使用2×2高速磁光开关交替起振光电振荡器的绝对距离测量技术
大量程、高精度的绝对距离测量在工业制造、科学研究、航空航天等领域发挥了重要的作用, 如大型零件的装配、星间测距等. 传统的绝对距离测量方法分为飞行时间法和干涉法.在大量程高精度的绝对距离测量方面, 光电振荡器(optoelectronic oscillator, OEO) 方案就采用了积累放大原理: 其基本测量原理是将待测距离作为OEO 腔长的一部分, 利用其振荡频率和腔长的变化关系来获得长度信息; 振荡器工作在高阶谐波振荡条件下, 实现积累放大; 光电振荡器的腔长一般在km 量级, 可以实现大量程的高精度距离测量.
本方法的主要思路是: 通过高速磁光开关实现测量/参考OEO 间的切换, 实现二者交替起振, 此时除了被测长度外的两个振荡环路完全一致. 当切换速度足够快时, 可认为两个腔的共用部分是时不变的. 通过频率计依次记录测量/参考光电振荡器的振荡频率计算出测量/参考环的长度. 测量的两个环的长度差即为待测距离. 此外, 本方案还通过切换微波开关实现高阶/低阶振荡模式的切换以进行腔长的粗测.
本方案由于每次距离测量都重新测量参考OEO 的腔长, 因此不需要考虑由于测量/参考OEO 的慢漂带来的误差积累, 所以参考OEO 的腔长也不需要控制, 从而简化了系统. 文中对此方案进行了理论分析和实验验证. 实验结果显示在等效6 km 的空间往返光路上, 相对测量精度达到5.8 × 10–10.
基于交替起振光电振荡器的绝对距离测量系统框图如图1 所示. 激光器、强度调制器、光开关、长光纤、光电探测器、放大器、微波开关、滤波器、电耦合器等构成了基本光电谐振腔. 其中, 激光器波长为1550 nm, 输出功率100 mW; 强度调制器的带宽为20 GHz; 光开关是2 × 2 高速磁光开关,切换速度为30 μs, 在实验中用于两个振荡环的切换; 光延时线的量程为330 ps, 最小步进为0.3 μm, 主要用于模拟待测距离变化, 验证测量精度; 长光纤为5 km普通单模光纤; 光电探测器的带宽为30 GHz; 微波开关为DC-20 GHz 单刀双掷微波开关, 用于改变振荡器的振荡频率; 带通滤波器的中心频率为9.9 GHz, 带宽10 MHz; 低通滤波器带宽为100 MHz;微波移相器为机械式微波移相器; 40 kHz—38 GHz宽带的微波放大器(SHF 806E) 用于放大高频和低频信号. 光延时线置于光开关IN2 端口和OUT2端口之间作为待测距离. 当磁光开关处于交叉状态时, 光延时线接入OEO 环路, 与其他部分构成测量环, 定义为OEO1, 如图1(a) 所示; 当磁光开关处于平行状态时, 构成参考环, 定义为OEO2, 如图1(b)所示. 通过切换光开关可以实现OEO1 与OEO2间的切换. 带通滤波器置于电耦合器1 的A 端口和微波开关的A 端口, 低通滤波器和移相器置于电耦合器1 的B 端口和微波开关的B 端口. 通过微波开关在A, B 端口切换可以实现高阶模式和低阶模式起振频率的切换.
图a
图b
图1 基于交替起振光电振荡器绝对距离测量的基本结构 (a) 光开关处于交叉状态, 测量环振荡; (b) 光开关处于平行状态, 参考环振荡
本文来源:谢田元,王菊,王子雄,等.基于交替起振光电振荡器的大量程高精度绝对距离测量技术[J].物理学报, 2019.
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