一种基于光梳的高精度激光光谱测距方法与流程

1.本发明涉及激光测距技术领域，具体涉及一种基于光梳的高精度激光光谱测距方法。


背景技术：

2.激光测距是激光雷达与遥感的一个重要方向，为测绘学、地理学等基础学科研究提供了不可缺少的技术工具，因此具有重要的应用价值。激光测距技术是一种主动式测量方法，其原理是向目标物体发射脉冲模式或连续模式的光信号，通过检测物体反射光的飞行时间或相位差，实现对目标距离的测定。激光具有方向性好、时间/空间相干度高、能量集中等优势，从而在应用中能够弥补微波测距技术在测量精度和空间指向性等方面的不足。
3.目前，激光测距的方法繁多。根据测量原理的不同，可以分为脉冲飞行时间法测距、光的干涉法测距、几何三角法测距以及相位法测距等。脉冲飞行时间测距是目前应用最为广泛的测距方法之一，该方法的原理是通过测量脉冲在激光发射端和目标之间的往返时间t，结合光在空气中的传播速度v，计算得到待测目标的距离d＝v
×
t/2。由于光在空气中沿直线传播，传播速度接近真空光速(300000km/s)，因此脉冲飞行时间测距法的更新速率极高。但是由于光电探测器响应时间的限制，脉冲飞行时间的测量分辨率较低，精度有限，因此常用于大距离、低精度的测距应用。
4.激光干涉测距法，基于迈克尔逊干涉原理，测量目标距离引入的光场相位差反演出光程距离的改变量该方法主要针对相对距离或是增量式位移的测量，测量精度可以达到亚波长量级，甚至是纳米量级。由于测距过程跟激光干涉条纹的计数n紧密相关，因此测量过程中不能中断，这就使得此种方法在测距动态范围以及绝对距离测量等方面存在严重的局限性。
5.光学频率梳(简称光梳)为激光测距提供了一种全新的相干光源。光频梳在时域周期性地输出超短脉冲，在频域上同时产生了数百万的纵模模式。利用两台重复频率不同的光梳(fr和fr δf)，分别作为探测光和本振光，可以实现所谓的双光梳激光测距方法。该方法中，探测光经目标物反射后被接收，期间飞行时间为t；被接收后的探测光，与本振光在一个光电探测器上进行光外差拍频，拍频信号经过傅里叶变化后可以得到探测光与本振光之间的相位差利用公式d＝v
×
t/2≈n
×
λ(n取整数)，可以快速粗算出n；再根据公式即可精确测量目标距离。因此，双光梳测距中不需要对光的干涉条纹进行累加计数，便可计算得到目标距离。以探测光发射端的物理位置为零距离参考点，可以得到d＝δd，即绝对距离的测量。因此，双光梳测距法结合了飞行时间法和激光干涉测距法的优势，可以对绝对距离进行高精度的快速测量。该方法在实验室条件下的测距精度可达nm/m，即10-9
的量级。
6.然而，本技术的发明人经过研究发现，在室外测距应用中，由于大气环境因素如温度、压强、湿度等的变化，导致空气折射率(n0)的不定，从而影响光在空气中的传播速度v＝
c/n0的估算，致使测距精度受限。例如，环境温度抖动与压强变化对大气折射率的影响在10-6
的量级，导致温度抖动对测距的影响为1μm/(m
·
℃)，压强抖动对测量距离的影响为2.6μm/(m
·
kpa)；大气湿度对测距的影响较小。因此，一般情况下，大气环境中的测距精度局限于10-7
量级。总之，大气环境下，提高测距精度的关键之一是在测距的同时实现对光路径中空气折射率的精确计算。
7.目前，激光测距与激光测谱主要采用独立不同的系统，尚无同时能够满足高精度测距与高分辨测谱的测量方法与光学系统。


技术实现要素：

8.针对现有室外测距应用中，由于大气环境因素变化导致空气折射率不定，从而影响光在空气中的传播速度估算，致使测距精度受限的技术问题，本发明提供一种基于光梳的高精度激光光谱测距方法，所述方法的特点在于能够同时测量脉冲飞行时间和大气吸收光谱，并即时修正大气折射率，避免了大气环境变化引入的即时折射率不确定性及其对测距精度的限制，因此可以实现大气环境下的高精度激光测距。
9.为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
10.一种基于光梳的高精度激光光谱测距方法，在该方法中采用了一种基于光梳的高精度激光光谱测距系统，所述基于光梳的高精度激光光谱测距系统包括探测光梳光源、本振光梳光源、环形器、输出耦合器、镀膜参考镜片、目标物、分束器、平衡探测器、低通电子滤波器、超低噪声放大器、数据采集卡和电脑，所述探测光梳光源和本振光梳光源处于近红外波段，重复频率不同而具有相同的光谱覆盖范围和中心波长，且光谱波段在水分子的近红外吸收峰处，所述探测光梳光源的输出光经过环形器，由输出耦合器输出到空间通过镀膜参考镜片被分为两束，一束光为参考脉冲直接被镀膜参考镜片反射，另一束光为目标脉冲透过镀膜参考镜片经过目标距离后被目标物反射，反射光沿原路返回，反射的参考脉冲和目标脉冲先后通过环形器后，与所述本振光梳光源的输出光在分束器进行合束，所述分束器输出比率为1：1的两路输出分别接入平衡探测器的正负输入端，所述平衡探测器输出双光梳干涉信号即参考和目标两个干涉信号，并经过低通电子滤波器滤去背景与高频噪声，通过所述超低噪声放大器放大后由数据采集卡记录，再由所述电脑进行数据与信号处理；
11.该方法包括如下步骤：
12.s1、利用双光梳法测量目标脉冲飞行时间δt，所述目标脉冲飞行时间δt与参考和目标两个干涉信号之间的时间间隔δt的关系为：
[0013][0014]
式中，定义为双光梳转换因子，fr为探测光梳光源的重复频率f
r1
，δfr为两台光梳光源的重复频率差f
r2-f
r1
，f
r2
为本振光梳光源的重复频率；
[0015]
s2、对双光梳干涉信号数据进行傅立叶变换，获取光谱信息：
[0016]
对参考脉冲与本振脉冲干涉信号进行快速傅立叶变换，得到傅立叶光谱，作为参
考的光谱背景；
[0017]
对目标脉冲与本振脉冲干涉信号进行快速傅立叶变换，得到经过目标距离后的信号光谱，信号光谱中会出现由于空气中水分子吸收作用的凹陷吸收峰；
[0018]
s3、对信号光谱进行归一化处理和吸收峰拟合：
[0019]
将信号光谱除以光谱背景再乘以100％，即可获得归一化的吸收光谱图；
[0020]
在归一化光谱中，截取一个或多个水分子吸收峰，采用voigt函数进行单峰或多峰拟合，拟合后得到水分子吸收峰的多普勒线宽δvd和谱线中心频率v0，拟合公式如下：
[0021][0022][0023][0024]
式中，α和w为自由变量并作为拟合结果输出，y为各分变量，δvc为水分子的气压加宽线宽，v为探测光频率；
[0025]
s4、通过吸收光谱计算光路径中的大气温度t和气体压力p：
[0026]
多普勒线宽δvd与大气温度t的关系如下：
[0027][0028]
式中，m为分子的摩尔质量，为常数；
[0029]
所述气体压力p采用如下公式计算：
[0030]
δvs＝v
0-v'0＝p∑xaδa[0031]
δa＝δa(t0)(t0/t)
m'
[0032]
式中，δvs为吸收光谱的中心频率在气压作用下产生压力频移的偏移量，xa为摩尔分数，v'0为标准光谱数据库hitran中气体在t0温度下对应的吸收峰谱线的中心频率，δa(t0)表示t0温度下压力引入的频移系数；m'为常数，可通过对已知温度和气压的标准气样进行测量后获得；
[0033]
s5、利用所得的大气温度t和气体压力p，对光路径中的空气折射率进行修正，得到修正后的空气折射率n
0-tp
如下：
[0034][0035]
式中，大气温度t的单位为℃，气体压力p的单位为pa，n0为一个标准大气压下常温干燥空气的折射率，且为已知量；
[0036]
s6、根据修正后的空气折射率n
0-tp
，采用下式计算目标距离d：
[0037][0038]
式中，c为真空光速，为空气中光的传播速度。
[0039]
进一步，所述探测光梳光源和本振光梳光源的重复频率差δfr为0.1khz～1mhz。
[0040]
进一步，所述探测光梳光源和本振光梳光源的中心波长为1.36μm，光谱宽度为100nm。
[0041]
进一步，所述探测光梳光源的输出光经过光纤与环形器连接。
[0042]
进一步，所述镀膜参考镜片将1％的光信号直接反射，将99％的光信号透过。
[0043]
进一步，所述步骤s1中双光梳转换因子为10000。
[0044]
本发明提供的基于光梳的高精度激光光谱测距方法，采用两台波长位于水分子吸收谱段的光梳作为测距光源，通过双光梳光外差拍频，测量光脉冲飞行时间δt，同时利用傅里变化测量双光梳光谱，通过对水分子特征峰的拟合，获取光路径中大气温度和气体压力，利用大气温度和气体压力修正大气折射率n0，根据公式d＝1/2
×
δt
×
c/n0(c为真空光速即300000km/s)，实现对目标物真实距离d的精确测量。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0045]
1、将测距与光谱测量两种技术相结合，通过分子谱线信息，修正大气折射率，克服了大气环境扰动引起的折射率变化对测距精度的限制，可以用于实现远程、无接触式的高精度激光测距。
[0046]
2、本发明对同一组激光测量数据，分别在时间域与频率域进行分析，既获得了脉冲飞行时间，又获得了水分子吸收光谱信息，并用于大气折射率的修正，因此可以有效避免独立的测距与测谱系统引入的系统误差，克服了传统方案无法同时实现测距与测谱的困境。
[0047]
3、传统的高分辨光谱技术主要采用连续激光器扫频的方式实现光谱测量，此时激光器为连续工作模式，因此缺失了飞行时间测量功能，难以实现远距离测距；而传统的脉冲飞行时间测距方法主要采用了短脉冲激光，由于受到时频傅里叶关系的限制，该光源光谱分辨率低(正比于脉冲时间宽度的倒数)，因此难以分辨气体分子的吸收峰以及气压、温度变化引入的微小频移与谱线加宽。本发明采用了双光梳测量方法，利用光梳的时频高分辨特性，既能够实现飞秒量级的高时间分辨率，又能够同时实现兆赫兹量级的高光谱分辨率，因而有效克服了传统技术测谱与测距分辨率低的问题。
[0048]
4、本利用双光梳法，同时进行脉冲飞行时间测距与分子光谱测量，通过对水分子吸收峰的光谱分析，获取路径中大气环境温度和气压信息，并对大气折射率进行了修正，因而能提高脉冲飞行时间的测量精度。其中，光梳测量光谱的谱分辨率可达梳齿线宽量级(即khz)，温度和气压变化引起的吸收峰频移和谱线增宽在mhz量级，因此可以通过基于双光梳的光谱测量方法，实现对温度和气压精确且实时的测量。
附图说明
[0049]
图1是本发明提供的基于光梳的高精度激光光谱测距系统结构示意图。
[0050]
图2是本发明提供的通过傅里叶变换获取光谱信息的原理图。
[0051]
图3是本发明提供的对信号光谱进行归一化处理的原理图。
[0052]
图中，1、探测光梳光源；2、本振光梳光源；3、环形器；4、输出耦合器；5、镀膜参考镜片；6、目标物；7、分束器；8、平衡探测器；9、低通电子滤波器；10、超低噪声放大器；11、数据采集卡；12、电脑。
具体实施方式
[0053]
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
[0054]
请参考图1至图3所示，本发明提供一种基于光梳的高精度激光光谱测距方法，在该方法中采用了一种基于光梳的高精度激光光谱测距系统，所述基于光梳的高精度激光光谱测距系统包括探测光梳光源1、本振光梳光源2、环形器3、输出耦合器4、镀膜参考镜片5、目标物6、分束器7、平衡探测器8、低通电子滤波器9、超低噪声放大器10、数据采集卡11和电脑12，所述探测光梳光源1和本振光梳光源2处于近红外波段，重复频率不同而具有相同的光谱覆盖范围和中心波长(即中心频率或载波包络相位零频相同)，且光谱波段在水分子的近红外吸收峰处(即在水分子的近红外吸收谱范围内)，该波段为水分子的近红外特征峰谱段，且吸收系数较中远红外或紫外波段低，因而可以在长距离中传输，避免吸收峰的饱和，所述探测光梳光源1的输出光经过环形器3，由输出耦合器4输出到空间通过镀膜参考镜片5被分为两束，一束光为参考脉冲直接被镀膜参考镜片5反射，另一束光为目标脉冲透过镀膜参考镜片5经过目标距离d后被目标物6反射，即探测光梳光源1的输出光通过镀膜参考镜片5分为参考脉冲与目标脉冲，目标脉冲通过由镀膜参考镜片5与目标物6定义的空间距离d后返回，而参考脉冲则不经过空间距离d，反射光沿原路返回，反射的参考脉冲和目标脉冲先后通过环形器3后，与所述本振光梳光源2的输出光在分束器7进行合束，所述分束器7输出比率为1：1的两路输出分别接入平衡探测器8的正负输入端，所述平衡探测器8的作用一方面是将光信号转换为电信号，另一方面是对正负输入端信号进行差分(即两路信号相减)，以消除两路信号中的共模噪声(两路信号共有的噪声)，所述平衡探测器8输出双光梳干涉信号即参考和目标两个干涉信号，并经过低通电子滤波器9滤去背景与高频噪声，通过所述超低噪声放大器10放大后由数据采集卡11记录，再由所述电脑12进行数据与信号处理。
[0055]
该方法包括如下步骤：
[0056]
s1、利用双光梳法测量目标脉冲飞行时间δt：
[0057]
具体地，所述参考脉冲与本振光梳光源2输出的本振脉冲在分束器7上空间重合后，被平衡探测器8接收探产生参考干涉信号(干涉条纹)；相同原理，所述目标脉冲与本振光梳光源2输出的本振脉冲在分束器7上空间重合后，被平衡探测器8接收探产生目标干涉信号(干涉条纹)，即所述本振光梳光源2发出的本振光脉冲在平衡探测器8上与参考脉冲以及返回的目标脉冲分别发生干涉，形成两个延时为δt的干涉包络或干涉条纹，如图2中iii轴所示。参考脉冲与目标脉冲的延时即目标脉冲在镀膜参考镜片5与目标物6之间的飞行时间为δt，由于目标距离d的光系为d＝1/2
×
δt
×
c/n0(c为真空光速)，此时平衡探测器8上的两个干涉条纹之间的时间间隔δt与目标脉冲飞行时间δt的关系为：
[0058][0059]
式中，定义为双光梳转换因子，fr为探测光梳光源的重复频率f
r1
，δfr为两台光梳光源的重复频率差f
r2-f
r1
，f
r2
为本振光梳光源的重复频率；δt可以由数据采集卡11直接测量可知，由此可以测出待测值δt。
[0060]
普通脉冲飞行时间测距方法是对反射光脉冲的直接探测，测量时间分辨率和精度都受到了光电探测器响应时间(约10ps～1ns)的限制。利用双光梳法测量脉冲飞行时间δt的优势在于，根据公式1，该方法将光电探测器响应时间除以了一个双光梳转换因子作为优选实施例，所述双光梳转换因子为10000，从而可以实现亚百飞秒(1fs＝10-15
s)量级的时间测量精度。
[0061]
同时，双光梳法测距的合成非模糊距离为在应用中可以达到10km数量级的距离测量，因而可以实现较远程的距离测量。此外，双光梳法在测距时，可以提供兆赫兹量级的测量速率，其数据的更新率为两台光梳光源的重复频率差即δfr。因此，其测量时间可以小于0.01s，故而可以实现实时测距。
[0062]
s2、对双光梳干涉信号数据进行傅立叶变换，获取光谱信息：
[0063]
如图2中iii轴所示，对参考脉冲与本振脉冲干涉信号进行快速傅立叶变换(fft)，得到傅立叶光谱，作为参考的光谱背景，如图3中i轴所示；
[0064]
同理，对目标脉冲与本振脉冲干涉信号进行快速傅立叶变换，得到经过目标距离d后的信号光谱，如图3中ii轴所示，由于空气中水分子的吸收作用，信号光谱中将会出现凹陷的吸收峰。
[0065]
s3、对信号光谱进行归一化处理和吸收峰拟合：
[0066]
如图3所示，将信号光谱数据除以光谱背景曲线再乘以100％，即可获得归一化的吸收光谱图，其纵坐标表示透射率，从0到100％，横坐标为光学频率f，与波长λ的关系为
[0067]
在归一化光谱中，截取一个或多个水分子吸收峰，通常大气环境下分子吸收峰为voigt线形，因此采用voigt函数进行单峰或多峰拟合，拟合后得到水分子吸收峰的多普勒线宽δvd和谱线中心频率v0，拟合公式如下：
[0068]
[0069][0070][0071]
式中，拟合过程中参数α和w为自由变量并作为拟合结果输出，y为积分变量，δvc为水分子的气压加宽线宽，v为探测光频率，因此通过谱线拟合，可以获得谱线中心频率v0以及分子多普勒线宽δvd的拟合值。需要说明的是，这里不需要知道光程信息(即目标距离d)，吸收峰的多普勒线宽δvd与温度t和吸收峰的中心频率v0有关，而v0则主要受到气压的影响。
[0072]
s4、通过吸收光谱计算光路径中的大气温度t和气体压力p：
[0073]
1)、计算气体所在环境的大气温度t
[0074]
多普勒线宽δvd与大气温度t的关系如下：
[0075][0076]
式中，m为分子的摩尔质量，为常数；可见δvd主要与大气温度t有关，因此可以计算得到气体所在环境的大气温度t。
[0077]
2)、计算目标环境中的气体压力p
[0078]
吸收谱线的中心频率会在气压的作用下产生频移即压力频移，偏移量δvs可以通过光谱谱线中心频率的拟合值v0与标准光谱数据库hitran中的标准值v'0，进行对比确定；因此，所述气体压力p采用如下公式计算：
[0079]
δvs＝v
0-v'0＝p∑xaδaꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(公式6)
[0080]
δa＝δa(t0)(t0/t)
m'
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(公式7)
[0081]
式中，δvs为吸收光谱的中心频率在气压作用下产生压力频移的偏移量，xa为摩尔分数，v'0为标准光谱数据库hitran中气体在t0(300k)温度下对应的吸收峰谱线的中心频率，δa(t0)表示t0温度下压力引入的频移系数，δa(t0)＝-0.017cm-1
/atm；m'为常数，可通过对已知温度和气压的标准气样进行测量后获得，对于水分子(h2o)的近红外吸收峰，在t0＝300k的条件下，m'＝0.96。
[0082]
s5、利用所得的大气温度t和气体压力p，对光路径中的空气折射率进行修正：
[0083]
在一般情况下，相对湿度和二氧化碳含量的变化对大气折射度的影响非常小，而大气压强和大气温度的变化对其影响相对较大。因此在测量中，可以忽略相对湿度和二氧化碳含量对大气折射率的影响，仅考虑大气压强和大气温度对其影响。根据edl
é
n空气折射率修正公式可知，经过气体压力p和大气温度t修正后的空气折射率n
0-tp
如下：
[0084][0085]
式中，大气温度t的单位为℃，气体压力p的单位为pa，n0为一个标准大气压下常温干燥空气的折射率，且为已知量。例如，在波长为1.36μm处，n0＝1.000273，空气折射率数值
大概在3
×
10-4
内变化，而公式8修正的空气折射率的精度在10-9
，因此本测距方法极大提升了所测量空气折射率的准确性。
[0086]
s6、根据修正后的空气折射率n
0-tp
，计算目标距离d：
[0087]
根据脉冲飞行时间δt和空气中光的传播速度采用下式可以计算得到目标距离d：
[0088][0089]
式中，c为真空光速，为空气中光的传播速度。
[0090]
本测距方法的测距精度可达nm/m即10-9
的量级，相较于传统测距方法的精度(10-7
的量级)，提升了两个数量级，因而在测距精度方面具有优势。
[0091]
作为具体实施例，所述探测光梳光源1和本振光梳光源2的重复频率差δfr为0.1khz～1mhz，由此可以具备高的数据更新率，因为数据更新率小于或等于两光梳的重复频率差。作为一种具体实施方式，大气环境下水分子近红外吸收峰的线宽在ghz(1ghz＝1000mhz)量级，光梳的重复频率应小于被测吸收峰的线宽，因此将所述探测光梳光源1的重复频率f
r1
选为100mhz，所述本振光梳光源2的重复频率f
r2
选为100mhz 100hz，因而两台光梳光源的重复频率差δfr为100hz。
[0092]
作为具体实施例，所述探测光梳光源1和本振光梳光源2的中心波长为1.36μm，光谱宽度为100nm，由此覆盖了水分子的整个1.36μm吸收谱带，即光梳的光谱应覆盖水分子的近红吸收峰。当然，本领域技术人员在此实施例的基础上，也可以将探测光梳光源1和本振光梳光源2的中心波长设为1.85μm，即1.85μm和1.36μm附近波段均为水分子的近红外特征峰谱段，吸收系数较中远红外或紫外波段低，利于长距离传输。
[0093]
作为具体实施例，所述探测光梳光源1的输出光经过光纤与环形器3连接，由此可以避免使用空间光路，降低系统的复杂性，提高集成度。
[0094]
作为具体实施例，所述镀膜参考镜片5将1％的光信号直接反射，将99％的光信号透过，1％反射的光形成参考光，99％透过的光形成目标光，由此可以提高对光信号的利用率，因为目标光将被用于目标探测，其功率损耗大于参考光。
[0095]
本发明提供的基于光梳的高精度激光光谱测距方法，采用两台波长位于水分子吸收谱段的光梳作为测距光源，通过双光梳光外差拍频，测量光脉冲飞行时间δt，同时利用傅里变化测量双光梳光谱，通过对水分子特征峰的拟合，获取光路径中大气温度和气体压力，利用大气温度和气体压力修正大气折射率n0，根据公式d＝1/2
×
δt
×
c/n0(c为真空光速即300000km/s)，实现对目标物真实距离d的精确测量。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0096]
1、将测距与光谱测量两种技术相结合，通过分子谱线信息，修正大气折射率，克服了大气环境扰动引起的折射率变化对测距精度的限制，可以用于实现远程、无接触式的高精度激光测距。
[0097]
2、本发明对同一组激光测量数据，分别在时间域与频率域进行分析，既获得了脉
冲飞行时间，又获得了水分子吸收光谱信息，并用于大气折射率的修正，因此可以有效避免独立的测距与测谱系统引入的系统误差，克服了传统方案无法同时实现测距与测谱的困境。
[0098]
3、传统的高分辨光谱技术主要采用连续激光器扫频的方式实现光谱测量，此时激光器为连续工作模式，因此缺失了飞行时间测量功能，难以实现远距离测距；而传统的脉冲飞行时间测距方法主要采用了短脉冲激光，由于受到时频傅里叶关系的限制，该光源光谱分辨率低(正比于脉冲时间宽度的倒数)，因此难以分辨气体分子的吸收峰以及气压、温度变化引入的微小频移与谱线加宽。本发明采用了双光梳测量方法，利用光梳的时频高分辨特性，既能够实现飞秒量级的高时间分辨率，又能够同时实现兆赫兹量级的高光谱分辨率，因而有效克服了传统技术测谱与测距分辨率低的问题。
[0099]
4、本利用双光梳法，同时进行脉冲飞行时间测距与分子光谱测量，通过对水分子吸收峰的光谱分析，获取路径中大气环境温度和气压信息，并对大气折射率进行了修正，因而能提高脉冲飞行时间的测量精度。其中，光梳测量光谱的谱分辨率可达梳齿线宽量级(即khz)，温度和气压变化引起的吸收峰频移和谱线增宽在mhz量级，因此可以通过基于双光梳的光谱测量方法，实现对温度和气压精确且实时的测量。
[0100]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。