片上微腔环校准调频连续波测量系统

摘要

本申请公开了一种片上微腔环校准调频连续波测量系统，利用微腔环中等频率间隔出现的谐振峰作为基准，校准调频连续波测量系统中存在的非线性问题，实现任意距离高精度、快速、大尺寸、无合作和多维的测量；本发明选用的器件均具有片上集成能力，可以实现测量系统片上集成。本申请可兼顾不同环境下的测量需求和优秀的片上集成能力，在航空航天、科学研究、自动驾驶等领域具有广泛的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及三维测量技术，特别涉及一种片上微腔环校准调频连续波测量系统。

背景技术

激光具有单色性、方向性、准直性好的特点，被广泛应用于航空航天、大型装配制造、科学研究和自动驾驶等领域。其中调频连续波测量方案可以实现高精度的绝对测量，调频方式主要分为三角波、锯齿波、正弦波等，正弦波是最容易产生的，但是其解算精度有限；三角波是最常用的，可以同时测量目标的距离和速度。这几种调频方式都存在调频的非线性问题，严重影响测量信号的解调，很多专家学者也提出了多种校准非线性的方案，主要分为引入长光纤重采样、标准气体池校准和法布里-珀罗谐振腔校准方案。其中长光纤重采样方案，测量距离受长光纤的长度限制，且长光纤长度越长，光纤引入的色散误差和波动越大，体积也随之增大，不利于系统集成；标准气体池校准方案，是利用气体池在特定波长处的吸收峰来校准，其吸收峰稳定，但是仅有特定的位置有吸收峰，不能实现宽带调频的校准；法布里-珀罗谐振腔校准方案是利用腔内的等间距的谐振峰来校准调频连续波测量中的非线性，在宽带扫频时也能实现校准，但其体积较大，难以片上集成。为解决调频连续波测量的非线性，实现高精度测量系统片上集成，本发明提出一种片上微腔环校准调频连续波测量系统，利用微腔环等频率间隔的谐振峰校准测量系统的非线性，利用微腔环集成度高的优势实现测量系统片上集成，为下一代片上测量奠定坚实的基础。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种片上微腔环校准调频连续波测量系统，本发明利用微腔环特有的等频率间隔谐振峰来校准调频连续波测量系统中存在的非线性问题，实现高精度全波段的调频校准。系统集成化高，可以实现片上集成。有效解决了传统方法测量精度低，体积大的问题。

本发明所采用的技术方案是：一种片上微腔环校准调频连续波测量系统，其特征在于，包括：调频激光器、掺铒光纤放大器、第一光纤分束器、第二光纤分束器、光纤环形器、准直镜、二维振镜、光纤合束器、被测目标、温度控制器、微腔环、半导体制冷器、第一光电探测器、第二光电探测器、示波器；所述的调频激光器经掺铒光纤放大器后被第一光纤分束器分为两路，一路与第二光纤分束器连接，用于测量；另一路与微腔环连接，产生等频率间隔的谐振峰，由第二光电探测器探测，传入示波器用于测量信号校准；所述的第二光纤分束器将激光分成两路，一路与光纤环形器连接传入准直镜，准直镜出射激光经过二维振镜扫描，实现对被测目标任意位置的测量；另一路与被测目标的回光信号在光纤合束器位置产生拍频信号，由第一光电探测器，传入示波器中；所述的半导体制冷器放置在微腔环下方，并于温度控制器连接，用于控制微腔环的温度。

进一步地，所述的调频激光器在调频的过程中，不可避免的存在调频的非线性，影响最终信号的解调，因此需要对其非线性校准；片上微腔环具有小型化、集成度高，自由光谱范围稳定的优势，调频激光经过微腔环后会产生等频率间隔的谐振峰，用来校准调频连续波测量中的非线性问题；微腔环的谐振峰频率间隔，即自由光谱范围FSR与微腔环本身的直径有关，

其中，c为光速，n为空气折射率，π为圆周率，D为微腔环直径。

进一步地，所述的微腔环谐振峰频率间隔受输入功率和温度影响，因此使用时每次输入的激光功率和半导体制冷器的温度要保持恒定。

进一步地，所述的二维振镜内包含两个镀银的平面反射镜，可以反射全波段的激光，两个反射镜分别固定在水平和垂直两个电机轴上，电机带动镜片转动从而实现激光在三维空间内的扫描。

进一步地，所述的调频激光器出射激光频率存在非线性，表示为：

f(t)＝f

其中，f

其中，I

测量到的相位信息为：

式中，f

由于谐振峰的频率间隔是固定的，因此将式5中的第i+1公式减去第i公式得，

解方程组可得，时间延时τ的平均值为，

时间延时和测量距离之间的转换关系为，

控制二维振镜不断扫描空间中的位置，即可得到一些列空间坐标，从而重建空间三维测量模型。

进一步地，本发明中包含的器件均可实现片上集成，如调频激光器、光纤器件、准直镜、二维振镜、光电探测器和示波器等，为下一代片上测量系统奠定了基础，提供了解决方案。

本发明的有益效果是：本发明一种片上微腔环校准调频连续波测量系统，利用微腔环稳定的谐振峰频率间距，校准调频连续波测量中存在的非线性问题，实现大尺寸、高精度测量；利用二维振镜扫描，将一维测量扩展到三维空间测量；微腔环特有的片上集成能力，为测量系统片上集成奠定了基础。

附图说明

图1：本发明一种片上微腔环校准调频连续波测量系统示意图；

附图标注：

1——调频激光器； 2——掺铒光纤放大器；

3——第一光纤分束器； 4——第二光纤分束器；

5——光纤环形器； 6——准直镜；

7——二维振镜； 8——光纤合束器；

9——被测目标； 10——温度控制器；

11——微腔环； 12——半导体制冷器；

13——第一光电探测器； 14——第二光电探测器；

15——示波器。

图2：第一光电探测器处调频连续波测量信号；

图3：第二光电探测器处微腔环谐振峰测量信号。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如图1所示，一种片上微腔环校准调频连续波测量系统，其特征在于，包括：调频激光器1、掺铒光纤放大器2、第一光纤分束器3、第二光纤分束器4、光纤环形器5、准直镜6、二维振镜7、光纤合束器8、被测目标9、温度控制器10、微腔环11、半导体制冷器12、第一光电探测器13、第二光电探测器14、示波器15；所述的调频激光器1经掺铒光纤放大器2后被第一光纤分束器3分为两路，一路与第二光纤分束器4连接，用于测量；另一路与微腔环11连接，产生等频率间隔的谐振峰，由第二光电探测器14探测，传入示波器15用于测量信号校准；所述的第二光纤分束器将激光分成两路，一路与光纤环形器5连接传入准直镜6，准直镜6出射激光经过二维振镜7扫描，实现对被测目标9任意位置的测量；另一路与被测目标的回光信号在光纤合束器8位置产生拍频信号，由第一光电探测器13，传入示波器15中；所述的半导体制冷器12放置在微腔环11下方，并于温度控制器10连接，用于控制微腔环的温度。

所述的调频激光器1在调频的过程中，不可避免的存在调频的非线性，影响最终信号的解调，因此需要对其非线性校准；片上微腔环11具有小型化、集成度高，自由光谱范围稳定的优势，调频激光经过微腔环11后会产生等频率间隔的谐振峰，用来校准调频连续波测量中的非线性问题；微腔环11的谐振峰频率间隔，即自由光谱范围FSR与微腔环本身的直径有关，

其中，c为光速，n为空气折射率，π为圆周率，D为微腔环直径。

所述的微腔环11谐振峰频率间隔受输入功率和温度影响，因此使用时每次输入的激光功率和半导体制冷器12的温度要保持恒定。

所述的二维振镜7内包含两个镀银的平面反射镜，可以反射全波段的激光，两个反射镜分别固定在水平和垂直两个电机轴上，电机带动镜片转动从而实现激光在三维空间内的扫描。

所述的调频激光器1出射激光频率存在非线性，表示为：

f(t)＝f

其中，f

其中，I

测量到的相位信息为：

式中，f

由于谐振峰的频率间隔是固定的，因此将式5中的第i+1公式减去第i公式得，

解方程组可得，时间延时τ的平均值为，

时间延时和测量距离之间的转换关系为，

控制二维振镜不断扫描空间中的位置，即可得到一些列空间坐标，从而重建空间三维测量模型。

本发明中包含的器件均可实现片上集成，如调频激光器1、光纤器件、准直镜6、二维振镜7、光电探测器和示波器15等，为下一代片上测量系统奠定了基础，提供了解决方案。

综上所示，本发明的一种片上微腔环校准调频连续波测量系统，可以实现片上、大尺寸、高精度的三维测量，体积小，集成度高，在智能装配、自动驾驶、人工智能等领域有广泛的应用前景。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。