專利名稱：一種基于四通道探測技術(shù)的弱光鎖相星間位移測量方法及實現(xiàn)該方法的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于四通道探測技術(shù)的弱光鎖相星間位移測量方法及實現(xiàn)該方法的裝置，屬于光學領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
從發(fā)射地球衛(wèi)星到成功登月，從探索外星生命到進行空間引力波探測，人類向太空的探索永未停歇。在這個過程中，用于監(jiān)測飛行器運動狀態(tài)的星間位移測量技術(shù)得到了極大的發(fā)展。通過采用激光外差干涉測量方法，在保證微米甚至納米級精度的前提下，其探測距離已經(jīng)擴展到幾百萬公里。在探測距離如此遠的情況下，傳統(tǒng)位移與距離測量所使用的目標端被動反射測量激光的方法已經(jīng)不再適用，測量激光在兩倍探測距離下光束的發(fā)散將導致激光功率大幅度衰減而無法探測。針對這一問題，研究人員提出了在目標端設(shè)置回傳激光器，控制回傳激光對入射激光進行頻率相位鎖定來實現(xiàn)對入射測量激光放大回傳的方法。2000年美國國家航空航天局(NASA)噴氣動力實驗室(Jet Propulsion Laboratory)的 Muthu Jeganathan 禾口 Serge Dubovitsky等人利用上述方法進行了相關(guān)實驗，其使用激光偏頻鎖定裝置(LOLA)實現(xiàn)了目標端1.319 μ m波長回傳激光對發(fā)射端激光50MHz的頻率鎖定。其通過在目標端設(shè)置壓電陶瓷微位移平臺控制反射鏡位置，驗證了測量系統(tǒng)的測量分辨率在350nm位移范圍內(nèi)達到2.6歷。經(jīng)過實驗與分析，Muthu Jeganathan等人提出利用該方法實現(xiàn)遠距離位移測量的關(guān)鍵在于保證目標端回傳激光對測量端發(fā)射激光頻率相位的精確鎖定跟蹤。20世紀90年代初期，光學鎖相技術(shù)在電學領(lǐng)域的鎖相環(huán)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展成型，由于能夠?qū)崿F(xiàn)對激光頻率相位的鎖定跟蹤，其一經(jīng)出現(xiàn)便受到研究人員的廣泛關(guān)注。光學鎖相環(huán)根據(jù)產(chǎn)生反饋控制信號的不同可以分為零差式光學鎖相環(huán)和外差式光學鎖相環(huán)。其中，零差式光學鎖相環(huán)直接提取出回傳激光與入射激光的相位差值，并以此為反饋信號對回傳激光進行控制，最終實現(xiàn)回傳激光與入射激光頻率一致的鎖相跟蹤。外差式光學鎖相環(huán)則將回傳激光與入射激光混頻信號的頻率與本地振蕩器的參考頻率進行比較，以產(chǎn)生的頻率偏差信號反饋控制回傳激光，最終實現(xiàn)回傳激光與入射激光頻率差值恒定為本地振蕩器的參考頻率。目前，光學鎖相技術(shù)已經(jīng)在空間引力波探測這一國內(nèi)外熱點研究課題中得到了應用?？臻g引力波探測需要對多個超遠距離、特定軌道的航天器進行實時的間距與位置測量， 航天器間距離通常為數(shù)百萬公里。因此對測量激光的弱光鎖相成為保證在如此遠的探測距離下進行位移精密測量的關(guān)鍵技術(shù)?，F(xiàn)有的空間引力波探測計劃有空間激光干涉天線計劃 (LISA)和激光天文動力學空間計劃(ASTROD)。其中，空間激光干涉天線計劃(LISA)由美國國家航天局(NASA)和歐洲空間局(ESA)合作進行研究，該項目需要對兩顆距離遠達500 萬公里航天器的間距進行精密測量，其選取外差式光學鎖相回路以實現(xiàn)弱光回傳。該計劃采用兩支1064nm的Nd: YAG激光器作為光源，對其實現(xiàn)了參考頻率為3 30MHz的可調(diào)外差鎖相。其光強相差最大時，弱光僅為320pW而強光為2mW。該項目所選用的外差式弱光鎖相回路能夠消除航天器相對運動所引入多普勒頻移對鎖相造成的影響，但是由于其采用本地振蕩器作為鎖相的基準，該振蕩器帶來的誤差會直接引入鎖相結(jié)果中對鎖相精度產(chǎn)生影響。另外，外差鎖相環(huán)由于其選取頻率差作為反饋信號，無法真正實現(xiàn)回傳激光與入射激光相位差的精確鎖定。激光天文動力學空間計劃(ASTROD)由中國與歐洲合作執(zhí)行，為避免多普勒頻移對鎖相帶來的影響，該項目仍計劃使用外差鎖相方案對回傳激光進行控制，但在前期實驗中進行了零差鎖相的相關(guān)探索。臺灣清華大學的倪維斗、廖安琪等人利用兩臺Nd:YAG激光器作為光源，利用光阻隔器分別控制兩激光器的輸出光強以模擬遠程入射弱光及本地回傳強光。采用均衡二階零差鎖相回路，通過調(diào)節(jié)本地激光器的溫度和直接由壓電陶瓷驅(qū)動器調(diào)控共振腔長度兩種途徑對本地激光器光信號相位進行反饋控制，使本地回傳激光的相位鎖定于遠程入射激光，形成光鎖相回路。實驗表明，該零差鎖相環(huán)最終實現(xiàn)了對2nW弱光與 2!^強光的持久鎖相，實現(xiàn)了對200 1弱光與20(^1強光池以上的鎖相。但是需要注意的是，該實驗中兩激光器相對靜止，因此并沒有測試多普勒頻移效應對零差鎖相的影響。然而在實際的星間測距過程中，本地與遠程激光器由相對運動而導致的多普勒頻移難以避免， 受限于現(xiàn)有零差鎖相環(huán)只有幾十kHz的捕捉帶寬，對遠程入射弱光的鎖相跟蹤難以實現(xiàn)。綜上所述，對外差式激光鎖相環(huán)和零差式激光鎖相環(huán)在超遠距離星間位移測量中的應用進行對比外差式激光鎖相環(huán)具有較大的捕獲帶寬，能夠有效避免多普勒頻移帶來的兩激光頻率差變化對鎖相的影響。但是由于回傳激光和入射激光之間存在頻率差，其并不能實現(xiàn)真正意義上的鎖相跟蹤。同時由于采用本地震蕩器作為鎖相的基準，其工作特性會對鎖相精度產(chǎn)生很大影響。零差式激光鎖相環(huán)能夠?qū)崿F(xiàn)兩束激光的精確鎖頻鎖相，同時其不需要本地振蕩器作為鎖相參考基準，但要應用于實際測量環(huán)境，首先要解決多普勒頻移對其鎖相的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了解決超遠距離星間位移測量中光束能量難以滿足測量需要的問題，提供了一種基于四通道探測技術(shù)的弱光鎖相星間位移測量方法及實現(xiàn)該方法的裝置。本發(fā)明所述一種基于四通道探測技術(shù)的弱光鎖相星間位移測量方法，該方法包括以下步驟步驟一、開啟處于目標端的激光模塊，經(jīng)過預熱過程后該激光模塊進入穩(wěn)定工作狀態(tài)，利用二分之一波片和偏振分光棱鏡將激光模塊輸出的線偏振激光分為兩部分，一部分作為目標端的回傳激光，將其記SLb，另一部分作為鎖相激光用于反饋控制激光模塊，將其記為U，鎖相激光k的為豎直線偏振激光，回傳激光Lb的頻率與鎖相激光k的頻率相同， 將其分別記為vB和A ；步驟二、開啟處于測量端的雙縱模激光模塊，經(jīng)過預熱及穩(wěn)頻控制過程后，雙縱模激光模塊輸出激光包含偏振態(tài)相互垂直的兩個縱模激光成分，調(diào)整兩個縱模激光的偏振態(tài)使其分別成為水平線偏振激光Lm和豎直線偏振激光Lk，水平線偏振激光的頻率為^，豎直線偏振激光的頻率為νκ，且％ > νκ ；
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步驟三、利用消偏振分光棱鏡將所述水平線偏振激光Lm和豎直線偏振激光Lk分為反射部分和透射部分，反射部分的水平線偏振激光Lm和豎直線偏振激光Lk進行光學混頻得到外差干涉測量的參考信號，由高速光電探測器將該拍頻信號轉(zhuǎn)化為電信號，將其記為 Sref，其頻率為兩個縱模激光的頻率差VM = VM-VE ；透射部分的豎直線偏振激光Lk作為參考激光與目標端的回傳激光Lb進行激光合束及光學混頻，透射部分的水平線偏振激光Lm被轉(zhuǎn)化為圓偏振光后，作為測量激光由測量端向目標端射出；步驟四、所述測量激光到達目標端以后，先將其由圓偏振光轉(zhuǎn)換為偏振方向為水平的線偏振光，再與目標端的鎖相激光k進行激光合束形成合光光束，利用二分之一波片調(diào)整所述合光光束中激光Lm與k的偏振方向，使得兩束激光的偏振方向都與水平方向成 45°夾角；步驟五、利用消偏振分光棱鏡將所述合光光束分為反射合光光束Lf和透射合光光束！^，其中反射合光光束Lf經(jīng)偏振分光棱鏡形成兩路相位相差180°的拍頻光信號，分別由兩個高速光電探測器轉(zhuǎn)換為拍頻電信號并送入信號調(diào)理模塊，透射合光光束Lt首先經(jīng)光學相位延遲器將合光光束中測量激光的相位延遲90°，然后通過偏振分光棱鏡形成兩路相位相差180°的拍頻光信號，分別由另外兩路高速光電探測器轉(zhuǎn)換為拍頻電信號并送入信號調(diào)理模塊；步驟六、由于目標端相對測量端位移變化引入多普勒頻移效應，測量激光到達目標端的頻率發(fā)生變化，將其表示為ν' ,同時將反射合光光束Lf中的測量激光到達光電探測器的相位記為禮，將反射合光光束Lf中的鎖相激光k到達光電探測器的相位記為％，信號調(diào)理模塊將反射合光光束Lf對應的兩路拍頻電信號相減得到合光反射拍頻信號，將其記為Sk,則當V' M = Vl 時，&=COS(i3M—外)，當V' M> Vl 時，&=cos[(V'M_Vi)i + ( >M_%]，當ν'+步驟七、信號調(diào)理模塊同時將透射合光光束Lt對應的兩路拍頻電信號相減得到合光透射拍頻信號，將其記為ST，由于光學相位延遲器的作用，透射合光光束Lt中的測量激光到達光電探測器的相位記為私"90°，透射合光光束Lt中的鎖相激光k到達光電探測器的相位記為外，則當ν' M = vL 時，& =cos(<^M-%-90°)，當ν' >\時，&=003[一似-\> + 禮-%-90°]，當ν' M< vL 時，&=。03[(々-"'似> + %-禮+90°];步驟八、目標端的激光模塊進入光頻鎖定控制階段，首先取合光反射拍頻信號、 和合光透射拍頻信號&進行頻率測量，測頻結(jié)果記為v_s，
_] Vffleas= |v' M-vL|,當合光反射拍頻信號&相位超前合光透射拍頻信號時，表明ν' M>^，此時測頻結(jié)果為Vmeas = v' M-vL,
得到測量激光與鎖相激光U的鑒頻結(jié)果為Avm_l = V' m-Vl = Vmeas，當合光反射拍頻信號&相位滯后合光透射拍頻信號時，表明ν' M<^，此時測頻結(jié)果為Vmeas = vL-v ‘ M，得到測量激光與鎖相激光U的鑒頻結(jié)果為AVm-L = V' m-Vl = -Vmeas ;步驟九、將測量得到的頻率值△ vM_L作為光頻鎖定信號輸入數(shù)字控制器，根據(jù)激光模塊輸出的鎖相激光k頻率與其諧振腔長度的對應關(guān)系，通過溫度控制模塊調(diào)整激光模塊諧振腔溫度以實現(xiàn)對諧振腔長度的大范圍調(diào)節(jié)，同時通過PZT驅(qū)動控制模塊對諧振腔長度進行快速直接的調(diào)節(jié)，從而反饋控制鎖相激光k的頻率A使得δ VM_L趨于0，當Δ VM_L = 0 時，目標端激光模塊的光頻鎖定階段結(jié)束，其輸出鎖相激光k及回傳激光Lb的頻率鎖定為入射的測量激光的頻率，即Vb = Vl = v' M ；步驟十、目標端的激光模塊在其光頻鎖定控制階段結(jié)束后進入鎖相跟蹤控制階段，首先取合光反射拍頻信號&和合光透射拍頻信號&進行反正切相位測量，得到測量激光與鎖相激光k的鑒相結(jié)果為i H ；將測量得到的相位值ι作為鎖相閉環(huán)控制信號輸入數(shù)字控制器，通過PZT驅(qū)動控制模塊對激光模塊的諧振腔長度進行精細快速調(diào)節(jié)，反饋控制鎖相激光k的相位外使得,趨于0，坐(PM—L = 0時，激光模塊的鎖相控制過程完成，其輸出鎖相激光k及回傳激光Lb的頻率鎖定為入射的測量激光的相位，即％ =φ^φΜ·,步驟十一、當光學鎖相跟蹤系統(tǒng)失鎖時，重復步驟九和步驟十，激光模塊的鎖相激光U及回傳激光Lb即可對測量激光重新鎖相跟蹤；步驟十二、利用四分之一波片將頻率和相位均鎖定于測量激光的線偏振回傳激光 Lb轉(zhuǎn)化為圓偏振光，回傳至測量端后再由四分之一波片將其轉(zhuǎn)化為偏振方向水平的線偏振光，受目標端相對測量端位移變化而導致多普勒頻移效應的影響，回傳激光Lb到達測量端的頻率發(fā)生變化，將其表示為ν' Β，則根據(jù)多普勒頻移的近似公式有
,2uV'￡=yM+—;式中，U為目標端相對測量端的運動速度，λ為測量激光與回傳激光Lb的平均波長，步驟十三、將回傳激光Lb與參考激光Lk合光并進行混頻得到外差干涉測量的測量信號，利用高速探測器將該拍頻信號轉(zhuǎn)化為電信號，將其記為Snreas，其頻率為參考激光Lk與回傳激光Lb的頻率差
,2uVmeas =v B-vR=vM-vR+—；步驟十四、將外差干涉測量的參考信號和測量信號分別輸入相位細分模塊后進行頻率相減，由此得到目標端運動而產(chǎn)生的多普勒頻移信號，對其進行相位細分及累加計算后，由位移計算模塊根據(jù)累計的相位值解算出目標端相對測量端的位移。
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實現(xiàn)上述一種基于四通道探測技術(shù)的弱光鎖相星間位移測量方法的裝置，它包括測量端和目標端，測量端包括雙縱模激光模塊、穩(wěn)頻控制模塊、第一二分之一波片、第一消偏振分光棱鏡、第一檢偏器、第一高速光電探測器、第一偏振分光棱鏡、第一四分之一波片、第四四分之一波片、第六偏振分光棱鏡、第二檢偏器、第六高速光電探測器、相位細分模塊和位移計算模塊，目標端包括第二四分之一波片、第二偏振分光棱鏡、第二二分之一波片、第二消偏振分光棱鏡、第三偏振分光棱鏡、第二高速光電探測器、第三高速光電探測器、光學相位延遲器、第四偏振分光棱鏡、第四高速光電探測器、第五高速光電探測器、信號調(diào)理模塊、頻率測量模塊、正交鑒相模塊、數(shù)字控制器、溫度控制模塊、PZT驅(qū)動控制模塊、激光模塊、第三二分之一波片、第五偏振分光棱鏡、第三四分之一波片，穩(wěn)頻控制模塊的輸出端與雙縱模激光模塊的輸入端相連，第一二分之一波片、第一消偏振分光棱鏡、第一偏振分光棱鏡、第一四分之一波片、第二四分之一波片、第二偏振分光棱鏡、第二二分之一波片、第二消偏振分光棱鏡、光學相位延遲器、第四偏振分光棱鏡和第五高速光電探測器順次放置在雙縱模激光模塊的出射光路上，第一檢偏器和第一高速光電探測器順次放置在第一消偏振分光棱鏡的反射輸出面之后，雙縱模激光模塊出射的雙縱模激光經(jīng)第一二分之一波片透射至第一消偏振分光棱鏡，第一消偏振分光棱鏡的反射光束入射至第一檢偏器，經(jīng)第一檢偏器透射的光束入射至第一高速光電探測器，第一高速光電探測器的電信號輸出端與相位細分模塊的第一輸入端相連，第一消偏振分光棱鏡的透射光束入射至第一偏振分光棱鏡，第一偏振分光棱鏡的透射光束經(jīng)第一四分之一波片透射后作為測量激光發(fā)射至目標端，目標端的第二四分之一波片接收測量激光，并透射至第二偏振分光棱鏡，激光模塊發(fā)出的線偏振激光經(jīng)第三二分之一波片透射至第五偏振分光棱鏡，第五偏振分光棱鏡反射的豎直線偏振激光作為鎖相激光k與第二偏振分光棱鏡的透射光束形成合光光束，所述合光光束經(jīng)第二二分之一波片透射至第二消偏振分光棱鏡，經(jīng)第二消偏振分光棱鏡反射的合光反射光束入射至第三偏振分光棱鏡，經(jīng)第三偏振分光棱鏡反射的反射光束入射至第二高速光電探測器，經(jīng)第三偏振分光棱鏡透射的透射光束入射至第三高速光電探測器，經(jīng)第二消偏振分光棱鏡透射的合光透射光束入射至光學相位延遲器，光學相位延遲器輸出的延遲光束入射至第四偏振分光棱鏡，經(jīng)第四偏振分光棱鏡反射的反射光束入射至第四高速光電探測器，經(jīng)第四偏振分光棱鏡透射的透射光束入射至第五高速光電探測器，第二高速光電探測器、第三高速光電探測器、第四高速光電探測器和第五高速光電探測器采集的信號分別輸出給信號調(diào)理模塊，信號調(diào)理模塊的反射光束差信號輸出端同時與頻率測量模塊的輸入端和正交鑒相模塊的輸入端相連，信號調(diào)理模塊的透射光束差信號輸出端同時與頻率測量模塊的輸入端和正交鑒相模塊的輸入端相連，頻率測量模塊的輸出端與數(shù)字控制器的第一輸入端相連，正交鑒相模塊的輸出端與數(shù)字控制器的第二輸入端相連，數(shù)字控制器的控制溫度信號輸出端與溫度控制模塊的輸入端相連，溫度控制模塊的輸出端與激光模塊的第一控制端相連，數(shù)字控制器的PZT驅(qū)動信號輸出端與PZT驅(qū)動控制模塊的輸入端相連，PZT驅(qū)動控制模塊的輸出端與激光模塊的PZT驅(qū)動信號控制端相連，第五偏振分光棱鏡的透射光束經(jīng)第三四分之一波片透射后作為回傳激光發(fā)射回測量端，測量端的第四四分之一波片接收回傳激光，并透射至第六偏振分光棱鏡，透射至第六偏振分光棱鏡的回傳激光Lb與第一偏振分光棱鏡反射的參考激光合光后，再經(jīng)第二檢偏器透射至第六高速光電探測器，第六高速光電探測器的電信號輸出端與相位細分模塊的第二輸入端相連，相位細分模塊的輸出端與位移計算模塊的輸出端相連。本發(fā)明的優(yōu)點(1)與現(xiàn)有的星間位移測量方法相比，本發(fā)明所設(shè)計的弱光鎖相星間位移測量方法在將回傳激光與測量激光鎖相之前增加了光頻鎖定控制過程。由于光頻鎖定的捕獲帶寬遠大于鎖相跟蹤的捕獲帶寬，因此目標端與測量端相對運動引入實時變化的多普勒頻移時，回傳激光仍能夠通過先鎖頻再鎖相的過程實現(xiàn)對測量激光的高精度鎖相跟蹤，同時大幅度的提高系統(tǒng)的抗干擾性，這是區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點之一。(2)本發(fā)明所設(shè)計的弱光鎖相星間位移測量裝置中使用了高精度的集成激光鑒頻鑒相器，其中的激光鑒頻環(huán)節(jié)在測得兩束激光頻率差絕對值的同時，還根據(jù)兩路合光拍頻信號的超前滯后關(guān)系確定了兩束入射激光的頻率大小關(guān)系，真正實現(xiàn)了對兩束入射激光頻率差的準確測量；激光鑒相環(huán)節(jié)則通過對四個探測通道所生成的兩路正交拍頻信號的反正切相位測量與信號辨向，實現(xiàn)了高精度的相位測量。其四個通道的平衡探測，使得激光功率波動對測量結(jié)果的影響得到了很好的抑制，這是區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點之二。


圖1為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為到達目標端的測量激光頻率υ' M大于鎖相激光k頻率A時，合光反射拍頻信號&與合光透射拍頻信號&的相位關(guān)系示意圖；圖3為到達目標端的測量激光頻率υ' M小于鎖相激光k頻率A時，合光反射拍頻信號&與合光透射拍頻信號&的相位關(guān)系示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一下面結(jié)合圖1至圖3說明本實施方式，本實施方式所述一種基于四通道探測技術(shù)的弱光鎖相星間位移測量方法，該方法包括以下步驟步驟一、開啟處于目標端的激光模塊，經(jīng)過預熱過程后該激光模塊進入穩(wěn)定工作狀態(tài)，利用二分之一波片和偏振分光棱鏡將激光模塊輸出的線偏振激光分為兩部分，一部分作為目標端的回傳激光，將其記SLb，另一部分作為鎖相激光用于反饋控制激光模塊，將其記為U，鎖相激光k的為豎直線偏振激光，回傳激光Lb的頻率與鎖相激光k的頻率相同， 將其分別記為vB和A ；步驟二、開啟處于測量端的雙縱模激光模塊，經(jīng)過預熱及穩(wěn)頻控制過程后，雙縱模激光模塊輸出激光包含偏振態(tài)相互垂直的兩個縱模激光成分，調(diào)整兩個縱模激光的偏振態(tài)使其分別成為水平線偏振激光Lm和豎直線偏振激光Lk，水平線偏振激光的頻率為^，豎直線偏振激光的頻率為νκ，且％ > νκ ；步驟三、利用消偏振分光棱鏡將所述水平線偏振激光Lm和豎直線偏振激光Lk分為反射部分和透射部分，反射部分的水平線偏振激光Lm和豎直線偏振激光Lk進行光學混頻得到外差干涉測量的參考信號，由高速光電探測器將該拍頻信號轉(zhuǎn)化為電信號，將其記為 Sref，其頻率為兩個縱模激光的頻率差VM = VM-VE ；透射部分的豎直線偏振激光Lk作為參考激光與目標端的回傳激光Lb進行激光合束及光學混頻，透射部分的水平線偏振激光Lm被轉(zhuǎn)化為圓偏振光后，作為測量激光由測量端向目標端射出；步驟四、所述測量激光到達目標端以后，先將其由圓偏振光轉(zhuǎn)換為偏振方向為水平的線偏振光，再與目標端的鎖相激光k進行激光合束形成合光光束，利用二分之一波片調(diào)整所述合光光束中激光Lm與k的偏振方向，使得兩束激光的偏振方向都與水平方向成 45°夾角；步驟五、利用消偏振分光棱鏡將所述合光光束分為反射合光光束Lf和透射合光光束！^，其中反射合光光束Lf經(jīng)偏振分光棱鏡形成兩路相位相差180°的拍頻光信號，分別由兩個高速光電探測器轉(zhuǎn)換為拍頻電信號并送入信號調(diào)理模塊，透射合光光束Lt首先經(jīng)光學相位延遲器將合光光束中測量激光的相位延遲90°，然后通過偏振分光棱鏡形成兩路相位相差180°的拍頻光信號，分別由另外兩路高速光電探測器轉(zhuǎn)換為拍頻電信號并送入信號調(diào)理模塊步驟六、由于目標端相對測量端位移變化引入多普勒頻移效應，測量激光到達目標端的頻率發(fā)生變化，將其表示為ν' ,同時將反射合光光束Lf中的測量激光到達光電探測器的相位記為禮，將反射合光光束Lf中的鎖相激光k到達光電探測器的相位記為％，信號調(diào)理模塊將反射合光光束Lf對應的兩路拍頻電信號相減得到合光反射拍頻信號，將其記為Sk,則當V' M = Vl 時，&=COS(i3M—外)，當ν' M> vL 時+，當ν'+步驟七、信號調(diào)理模塊同時將透射合光光束Lt對應的兩路拍頻電信號相減得到合光透射拍頻信號，將其記為ST，由于光學相位延遲器的作用，透射合光光束Lt中的測量激光到達光電探測器的相位記為禮"90°，透射合光光束Lt中的鎖相激光k到達光電探測器的相位記為外，則當ν' = \時，&=腳(<^-%-90°)，當V, >\時， =003[&:_々> + <^_%_90°]，當ν' M< vL 時，+步驟八、目標端的激光模塊進入光頻鎖定控制階段，首先取合光反射拍頻信號、 和合光透射拍頻信號&進行頻率測量，測頻結(jié)果記為v_s，
_] Vffleas= |v' M-vL|, 當合光反射拍頻信號&相位超前合光透射拍頻信號時，表明ν' M>^，此時測頻結(jié)果為
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Vmeas = v' M-vL,得到測量激光與鎖相激光U的鑒頻結(jié)果為AVm-L = V' M-VL = Vmeas,當合光反射拍頻信號&相位滯后合光透射拍頻信號時，表明ν' M<\，此時測頻結(jié)果為Vmeas = vL-v ‘ M，得到測量激光與鎖相激光U的鑒頻結(jié)果為AVm-L = V' m-Vl = -Vmeas ;步驟九、將測量得到的頻率值△ vM_L作為光頻鎖定信號輸入數(shù)字控制器，根據(jù)激光模塊輸出的鎖相激光k頻率與其諧振腔長度的對應關(guān)系，通過溫度控制模塊調(diào)整激光模塊諧振腔溫度以實現(xiàn)對諧振腔長度的大范圍調(diào)節(jié)，同時通過PZT驅(qū)動控制模塊對諧振腔長度進行快速直接的調(diào)節(jié)，從而反饋控制鎖相激光k的頻率A使得δ VM_L趨于0，當Δ VM_L = 0 時，目標端激光模塊的光頻鎖定階段結(jié)束，其輸出鎖相激光k及回傳激光Lb的頻率鎖定為入射的測量激光的頻率，即Vb = Vl = v' M ；步驟十、目標端的激光模塊在其光頻鎖定控制階段結(jié)束后進入鎖相跟蹤控制階段，首先取合光反射拍頻信號&和合光透射拍頻信號&進行反正切相位測量，得到測量激光與鎖相激光k的鑒相結(jié)果為i H ；將測量得到的相位值ι作為鎖相閉環(huán)控制信號輸入數(shù)字控制器，通過PZT驅(qū)動控制模塊對激光模塊的諧振腔長度進行精細快速調(diào)節(jié)，反饋控制鎖相激光k的相位外使得,趨于0，坐cpM—L = 0時，激光模塊的鎖相控制過程完成，其輸出鎖相激光k及回傳激光Lb的頻率鎖定為入射的測量激光的相位，即％ =φ^φΜ·,步驟十一、當光學鎖相跟蹤系統(tǒng)失鎖時，重復步驟九和步驟十，激光模塊的鎖相激光U及回傳激光Lb即可對測量激光重新鎖相跟蹤；步驟十二、利用四分之一波片將頻率和相位均鎖定于測量激光的線偏振回傳激光 Lb轉(zhuǎn)化為圓偏振光，回傳至測量端后再由四分之一波片將其轉(zhuǎn)化為偏振方向水平的線偏振光，受目標端相對測量端位移變化而導致多普勒頻移效應的影響，回傳激光Lb到達測量端的頻率發(fā)生變化，將其表示為ν'Β，則根據(jù)多普勒頻移的近似公式有
,2u
_5] ^b=Vm+-.式中，U為目標端相對測量端的運動速度，λ為測量激光與回傳激光Lb的平均波長，步驟十三、將回傳激光Lb與參考激光Lk合光并進行混頻得到外差干涉測量的測量信號，利用高速探測器將該拍頻信號轉(zhuǎn)化為電信號，將其記為Snreas，其頻率為參考激光Lk與回傳激光Lk的頻率差
,2uVmeas =v B-vR=vM-vR+—；步驟十四、將外差干涉測量的參考信號和測量信號分別輸入相位細分模塊后進行頻率相減，由此得到目標端運動而產(chǎn)生的多普勒頻移信號，對其進行相位細分及累加計算后，由位移計算模塊根據(jù)累計的相位值解算出目標端相對測量端的位移。開始工作時，開啟處于目標端的激光模塊沈，經(jīng)過預熱過程其進入穩(wěn)定工作狀態(tài)。 利用第三二分之一波片27和第五偏振分光棱鏡觀將其輸出的線偏振激光分為兩部分，其中透過偏振分光棱鏡的水平偏振分量作為目標端的回傳激光，將其記為Lb，由偏振分光棱鏡反射的豎直偏振分量作為鎖相激光，將其記為b回傳激光Lb與鎖相激光k的頻率相同， 將其分別記為vB和\。開啟處于測量端的雙縱模激光模塊1，經(jīng)過預熱過程后由穩(wěn)頻控制模塊2控制其進入頻率穩(wěn)定狀態(tài)，其輸出激光包含偏振態(tài)相互垂直的兩個線偏振縱模成分。利用第一二分之一波片3將兩個縱模激光的偏振方向分別調(diào)整為水平和豎直方向，將水平和豎直線偏振縱模激光分別記為Lm和Lk，其頻率分別記為％和νκ，其中％ > Vr。使用第一消偏振分光棱鏡4提取雙縱模激光的一部分，由第一檢偏器5將兩個縱模激光轉(zhuǎn)化為同一偏振方向并進行光學混頻得到拍頻信號。由第一高速光電探測器6將該拍頻信號轉(zhuǎn)化為電信號，將其記為，其頻率為兩個縱模激光的頻率差Vref = vM-vK。利用第一偏振分光棱鏡7將剩余雙縱模激光中的兩個縱模分量進行分離。其中水平偏振激光Lm透射后由第一四分之一波片8轉(zhuǎn)化為圓偏振光，然后作為測量激光由測量端進行發(fā)射。豎直偏振激光Lk被直接反射后射入第六偏振分光棱鏡31，將其作為參考激光Lk 與目標端的回傳激光Lb進行光學合束。測量激光到達目標端以后，由第二四分之一波片9將其由圓偏振光轉(zhuǎn)換為偏振方向為水平的線偏振光，利用第二偏振分光棱鏡10將其與第五偏振分光棱鏡觀反射的鎖相激光k進行光學合束。由于目標端相對測量端位移變化引入多普勒頻移效應，測量激光到達目標端的頻率發(fā)生變化，將其表示為V’M。此合光中包含測量激光和鎖相激光k到達高速光電探測量器時的振動方程可以分別表示為
權(quán)利要求
1. 一種基于四通道探測技術(shù)的弱光鎖相星間位移測量方法，對分別作為測量端和目標端的兩個衛(wèi)星進行相對位移測量，其特征在于，該方法包括以下步驟步驟一、開啟處于目標端的激光模塊，經(jīng)過預熱過程后該激光模塊進入穩(wěn)定工作狀態(tài)， 利用二分之一波片和偏振分光棱鏡將激光模塊輸出的線偏振激光分為兩部分，一部分作為目標端的回傳激光，將其記為Lb，另一部分作為鎖相激光用于反饋控制激光模塊，將其記為 Ll,鎖相激光k的為豎直線偏振激光，回傳激光Lb的頻率與鎖相激光k的頻率相同，將其分別記為vB和A ；步驟二、開啟處于測量端的雙縱模激光模塊，經(jīng)過預熱及穩(wěn)頻控制過程后，雙縱模激光模塊輸出激光包含偏振態(tài)相互垂直的兩個縱模激光成分，調(diào)整兩個縱模激光的偏振態(tài)使其分別成為水平線偏振激光Lm和豎直線偏振激光LK，水平線偏振激光的頻率為vM，豎直線偏振激光的頻率為νκ，且νΜ>步驟三、利用消偏振分光棱鏡將所述水平線偏振激光Lm和豎直線偏振激光1^分為反射部分和透射部分，反射部分的水平線偏振激光Lm和豎直線偏振激光Lk進行光學混頻得到外差干涉測量的參考信號，由高速光電探測器將該拍頻信號轉(zhuǎn)化為電信號，將其記為，其頻率為兩個縱模激光的頻率差vMf = vM-vE ；透射部分的豎直線偏振激光Lk作為參考激光與目標端的回傳激光Lb進行激光合束及光學混頻，透射部分的水平線偏振激光Lm被轉(zhuǎn)化為圓偏振光后，作為測量激光由測量端向目標端射出；步驟四、所述測量激光到達目標端以后，先將其由圓偏振光轉(zhuǎn)換為偏振方向為水平的線偏振光，再與目標端的鎖相激光U進行激光合束形成合光光束，利用二分之一波片調(diào)整所述合光光束中激光Lm與k的偏振方向，使得兩束激光的偏振方向都與水平方向成45° 夾角；步驟五、利用消偏振分光棱鏡將所述合光光束分為反射合光光束Lf和透射合光光束 Lt，其中反射合光光束Lf經(jīng)偏振分光棱鏡形成兩路相位相差180°的拍頻光信號，分別由兩個高速光電探測器轉(zhuǎn)換為拍頻電信號并送入信號調(diào)理模塊，透射合光光束Lt首先經(jīng)光學相位延遲器將合光光束中測量激光的相位延遲90°，然后通過偏振分光棱鏡形成兩路相位相差180°的拍頻光信號，分別由另外兩路高速光電探測器轉(zhuǎn)換為拍頻電信號并送入信號調(diào)理模塊；步驟六、由于目標端相對測量端位移變化引入多普勒頻移效應，測量激光到達目標端的頻率發(fā)生變化，將其表示為ν' ,同時將反射合光光束Lf中的測量激光到達光電探測器的相位記為禮，將反射合光光束Lf中的鎖相激光k到達光電探測器的相位記為％，信號調(diào)理模塊將反射合光光束Lf對應的兩路拍頻電信號相減得到合光反射拍頻信號，將其記為Sr，則當 V' M= Vl 時，&=COS(i3M—餼)，當 V' M> Vl 時, =。03[(ν'Μ-&) + <^Μ-%]，當 V' M< Vl 時, =。03[(\-ν'Μ) + %-<^Μ];步驟七、信號調(diào)理模塊同時將透射合光光束Lt對應的兩路拍頻電信號相減得到合光透射拍頻信號，將其記為ST，由于光學相位延遲器的作用，透射合光光束Lt中的測量激光到達光電探測器的相位記為私"90°，透射合光光束Lt中的鎖相激光k到達光電探測器的相位記為外，則當 ν' m = VlW，4=coS(<^m-%-90°)，當 ν, M> vL 時， =cos[(V'M_Vi)i + < >M_%_90°]，當 ν' M< vL 時， =COs[(Vi-ν'Μ) + φ,-φΜ +90°]；步驟八、目標端的激光模塊進入光頻鎖定控制階段，首先取合光反射拍頻信號&和合光透射拍頻信號&進行頻率測量，測頻結(jié)果記為v_s，VmeasI V m ^L I，當合光反射拍頻信號&相位超前合光透射拍頻信號時，表明ν' M>^，此時測頻結(jié)果為Vmeas 一 V M ^L'得到測量激光與鎖相激光k的鑒頻結(jié)果為AVM-L = V' M-VL = Vmeas'當合光反射拍頻信號&相位滯后合光透射拍頻信號時，表明ν' M<^，此時測頻結(jié)果為Vmeas 一 ^L V M，得到測量激光與鎖相激光k的鑒頻結(jié)果為AVM-L = V' m"Vl = -Vmeas ；步驟九、將測量得到的頻率值△ VM-L作為光頻鎖定信號輸入數(shù)字控制器，根據(jù)激光模塊輸出的鎖相激光k頻率與其諧振腔長度的對應關(guān)系，通過溫度控制模塊調(diào)整激光模塊諧振腔溫度以實現(xiàn)對諧振腔長度的大范圍調(diào)節(jié)，同時通過PZT驅(qū)動控制模塊對諧振腔長度進行快速直接的調(diào)節(jié)，從而反饋控制鎖相激光k的頻率A使得Δ VM_L趨于0，當Δ = 0時， 目標端激光模塊的光頻鎖定階段結(jié)束，其輸出鎖相激光k及回傳激光Lb的頻率鎖定為入射的測量激光的頻率，即 Vb = Vl = V' M ；步驟十、目標端的激光模塊在其光頻鎖定控制階段結(jié)束后進入鎖相跟蹤控制階段，首先取合光反射拍頻信號&和合光透射拍頻信號&進行反正切相位測量，得到測量激光與鎖相激光k的鑒相結(jié)果為, =CPm-CPl ；將測量得到的相位值作為鎖相閉環(huán)控制信號輸入數(shù)字控制器，通過PZT驅(qū)動控制模塊對激光模塊的諧振腔長度進行精細快速調(diào)節(jié)，反饋控制鎖相激光k的相位％使得趨于0，當ι =0時，激光模塊的鎖相控制過程完成，其輸出鎖相激光k及回傳激光Lk的頻率鎖定為入射的測量激光的相位，即％ = (Pl= ψ Μ ·>步驟十一、當光學鎖相跟蹤系統(tǒng)失鎖時，重復步驟九和步驟十，激光模塊的鎖相激光k 及回傳激光Lk即可對測量激光重新鎖相跟蹤；步驟十二、利用四分之一波片將頻率和相位均鎖定于測量激光的線偏振回傳激光Lb轉(zhuǎn)化為圓偏振光，回傳至測量端后再由四分之一波片將其轉(zhuǎn)化為偏振方向水平的線偏振光， 受目標端相對測量端位移變化而導致多普勒頻移效應的影響，回傳激光Lb到達測量端的頻率發(fā)生變化，將其表示為V B，則根據(jù)多普勒頻移的近似公式有
2.實現(xiàn)權(quán)利要求1所述的一種基于四通道探測技術(shù)的弱光鎖相星間位移測量方法的裝置，其特征在于，它包括測量端和目標端，測量端包括雙縱模激光模塊(1)、穩(wěn)頻控制模塊O)、第一二分之一波片(3)、第一消偏振分光棱鏡(4)、第一檢偏器( 、第一高速光電探測器(6)、第一偏振分光棱鏡(7)、第一四分之一波片(8)、第四四分之一波片(30)、第六偏振分光棱鏡(31)、第二檢偏器(32)、第六高速光電探測器(33)、相位細分模塊(34)和位移計算模塊(35)，目標端包括第二四分之一波片(9)、第二偏振分光棱鏡(10)、第二二分之一波片(11)、 第二消偏振分光棱鏡(12)、第三偏振分光棱鏡(13)、第二高速光電探測器(14)、第三高速光電探測器(15)、光學相位延遲器(16)、第四偏振分光棱鏡(17)、第四高速光電探測器 (18)、第五高速光電探測器(19)、信號調(diào)理模塊(20)、頻率測量模塊(21)、正交鑒相模塊 (22)、數(shù)字控制器、溫度控制模塊04)、PZT驅(qū)動控制模塊0 、激光模塊06)、第三二分之一波片(27)、第五偏振分光棱鏡( )、第三四分之一波片09)，穩(wěn)頻控制模塊⑵的輸出端與雙縱模激光模塊⑴的輸入端相連，第一二分之一波片 (3)、第一消偏振分光棱鏡G)、第一偏振分光棱鏡(7)、第一四分之一波片(8)、第二四分之一波片(9)、第二偏振分光棱鏡(10)、第二二分之一波片(11)、第二消偏振分光棱鏡(12)、 光學相位延遲器(16)、第四偏振分光棱鏡(17)和第五高速光電探測器(19)順次放置在雙縱模激光模塊(1)的出射光路上，第一檢偏器( 和第一高速光電探測器(6)順次放置在第一消偏振分光棱鏡(4)的反射輸出光路上，雙縱模激光模塊(1)出射的雙縱模激光經(jīng)第一二分之一波片( 透射至第一消偏振分光棱鏡，第一消偏振分光棱鏡(4)的反射光束入射至第一檢偏器(5)，經(jīng)第一檢偏器(5) 透射的光束入射至第一高速光電探測器(6)，第一高速光電探測器(6)的電信號輸出端與相位細分模塊(34)的第一輸入端相連，第一消偏振分光棱鏡的透射光束入射至第一偏振分光棱鏡(7)，第一偏振分光棱鏡(7)的透射光束經(jīng)第一四分之一波片(8)透射后作為測量激光發(fā)射至目標端，目標端的第二四分之一波片(9)接收測量激光，并透射至第二偏振分光棱鏡(10)，激光模塊06)發(fā)出的線偏振激光經(jīng)第三二分之一波片(XT)透射至第五偏振分光棱鏡(觀)， 第五偏振分光棱鏡08)反射的豎直線偏振激光作為鎖相激光k與第二偏振分光棱鏡(10)的透射光束形成合光光束，所述合光光束經(jīng)第二二分之一波片(11)透射至第二消偏振分光棱鏡(12)，經(jīng)第二消偏振分光棱鏡(1 反射的合光反射光束入射至第三偏振分光棱鏡(13)，經(jīng)第三偏振分光棱鏡(1 反射的反射光束入射至第二高速光電探測器(14)，經(jīng)第三偏振分光棱鏡(1 透射的透射光束入射至第三高速光電探測器(15)，經(jīng)第二消偏振分光棱鏡(1 透射的合光透射光束入射至光學相位延遲器(16)，光學相位延遲器(16)輸出的延遲光束入射至第四偏振分光棱鏡(17)，經(jīng)第四偏振分光棱鏡 (17)反射的反射光束入射至第四高速光電探測器(18)，經(jīng)第四偏振分光棱鏡(17)透射的透射光束入射至第五高速光電探測器(19)，第二高速光電探測器(14)、第三高速光電探測器(15)、第四高速光電探測器(18)和第五高速光電探測器(19)采集的信號分別輸出給信號調(diào)理模塊00)的四個信號輸入端，信號調(diào)理模塊OO)的反射光束差信號輸出端同時與頻率測量模塊的輸入端和正交鑒相模塊0 的輸入端相連，信號調(diào)理模塊OO)的透射光束差信號輸出端同時與頻率測量模塊的輸入端和正交鑒相模塊0 的輸入端相連，頻率測量模塊的輸出端與數(shù)字控制器的第一輸入端相連，正交鑒相模塊0 的輸出端與數(shù)字控制器的第二輸入端相連，數(shù)字控制器的控制溫度信號輸出端與溫度控制模塊04)的輸入端相連，溫度控制模塊04)的輸出端與激光模塊06)的第一控制端相連，數(shù)字控制器的PZT驅(qū)動信號輸出端與PZT驅(qū)動控制模塊0 的輸入端相連，PZT驅(qū)動控制模塊0 的輸出端與激光模塊06)的PZT驅(qū)動信號控制端相連，第五偏振分光棱鏡08)的透射光束經(jīng)第三四分之一波片09)透射后作為回傳激光發(fā)射回測量端，測量端的第四四分之一波片(30)接收回傳激光，并透射至第六偏振分光棱鏡 (31)，透射至第六偏振分光棱鏡(31)的回傳激光與第一偏振分光棱鏡(7)反射的參考激光合光后，再經(jīng)第二檢偏器(3 透射至第六高速光電探測器(33)，第六高速光電探測器(33) 的電信號輸出端與相位細分模塊(34)的第二輸入端相連，相位細分模塊(34)的輸出端與位移計算模塊(3 的輸出端相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于四通道探測技術(shù)的弱光鎖相星間位移測量方法的實現(xiàn)裝置，其特征在于，光學相位延遲器(16)為波片相位延遲器、反射式相位延遲鏡、液晶相位延遲器或電光移相器。
全文摘要
一種基于四通道探測技術(shù)的弱光鎖相星間位移測量方法及實現(xiàn)該方法的裝置，屬于光學領(lǐng)域，本發(fā)明為解決超遠距離星間位移測量中光束能量難以滿足測量需要的問題。本發(fā)明測量兩個衛(wèi)星之間的位移，分別命名為目標端和測量端，測量端的雙縱模激光模塊輸出激光包含偏振態(tài)相互垂直的兩個縱模激光成分，調(diào)整后作為測量激光發(fā)射到目標端，并形成參考信號Sref，測量激光在目標端經(jīng)過處理后，與目標端的激光模塊發(fā)射的激光進行合束，形成的回傳激光返回測量端，將回傳激光與參考激光合光并進行混頻得到外差干涉測量的測量信號Smeas，將參考信號Sref和測量信號Smeas分別輸入相位細分模塊后，再由位移計算模塊根據(jù)累計的相位值解算出目標端相對測量端的位移。
文檔編號G01S17/50GK102419441SQ20111025617
公開日2012年4月18日 申請日期2011年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月1日
發(fā)明者楊睿韜, 胡鵬程, 譚久彬 申請人:哈爾濱工業(yè)大學