激光L_M与L_L的偏振方向，使得两束激光的偏振方向都与水平方向成 45°夹角；

步骤五、利用消偏振分光棱镜将所述合光光束分为反射合光光束L_F和透射合光光束 L_T，其中反射合光光束L_F经偏振分光棱镜形成两路相位相差180°的拍频光信号，分别由 两个高速光电探测器转换为拍频电信号并送入信号调理模块，透射合光光束L_T首先经光 学相位延迟器将合光光束中测量激光的相位延迟90°，然后通过偏振分光棱镜形成两路相 位相差180°的拍频光信号，分别由另外两路高速光电探测器转换为拍频电信号并送入信号 调理模块；

步骤六、由于目标端相对测量端位移变化引入多普勒频移效应，测量激光到达目标端 的频率发生变化，将其表示为v′_M，同时将反射合光光束L_F中的测量激光到达光电探测器 的相位记为将反射合光光束L_F中的锁相激光L_L到达光电探测器的相位记为信 号调理模块将反射合光光束L_F对应的两路拍频电信号相减得到合光反射拍频信号，将其 记为S_R，

则当v′_M＝v_L时，

当v′_M＞v_L时，

当v′_M＜v_L时，

步骤七、信号调理模块同时将透射合光光束L_T对应的两路拍频电信号相减得到合光 透射拍频信号，将其记为S_T，由于光学相位延迟器的作用，透射合光光束L_T中的测量激 光到达光电探测器的相位记为透射合光光束L_T中的锁相激光L_L到达光电探测 器的相位记为

则当v′_M＝v_L时，

当v′_M＞v_L时，

当v′_M＜v_L时，

步骤八、目标端的激光模块进入光频锁定控制阶段，首先取合光反射拍频信号S_R和 合光透射拍频信号S_T进行频率测量，测频结果记为v_meas，

v_meas＝|v′_M-v_L|，

当合光反射拍频信号S_R相位超前合光透射拍频信号S_T90°时，表明v′_M＞v_L，此时测 频结果为

v_meas＝v′_M-v_L，

得到测量激光与锁相激光L_L的鉴频结果为

Δv_M-L＝v′_M-v_L＝v_meas，

当合光反射拍频信号S_R相位滞后合光透射拍频信号S_T90°时，表明v′_M＜v_L，此时测 频结果为

v_meas＝v_L-v′_M，

得到测量激光与锁相激光L_L的鉴频结果为

Δv_M-L＝v′_M-v_L＝-v_meas；

步骤九、将测量得到的频率值Δv_M-L作为光频锁定信号输入数字控制器，根据激光模 块输出的锁相激光L_L频率与其谐振腔长度的对应关系，通过温度控制模块调整激光模块 谐振腔温度以实现对谐振腔长度的大范围调节，同时通过PZT驱动控制模块对谐振腔长 度进行快速直接的调节，从而反馈控制锁相激光L_L的频率v_L使得Δv_M-L趋于0，当 Δv_M-L＝0时，目标端激光模块的光频锁定阶段结束，其输出锁相激光L_L及回传激光L_B的 频率锁定为入射的测量激光的频率，

即v_B＝v_L＝v′_M；

步骤十、目标端的激光模块在其光频锁定控制阶段结束后进入锁相跟踪控制阶段，首 先取合光反射拍频信号S_R和合光透射拍频信号S_T进行反正切相位测量，得到测量激光与 锁相激光L_L的鉴相结果为将测量得到的相位值作为锁相闭环控 制信号输入数字控制器，通过PZT驱动控制模块对激光模块的谐振腔长度进行精细快速 调节，反馈控制锁相激光L_L的相位使得趋于0，当时，激光模块的锁 相控制过程完成，其输出锁相激光L_L及回传激光L_B的频率锁定为入射的测量激光的相位，

即

步骤十一、当光学锁相跟踪系统失锁时，重复步骤九和步骤十，激光模块的锁相激光 L_L及回传激光L_B即可对测量激光重新锁相跟踪；

步骤十二、利用四分之一波片将频率和相位均锁定于测量激光的线偏振回传激光L_B转化为圆偏振光，回传至测量端后再由四分之一波片将其转化为偏振方向水平的线偏振 光，受目标端相对测量端位移变化而导致多普勒频移效应的影响，回传激光L_B到达测量 端的频率发生变化，将其表示为v′_B，则根据多普勒频移的近似公式有

${v^{\prime }}_B=v_M+\frac{2u}{\lambda };$

式中，u为目标端相对测量端的运动速度，λ为测量激光与回传激光L_B的平均波长，

步骤十三、将回传激光L_B与参考激光L_R合光并进行混频得到外差干涉测量的测量信 号，利用高速探测器将该拍频信号转化为电信号，将其记为S_meas，其频率为参考激光L_R与 回传激光L_B的频率差

$v_{\mathrm{meas}}={v^{\prime }}_B-v_R=v_M-v_R+\frac{2u}{\lambda };$

步骤十四、将外差干涉测量的参考信号S_ref和测量信号S_meas分别输入相位细分模块后 进行频率相减，由此得到目标端运动而产生的多普勒频移信号，对其进行相位细分及累加 计算后，由位移计算模块根据累计的相位值解算出目标端相对测量端的位移。

实现上述一种基于四通道探测技术的弱光锁相星间位移测量方法的装置，它包括测量 端和目标端，

测量端包括双纵模激光模块、稳频控制模块、第一二分之一波片、第一消偏振分光棱 镜、第一检偏器、第一高速光电探测器、第一偏振分光棱镜、第一四分之一波片、第四四 分之一波片、第六偏振分光棱镜、第二检偏器、第六高速光电探测器、相位细分模块和位 移计算模块，

目标端包括第二四分之一波片、第二偏振分光棱镜、第二二分之一波片、第二消偏振 分光棱镜、第三偏振分光棱镜、第二高速光电探测器、第三高速光电探测器、光学相位延 迟器、第四偏振分光棱镜、第四高速光电探测器、第五高速光电探测器、信号调理模块、 频率测量模块、正交鉴相模块、数字控制器、温度控制模块、PZT驱动控制模块、激光 模块、第三二分之一波片、第五偏振分光棱镜、第三四分之一波片，

稳频控制模块的输出端与双纵模激光模块的输入端相连，第一二分之一波片、第一消 偏振分光棱镜、第一偏振分光棱镜、第一四分之一波片、第二四分之一波片、第二偏振分 光棱镜、第二二分之一波片、第二消偏振分光棱镜、光学相位延迟器、第四偏振分光棱镜 和第五高速光电探测器顺次放置在双纵模激光模块的出射光路上，

第一检偏器和第一高速光电探测器顺次放置在第一消偏振分光棱镜的反射输出面之 后，

双纵模激光模块出射的双纵模激光经第一二分之一波片透射至第一消偏振分光棱镜， 第一消偏振分光棱镜的反射光束入射至第一检偏器，经第一检偏器透射的光束入射至第一 高速光电探测器，第一高速光电探测器的电信号输出端与相位细分模块的第一输入端相 连，

第一消偏振分光棱镜的透射光束入射至第一偏振分光棱镜，第一偏振分光棱镜的透射 光束经第一四分之一波片透射后作为测量激光发射至目标端，

目标端的第二四分之一波片接收测量激光，并透射至第二偏振分光棱镜，激光模块发 出的线偏振激光经第三二分之一波片透射至第五偏振分光棱镜，第五偏振分光棱镜反射的 竖直线偏振激光作为锁相激光L_L与第二偏振分光棱镜的透射光束形成合光光束，所述合 光光束经第二二分之一波片透射至第二消偏振分光棱镜，

经第二消偏振分光棱镜反射的合光反射光束入射至第三偏振分光棱镜，经第三偏振分 光棱镜反射的反射光束入射至第二高速光电探测器，经第三偏振分光棱镜透射的透射光束 入射至第三高速光电探测器，

经第二消偏振分光棱镜透射的合光透射光束入射至光学相位延迟器，光学相位延迟器 输出的延迟光束入射至第四偏振分光棱镜，经第四偏振分光棱镜反射的反射光束入射至第 四高速光电探测器，经第四偏振分光棱镜透射的透射光束入射至第五高速光电探测器，

第二高速光电探测器、第三高速光电探测器、第四高速光电探测器和第五高速光电探 测器采集的信号分别输出给信号调理模块，信号调理模块的反射光束差信号输出端同时与 频率测量模块的输入端和正交鉴相模块的输入端相连，信号调理模块的透射光束差信号输 出端同时与频率测量模块的输入端和正交鉴相模块的输入端相连，频率测量模块的输出端 与数字控制器的第一输入端相连，正交鉴相模块的输出端与数字控制器的第二输入端相 连，数字控制器的控制温度信号输出端与温度控制模块的输入端相连，温度控制模块的输 出端与激光模块的第一控制端相连，数字控制器的PZT驱动信号输出端与PZT驱动控制 模块的输入端相连，PZT驱动控制模块的输出端与激光模块的PZT驱动信号控制端相连，

第五偏振分光棱镜的透射光束经第三四分之一波片透射后作为回传激光发射回测量 端，测量端的第四四分之一波片接收回传激光，并透射至第六偏振分光棱镜，透射至第六 偏振分光棱镜的回传激光L_B与第一偏振分光棱镜反射的参考激光合光后，再经第二检偏 器透射至第六高速光电探测器，第六高速光电探测器的电信号输出端与相位细分模块的第 二输入端相连，相位细分模块的输出端与位移计算模块的输出端相连。

本发明的优点：

(1)与现有的星间位移测量方法相比，本发明所设计的弱光锁相星间位移测量方法 在将回传激光与测量激光锁相之前增加了光频锁定控制过程。由于光频锁定的捕获带宽远 大于锁相跟踪的捕获带宽，因此目标端与测量端相对运动引入实时变化的多普勒频移时， 回传激光仍能够通过先锁频再锁相的过程实现对测量激光的高精度锁相跟踪，同时大幅度 的提高系统的抗干扰性，这是区别于现有技术的创新点之一。

(2)本发明所设计的弱光锁相星间位移测量装置中使用了高精度的集成激光鉴频鉴 相器，其中的激光鉴频环节在测得两束激光频率差绝对值的同时，还根据两路合光拍频信 号的超前滞后关系确定了两束入射激光的频率大小关系，真正实现了对两束入射激光频率 差的准确测量；激光鉴相环节则通过对四个探测通道所生成的两路正交拍频信号的反正切 相位测量与信号辨向，实现了高精度的相位测量。其四个通道的平衡探测，使得激光功率 波动对测量结果的影响得到了很好的抑制，这是区别于现有技术的创新点之二。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为到达目标端的测量激光频率v′_M大于锁相激光L_L频率v_L时，合光反射拍频信 号S_R与合光透射拍频信号S_T的相位关系示意图；

图3为到达目标端的测量激光频率v′_M小于锁相激光L_L频率v_L时，合光反射拍频信 号S_R与合光透射拍频信号S_T的相位关系示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述一种基于四 通道探测技术的弱光锁相星间位移测量方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、开启处于目标端的激光模块，经过预热过程后该激光模块进入稳定工作状态， 利用二分之一波片和偏振分光棱镜将激光模块输出的线偏振激光分为两部分，一部分作为 目标端的回传激光，将其记为L_B，另一部分作为锁相激光用于反馈控制激光模块，将其 记为L_L，锁相激光L_L的为竖直线偏振激光，回传激光L_B的频率与锁相激光L_L的频率相同， 将其分别记为v_B和v_L；

步骤二、开启处于测量端的双纵模激光模块，经过预热及稳频控制过程后，双纵模激 光模块输出激光包含偏振态相互垂直的两个纵模激光成分，调整两个纵模激光的偏振态使 其分别成为水平线偏振激光L_M和竖直线偏振激光L_R，水平线偏振激光的频率为v_M，竖 直线偏振激光的频率为v_R，且v_M＞v_R；

步骤三、利用消偏振分光棱镜将所述水平线偏振激光L_M和竖直线偏振激光L_R分为反 射部分和透射部分，反射部分的水平线偏振激光L_M和竖直线偏振激光L_R进行光学混频得 到外差干涉测量的参考信号，由高速光电探测器将该拍频信号转化为电信号，将其记为 S_ref，其频率为两个纵模激光的频率差v_ref＝v_M-v_R；

透射部分的竖直线偏振激光L_R作为参考激光与目标端的回传激光L_B进行激光合束及 光学混频，透射部分的水平线偏振激光L_M被转化为圆偏振光后，作为测量激光由测量端 向目标端射出；

步骤四、所述测量激光到达目标端以后，先将其由圆偏振光转换为偏振方向为水平的 线偏振光，再与目标端的锁相激光L_L进行激光合束形成合光光束，利用二分之一波片调 整所述合光光束中激光L_M与L_L的偏振方向，使得两束激光的偏振方向都与水平方向成 45°夹角；

步骤五、利用消偏振分光棱镜将所述合光光束分为反射合光光束L_F和透射合光光束 L_T，其中反射合光光束L_F经偏振分光棱镜形成两路相位相差180°的拍频光信号，分别由 两个高速光电探测器转换为拍频电信号并送入信号调理模块，透射合光光束L_T首先经光 学相位延迟器将合光光束中测量激光的相位延迟90°，然后通过偏振分光棱镜形成两路相 位相差180°的拍频光信号，分别由另外两路高速光电探测器转换为拍频电信号并送入信号 调理模块：

步骤六、由于目标端相对测量端位移变化引入多普勒频移效应，测量激光到达目标端 的频率发生变化，将其表示为v′_M，同时将反射合光光束L_F中的测量激光到达光电探测器 的相位记为将反射合光光束L_F中的锁相激光L_L到达光电探测器的相位记为信 号调理模块将反射合光光束L_F对应的两路拍频电信号相减得到合光反射拍频信号，将其 记为S_R，

则当v′_M＝v_L时，

当v′_M＞v_L时，

当v′_M＜v_L时，

步骤七、信号调理模块同时将透射合光光束L_T对应的两路拍频电信号相减得到合光 透射拍频信号，将其记为S_T，由于光学相位延迟器的作用，透射合光光束L_T中的测量激 光到达光电探测器的相位记为透射合光光束L_T中的锁相激光L_L到达光电探测 器的相位记为

则当v′_M＝v_L时，

当v′_M＞v_L时，

当v′_M＜v_L时，

步骤八、目标端的激光模块进入光频锁定控制阶段，首先取合光反射拍频信号S_R和 合光透射拍频信号S_T进行频率测量，测频结果记为v_meas，

v_meas＝|v′_M-v_L|，

当合光反射拍频信号S_R相位超前合光透射拍频信号S_T90°时，表明v′_M＞v_L，此时测 频结果为

v_meas＝v′_M-v_L，

得到测量激光与锁相激光L_L的鉴频结果为

Δv_M-L＝v′_M-v_L＝v_meas，

当合光反射拍频信号S_R相位滞后合光透射拍频信号S_T90°时，表明v′_M＜v_L，此时测 频结果为

v_meas＝v_L-v′_M，

得到测量激光与锁相激光L_L的鉴频结果为

Δv_M-L＝v′_M-v_L＝-v_meas；

步骤九、将测量得到的频率值Δv_M-L作为光频锁定信号输入数字控制器，根据激光模 块输出的锁相激光L_L频率与其谐振腔长度的对应关系，通过温度控制模块调整激光模块 谐振腔温度以实现对谐振腔长度的大范围调节，同时通过PZT驱动控制模块对谐振腔长 度进行快速直接的调节，从而反馈控制锁相激光L_L的频率v_L使得Δv_M-L趋于0，当 Δv_M-L＝0时，目标端激光模块的光频锁定阶段结束，其输出锁相激光L_L及回传激光L_B的 频率锁定为入射的测量激光的频率，

即v_B＝v_L＝v′_M；

步骤十、目标端的激光模块在其光频锁定控制阶段结束后进入锁相跟踪控制阶段，首 先取合光反射拍频信号S_R和合光透射拍频信号S_T进行反正切相位测量，得到测量激光与 锁相激光L_L的鉴相结果为将测量得到的相位值作为锁相闭环控 制信号输入数字控制器，通过PZT驱动控制模块对激光模块的谐振腔长度进行精细快速 调节，反馈控制锁相激光L_L的相位使得趋于0，当时，激光模块的锁 相控制过程完成，其输出锁相激光L_L及回传激光L_B的频率锁定为入射的测量激光的相位，

即

步骤十一、当光学锁相跟踪系统失锁时，重复步骤九和步骤十，激光模块的锁相激光 L_L及回传激光L_B即可对测量激光重新锁相跟踪；

步骤十二、利用四分之一波片将频率和相位均锁定于测量激光的线偏振回传激光L_B转化为圆偏振光，回传至测量端后再由四分之一波片将其转化为偏振方向水平的线偏振 光，受目标端相对测量端位移变化而导致多普勒频移效应的影响，回传激光L_B到达测量 端的频率发生变化，将其表示为v′_B，则根据多普勒频移的近似公式有

${v^{\prime }}_B=v_M+\frac{2u}{\lambda };$

式中，u为目标端相对测量端的运动速度，λ为测量激光与回传激光L_B的平均波长，

步骤十三、将回传激光L_B与参考激光L_R合光并进行混频得到外差干涉测量的测量信 号，利用高速探测器将该拍频信号转化为电信号，将其记为S_meas，其频率为参考激光L_R与 回传激光L_R的频率差

$v_{\mathrm{meas}}={v^{\prime }}_B-v_R=v_M-v_R+\frac{2u}{\lambda };$

步骤十四、将外差干涉测量的参考信号S_ref和测量信号S_meas分别输入相位细分模块后 进行频率相减，由此得到目标端运动而产生的多普勒频移信号，对其进行相位细分及累加 计算后，由位移计算模块根据累计的相位值解算出目标端相对测量端的位移。

开始工作时，开启处于目标端的激光模块26，经过预热过程其进入稳定工作状态。 利用第三二分之一波片27和第五偏振分光棱镜28将其输出的线偏振激光分为两部分，其 中透过偏振分光棱镜的水平偏振分量作为目标端的回传激光，将其记为L_B，由偏振分光 棱镜反射的竖直偏振分量作为锁相激光，将其记为L_L，回传激光L_B与锁相激光L_L的频率 相同，将其分别记为v_B和v_L。

开启处于测量端的双纵模激光模块1，经过预热过程后由稳频控制模块2控制其进入 频率稳定状态，其输出激光包含偏振态相互垂直的两个线偏振纵模成分。利用第一二分之 一波片3将两个纵模激光的偏振方向分别调整为水平和竖直方向，将水平和竖直线偏振纵 模激光分别记为L_M和L_R，其频率分别记为v_M和v_R，其中v_M＞v_R。

使用第一消偏振分光棱镜4提取双纵模激光的一部分，由第一检偏器5将两个纵模激 光转化为同一偏振方向并进行光学混频得到拍频信号。由第一高速光电探测器6将该拍频 信号转化为电信号，将其记为S_ref，其频率为两个纵模激光的频率差v_ref＝v_M-v_R。

利用第一偏振分光棱镜7将剩余双纵模激光中的两个纵模分量进行分离。其中水平偏 振激光L_M透射后由第一四分之一波片8转化为圆偏振光，然后作为测量激光由测量端进 行发射。竖直偏振激光L_R被直接反射后射入第六偏振分光棱镜31，将其作为参考激光L_R与目标端的回传激光L_B进行光学合束。

测量激光到达目标端以后，由第二四分之一波片9将其由圆偏振光转换为偏振方向为 水平的线偏振光，利用第二偏振分光棱镜10将其与第五偏振分光棱镜28反射的锁相激光 L_L进行光学合束。由于目标端相对测量端位移变化引入多普勒频移效应，测量激光到达 目标端的频率发生变化，将其表示为v′_M。此合光中包含测量激光和锁相激光L_L到达高速 光电探测量器时的振动方程可以分别表示为：

利用第二二分之一波片11调整合光光束中测量激光与锁相激光L_L的偏振方向，使得 两束激光的偏振方向都与水平方向成45°夹角。利用第二消偏振分光棱镜12将合光光束 分为反射和透射两部分，分别表示为L_F和L_T，其中反射合光光束L_F经第三偏振分光棱镜 13形成两路相位相差180°的拍频光信号，分别由第二高速光电探测器14和第三高速光电 探测器15转化为拍频电信号。

为消除拍频信号中随激光功率波动而引入的直流偏置，这两路拍频电信号被送入信号 调理模块20并相减得到的拍频交流信号S_R，其根据两入射激光的频率大小关系表示如 下：

当v′_M＞v_L时，

当v′_M＜v_L时，

当v′_M＝v_L时，

透射合光光束L_T首先经过光学相位延迟器16将测量激光分量相位延迟90°，此时合 光中测量激光的振动方程变为：

透射合光光束L_T进入第四偏振分光棱镜17形成两路相位相差180°的拍频光信号， 其分别经过第四高速光电探测器18和第五高速光电探测器19转化为拍频电信号。两路拍 频电信号同样传输到信号调理模块16得到拍频交流信号，该拍频交流信号记为S_T，其根 据两入射激光的频率大小关系表示如下：

当v′_M＞v_L时，

当v′_M＜v_L时，

当v′_M＝v_L时，

此后进入锁相激光L_L对测量激光的光频锁定控制阶段，合光反射拍频信号S_R和合光 透射拍频信号S_T传输到频率测量模块21，利用多周期同步测频方法测量得到两束激光的 频率差为v_meas。此时，测量得到的只是测量激光与锁相激光L_L频率差的绝对值，并不能 确定两束激光的频率大小关系，即v_meas＝|v′_M-v_L|。

由上述公式，对应测量激光与锁相激光L_L频率的不同大小关系，合光反射拍频信号S_R和合光透射拍频信号S_T的相位超前滞后状态也随之不同。因此，利用四细分辨向技术判 断合光反射拍频信号S_R和合光透射拍频信号S_T的相位超前滞后关系就可以确定测量激光 与锁相激光L_L的频率v′_M与v_L的大小关系。

如图2所示，若合光反射拍频信号S_R的相位超前合光透射拍频信号S_T90°，根据S_R与S_T的表达式可以判断v′_M＞v_L，此时v_meas＝v′_M-v_L，则最终计算得到测量激光与锁相激 光L_L的准确频率差Δv_M-L＝v′_M-v_L＝v_meas；如图3所示，若合光反射拍频信号S_R的相位落 后透射拍频信号S_T90°，根据S_R与S_T的表达式可以判断v′_M＜v_L，此时v_meas＝v_L-v′_M， 则最终计算得到测量激光与锁相激光L_L的准确频率差Δv_M-L＝v_L-v′_M＝-v_meas。

将入射与出射激光频率差值Δv_M-L输入数字控制器23，其由控制算法计算得到控制量 并分别传输到温度控制模块24和PZT驱动控制模块25。两者都通过调整激光模块26的 谐振腔长度来实现对回传激光L_B和锁相激光L_L频率的控制，但具体实现方式不同。温度 控制模块24根据控制量的正负和大小对激光模块26进行不同程度的加热或制冷，通过改 变其谐振腔温度对谐振腔长度进行调整，这种方式响应速度虽慢但调节范围大。PZT驱 动控制模块25则直接使用压电陶瓷(PZT)对激光模块26的谐振腔长度进行调整，这种 方式响应速度快且调节精细，但是可调范围很小。通过温度控制模块24和PZT驱动控制 模块25的配合使用，在实现了锁相激光L_L对测量激光的精密频率锁定后，光频锁定控制 阶段结束，此时v_B＝v_L＝v′_M。

系统随即进入锁相激光L_L对测量激光的锁相跟踪控制阶段，将合光反射拍频信号S_R和合光透射拍频信号S_T传输到正交鉴相模块22。由v′_M＝v_L状态的透射拍频交流信号S_T除以反射拍频交流信号S_R得：

由上式，对进行反正切运算即可测得测量激光与锁相激光L_L的相位差值 将此相位差值输入数字控制器23，其由控制算法计算得到控制 量并传输到PZT驱动控制模块25。由PZT驱动控制模块25直接对激光模块26的谐振腔 长度进行精细快速的调节，并以此对回传激光L_B和锁相激光L_L的相位进行精确控制，直 到实现了锁相激光L_L对测量激光的相位锁定跟踪，相位锁定控制过程结束，此时

当光学锁相跟踪系统失锁时，重复光频锁定控制阶段和锁相跟踪控制阶段，即可实现 目标端激光模块26输出锁相激光L_L及回传激光L_B对测量激光的重新锁相跟踪。

频率和相位均锁定于测量激光的线偏振回传激光L_B由第三四分之一波片29转化为圆 偏振光后，从目标端向测量端回传发射。其到达测量端后由第四四分之一波片30转化为 水平线偏振光。受目标端相对测量端位移变化而导致多普勒频移效应的影响，回传激光L_B到达测量端的频率发生变化，将其表示为v′_B。若目标端运动速度为u，激光平均波长为λ， 则根据多普勒频移的近似公式有

通过第六偏振分光棱镜31将回传激光L_B与参考激光L_R进行合光，由第二检偏器32 将两束激光混频得到外差干涉测量信号，利用第六高速光电探测器33将拍频信号转换为 拍频电信号，将其记为S_meas。其频率v_meas为回传激光L_B与参考激光L_R的频率差 $v_{\mathrm{meas}}={v^{\prime }}_B-v_R=v_M-v_R+\frac{2u}{\lambda }.$

将外差干涉测量的参考信号S_ref和测量信号S_meas分别输入相位细分模块34进行频率 相减，由此得到目标端运动而产生的多普勒频移信号。对其进行相位细分及累加计算后， 由位移计算模块35根据累计的相位值解算出目标端相对测量端的位移。

具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，实现权利要求1所述的一种基于四 通道探测技术的弱光锁相星间位移测量方法的装置，其特征在于，它包括测量端和目标端，

测量端包括双纵模激光模块1、稳频控制模块2、第一二分之一波片3、第一消偏振 分光棱镜4、第一检偏器5、第一高速光电探测器6、第一偏振分光棱镜7、第一四分之一 波片8、第四四分之一波片30、第六偏振分光棱镜31、第二检偏器32、第六高速光电探 测器33、相位细分模块34和位移计算模块35，

目标端包括第二四分之一波片9、第二偏振分光棱镜10、第二二分之一波片11、第 二消偏振分光棱镜12、第三偏振分光棱镜13、第二高速光电探测器14、第三高速光电探 测器15、光学相位延迟器16、第四偏振分光棱镜17、第四高速光电探测器18、第五高速 光电探测器19、信号调理模块20、频率测量模块21、正交鉴相模块22、数字控制器23、 温度控制模块24、PZT驱动控制模块25、激光模块26、第三二分之一波片27、第五偏 振分光棱镜28、第三四分之一波片29，

稳频控制模块2的输出端与双纵模激光模块1的输入端相连，第一二分之一波片3、 第一消偏振分光棱镜4、第一偏振分光棱镜7、第一四分之一波片8、第二四分之一波片9、 第二偏振分光棱镜10、第二二分之一波片11、第二消偏振分光棱镜12、光学相位延迟器 16、第四偏振分光棱镜17和第五高速光电探测器19顺次放置在双纵模激光模块1的出射 光路上，

第一检偏器5和第一高速光电探测器6顺次放置在第一消偏振分光棱镜4的反射输出 光路上，

双纵模激光模块1出射的双纵模激光经第一二分之一波片3透射至第一消偏振分光棱 镜4，第一消偏振分光棱镜4的反射光束入射至第一检偏器5，经第一检偏器5透射的光 束入射至第一高速光电探测器6，第一高速光电探测器6的电信号输出端与相位细分模块 34的第一输入端相连，

第一消偏振分光棱镜4的透射光束入射至第一偏振分光棱镜7，第一偏振分光棱镜7 的透射光束经第一四分之一波片8透射后作为测量激光发射至目标端，

目标端的第二四分之一波片9接收测量激光，并透射至第二偏振分光棱镜10，激光 模块26发出的线偏振激光经第三二分之一波片27透射至第五偏振分光棱镜28，第五偏 振分光棱镜28反射的竖直线偏振激光作为锁相激光L_L与第二偏振分光棱镜10的透射光 束形成合光光束，所述合光光束经第二二分之一波片11透射至第二消偏振分光棱镜12，

经第二消偏振分光棱镜12反射的合光反射光束入射至第三偏振分光棱镜13，经第三 偏振分光棱镜13反射的反射光束入射至第二高速光电探测器14，经第三偏振分光棱镜13 透射的透射光束入射至第三高速光电探测器15，

经第二消偏振分光棱镜12透射的合光透射光束入射至光学相位延迟器16，光学相位 延迟器16输出的延迟光束入射至第四偏振分光棱镜17，经第四偏振分光棱镜17反射的 反射光束入射至第四高速光电探测器18，经第四偏振分光棱镜17透射的透射光束入射至 第五高速光电探测器19，

第二高速光电探测器14、第三高速光电探测器15、第四高速光电探测器18和第五高 速光电探测器19采集的信号分别输出给信号调理模块20的四个信号输入端，信号调理模 块20的反射光束差信号输出端同时与频率测量模块21的输入端和正交鉴相模块22的输 入端相连，信号调理模块20的透射光束差信号输出端同时与频率测量模块21的输入端和 正交鉴相模块22的输入端相连，频率测量模块21的输出端与数字控制器23的第一输入 端相连，正交鉴相模块22的输出端与数字控制器23的第二输入端相连，数字控制器23 的控制温度信号输出端与温度控制模块24的输入端相连，温度控制模块24的输出端与激 光模块26的第一控制端相连，数字控制器23的PZT驱动信号输出端与PZT驱动控制模 块25的输入端相连，PZT驱动控制模块25的输出端与激光模块26的PZT驱动信号控制 端相连，

第五偏振分光棱镜28的透射光束经第三四分之一波片29透射后作为回传激光发射回 测量端，测量端的第四四分之一波片30接收回传激光，并透射至第六偏振分光棱镜31， 透射至第六偏振分光棱镜31的回传激光与第一偏振分光棱镜7反射的参考激光合光后， 再经第二检偏器32透射至第六高速光电探测器33，第六高速光电探测器33的电信号输 出端与相位细分模块34的第二输入端相连，相位细分模块34的输出端与位移计算模块 35的输出端相连。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式二作进一步说明，光学相位延迟器16为波 片相位延迟器、反射式相位延迟镜、液晶相位延迟器或电光移相器。

光学相位延迟器16仅对测量激光进行相位延迟。

以上结合附图对本发明的具体实施方式进行了说明，但是依照法律规定这些说明不会 限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明 权利要求基础上进行的、该领域技术人员能够根据已有知识做出的改动都在本发明的保护 范围内。