双飞秒激光测距系统的测量精度分析
双飞秒激光测距系统的测量精度分析
作者:梁 飞,宋有建 ,师浩森,许立明,贾 威,胡明列,王清月
1 引 言
飞秒激光技术的快速发展,为物理学、化学、生物学和医学等的研究和应用提供了新的有效工具。飞秒脉冲具有光谱范围宽、脉冲宽度窄以及脉冲序列时间稳定性好等特点。飞秒激光测距不仅可以利用时域的周期脉冲实现大尺度范围的飞行时间测距,而且可以利用频域的相干谱线获得高精度的干涉信息,在大尺度、高精度的绝对距离测量中发挥着重要作用_5,2009年,Coddin—gton等使用两台相位锁定的飞秒光梳,在1.5 m范围内实现了5 kHz更新速率下3 Fm 的测距精度;2010年,Lee等人使用平衡互相关技术,利用飞秒脉冲的高时间精度对0.7 km 的距离测量,在1 s的平均时间下测量精度达到7 nrn。国内也开展了许多基于飞秒脉冲测距的研究E9~133,秦鹏等利用平衡光学互相关的方法,实现了52 m大气传输路径1 s平均时间下12 nm 的测量精度;中科院光电研究院使用色散干涉方法,实现了nm量级的分辨力Da。
基于外差法的双飞秒激光测距系统属于脉冲飞行时间测距的一种,其测量精度高、更新速度快,而且可以测量绝对距离、无测量盲区,自提出以来便受到很大重视。测距的更新速率由两台飞秒激光器的重复频率差决定,可以达到×10。Hz。单次测量的测距精度能达到 m 量级,通过多次平均,精度能进一步提高,但是更新速率会相应下降。如何在单次测量不损失更新速率的情况下尽可能地提升测距精度,对于进一步推动该技术的发展和在实际中的应用意义重大。本课题组曾讨论了脉冲时间抖动对测距的影响E147。本文基于双飞秒激光测距系统,综合考虑影响测距精度的各种因素,包括激光器量子噪声、激光器重复频率稳定性以及数据采集和处理等,得出了各因素对测距精度影响的大小和规律,对双飞秒激光测距系统的设计和测距精度的提升具有重要的意义。
2 双飞秒激光测距系统
基于外差法的双飞秒激光测距系统,使用两台独立、自由运转的光纤飞秒激光器,实验装置如图1所示。其中~ 台重复频率, 为i00 MHz的激光器作探针光源,另一台重复频率 一△厂r等于100MHz一2 kHz的激光器作本地振荡光源。两台激光器产生的脉冲序列,首先经过劈尖分光分别用作激光器重频探测和数字化仪的外部采样时钟。探针光源随后进入两臂不相等的迈克尔逊干涉仪,分别到达参考平面和目标平面并返回后与本地振荡脉冲一同进入互相关系统。当探针脉冲与本地振荡脉冲重合时,通过PPKTP倍频晶体后便可以得到强度互相关信号。二极管输出的强度互相关信号通过50MHz低通滤波器(LPF)后输入数字化仪,经数字化仪采样并由计算机处理后便得到待测距离E15,16]。图1中,HWP为1/2波片,QWP为1/4波片,PBS为偏振分束镜,BPF为100 MHz带通滤波器。
通过测量相邻参考信号Refl和Ref2之问的时间间隔,可以不锁定两台激光器的重复频率差,根据参考一目标信号的时间间隔与参考_参考信号时间间隔的比值,再结合光速、折射率和激光器的重复频率等数据即可得到所测距离。
3 距离测量中的精度分析
3.1 激光器量子噪声的影响
由于增益介质中存在的自发辐射噪声、泵的不稳定性等因素的影响,飞秒激光器输出的脉冲在时间上并不是严格等间距的,而是存在一定的时间抖动 。通常情况下,脉冲间的抖动相对于光电探测二极管ns级的响应时间很小,所以对于许多传统的基于脉冲飞行时间的测距系统可以忽略。但是在基于外差法的双飞秒激光测距系统中,等效采样过程将脉冲等效展宽、提高脉冲时间分辨率的同时,也将激光器脉冲的时间抖动放大了N—fr/Af 倍。而且在相邻等效采样信号出现的时间间隔内,激光器抖动也不断积累,二者的共同作用将对测距结果产生很大影响。在相邻等效采样信号出现的时间间隔内,脉冲的时间抖动不断积累,积累数量与待测距离有关。
3.2 激光器重频稳定性和数据采集与处理的影响
在双飞秒激光测距系统中,影响测距精度的另一个重要的因素是激光器的重复频率。由于受到环境中振动、温度等影响,在不锁定激光器腔长的情况下重复频率会缓慢漂移。为了尽量减小重频漂移的影响,实验中使用频率计数器(Agilent,FrequencyCounter 5322OA)测量激光器重复频率值。频率计数器的更新速率由门时间决定并且远低于双飞秒激光测距系统的更新速率,因此在不同门时间下的重复频率稳定度将对测距结果产生影响。实验中得到的不同门时间下激光器重复频率的不确定度,由于未锁定激光器的重复频率,因此随着门时间的增大不确定度也相应增大。计数器的门时间设置为0.1 S时,重频的标准差23.7 mHz对应不确定度2.37×1O 。,在单倍测距量程1.5 m范围内对测距结果的影响不足1 nm,基本可以忽略。
但是当激光器本身的重频稳定度不是很高或者计数器的门时间较大并且需要测量较长的绝对距离时,将对测距结果产生很大影响。二极管输出的等效采样信号首先经过50 MHz的LPF滤除重频分量,然后经高速数字化仪采集后被计算机处理。采集的过程是一个将模拟数据量化的过程,由于采样速率、采样位数和采样时钟等因素的影响,将在采集的过程中引入一定的误差,使信号的信噪比(SNR)下降_2 ;对采集到的信号进行高斯拟合得到信号中心的过程中也会引入误差。图2给出了数字化仪以100 MS/s采样率采集到的等效采样信号,信号脉冲宽度约为70 ms,信号幅值为1.5V,SNR为45 dB。在此信号特性的基础上,分别模拟信号sNR为40~50 dB、采样率为5O~250 MHz的采样结果,然后使用高斯拟合并寻找信号的峰值,多次模拟从而得到测距结果的RMS。图8是不同SNR下不同采样率对应的测距结果RMS值。可以看出,一方面,采样率越高得到的有效采样点数越多,拟合误差越小,测距精度越高;另一方面,在相同采样率下SNR越高拟合误差越小,得到测距精度越高。在双飞秒激光测距系统中,使用本地振荡激光器的脉冲序列作为数字化仪的外部采样时钟,可以保证光学采样和电学采集同步发生,以最大程度减小误差。脉冲间的fs量级的时间抖动可以忽略,但是由于光电探测二极管有一定的非线性效应以及二极管电路噪声的影响,将会导致输出信号存在亚ps的时钟抖动。
3.3 影响测距精度因素的综合分析
通过以上对影响激光器测距精度因素的分析,可以得到不同因素对测距精度影响的综合对比图。典型激光器的量子噪声经过放大和积累之后,对测距精度会产生最大约15 m的影响,并且在单倍测距量程内呈现出始末小中间大的规律;计数器门时间为0.1 S时重频稳定性对测距精度的影响约为1O-1。×L,当待测距离L较小时影响很小,但是随着L的增加其影响不断变大;等效采样信号SNR为45 dB、数字化仪采样率为100 MS/s时,数据采集和处理过程引入的测距误差约为400 nm,并且不随L的增加而改变。
4 结 论
从激光器的量子噪声、重复频率稳定性以及数据采集和处理等因素会影响双飞秒激光测距系统精度。对于激光器的量子噪声,实际应用中可以选择量子噪声较小的呼吸孤子锁模激光器作为测距光源;在某些应用中,可以根据待测距离设计激光器的腔长,以充分利用单倍测距范围内始末位置精度较高的特点。激光器重复频率稳定性的影响在待测距离较小时基本可以忽略,当待测距离较大时可以通过减小频率计数器门时间减小其影响。通过提高数据采集设备的采样率和采样位数可以减小数据拟合带来的误差,但同时要考虑存储和计算速度等的影响,因此提高测距信号的SNR不失为一种更好的选择,在应用中可以通过提高信号强度、使用高灵敏度低噪声的光电探测二极管并使用屏蔽性能较好的传输线尽可能地提高SNR。另外,还讨论了数据采集时钟抖动的影响。通过对影响双飞秒激光测距系统精度各因素的分析,可为进一步的研究和应用提供技术支持和参考。
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