1.本发明属于精密测距技术领域，尤其涉及一种自适应太赫兹双光梳测距方法。
背景技术：2.太赫兹(thz)波通常是指频率在0.1-10thz，位于微波与红外之间的电磁波。thz波独有的低能性、穿透性、相干性等特殊性质，使其可以穿透大多数非极性材料而不会对其造成损伤，因此，基于thz波段的测距为无损和透视测量等应用提供了一种潜在方案。基于频率梳的测距方法为计量领域带来了革命性的进展，进一步的，双频梳测距系统是一种利用两台具有微小重复频率差的频率梳通过梳齿间的光学拍频，产生多外差光谱和时间可分辨干涉信号的测距方法，这种基于双频梳的测距方法为高精度、高速率、大模糊范围测距提供了独一无二的综合性能，并在绝对距离测量方面具有显著优势。常用于测距的红外双频梳系统要求激光光源频率锁定精度高、互相干性强；与之相比，太赫兹脉冲载波包络相位稳定，基于太赫兹的双频梳测距仅需对激光光源的重复频率进行精密控制；但该过程仍存在反馈带宽窄、系统环境适应性差等问题。综上，探索新方法以达到对激光光源的时频域精密控制要求低、反馈带宽宽，可兼顾测距高精度及系统稳定性具有重要意义，为一系列无损及透视测量应用带来可行性方案。
技术实现要素：3.针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种自适应太赫兹双光梳测距方法，通过自适应时钟补偿时域抖动，结合多次采样平均，抑制强度噪声，从而提升太赫兹双频梳测距精度和环境适应性。
4.本发明采用两台重复频率有差值的激光光源分别产生太赫兹脉冲，通过双频梳拍频探测到的太赫兹脉冲包含两台激光光源的重复频率抖动。采用两台窄谱线连续激光分别与这两台重复频率有差值的激光脉冲进行外差拍频，通过拍频信号混频消除脉冲激光载波包络抖动，同时提取信号脉冲与探测脉冲重复频率差值的多倍频信号作为自适应时钟信号。将此自适应时钟信号代替固定时钟信号，实现太赫兹脉冲时域精密测量，为太赫兹双光梳测距提供精确时间计量标准。这一过程无需对两台脉冲激光光源进行苛刻且极其易被干扰的高精度控制，系统鲁棒性高。
5.参考图1和图2，具体如下：
6.这里定义连续激光cw1和cw2输出的光频率分别为f
cw1
和f
cw2
，且f
cw1
》f
cw2
。f
ra
和f
cepa
分别为自由运转激光器a输出光的重复频率与载波包络相位；f
rb
和f
cepb
分别为自由运转激光器b输出的重复频率与载波包络相位；
7.采用分束器分别将自由运转激光器a、b输出的脉冲光分为能量高与能量低的两束光；
8.对分束后能量低的两束光进行信号处理，用以产生自适应时钟信号，具体流程如下：
9.将每束光再次通过50:50分束器分成两束光，将这两束光分别通过光纤滤波器滤出与窄谱线连续激光频率一致的波段成分，以此提高与连续光拍频信号的信噪比；滤出后的光分别与cw1和cw2输出的激光合束实现拍频，调整自由运转激光器a和b的重复频率差，使相邻梳齿拍频信号大小满足单调递减趋势，相邻梳齿对的序号之差恒为定值，即，m1-n1＝m2-n2。激光a、b与cw1输出的光拍频后得到拍频信号f
cw1-(n1f
ra
+f
cepa
)与f
cw1-(m1f
rb
+f
cepb
)；同理，激光a、b分别与连续光cw2拍频，分别得到拍频信号f
cw2-(n2f
ra
+f
cepa
)与f
cw2-(m2f
rb
+f
cepb
)；利用光电二极管pd1、2、3、4分别探测以上四个拍频信号；每个拍频信号的抖动由自由运转激光器a、b输出的激光脉冲重复频率抖动、载波包络相位抖动以及连续光cw1和cw2频率漂移造成；
10.将pd1和pd2输出的拍频信号进行混频，即f
cw1-(n1f
ra
+f
cepa
)与f
cw1-(m1f
rb
+f
cepb
)混频；pd3和pd4输出的拍频信号混频，即f
cw2-(n2f
ra
+f
cepa
)与f
cw2-(m2f
rb
+f
cepb
)混频，使用低通滤波器提取出混频后的差频信号，得到与连续光频率漂移无关而只与自由运转激光器a和自由运转激光器b重复频率及载波包络相位抖动有关的差频信号(m1-n1)(f
ra-f
rb
)+(f
cepa-f
cepb
)和(m2-n2)(f
ra-f
rb
)+(f
cepa-f
cepb
)；
11.将以上两个差频信号再混频得到k(f
ra-f
rb
)，将此信号作为自适应时钟信号as；
12.调整时钟信号as的光程与太赫兹光程一致，保证太赫兹信号的抖动与时钟信号as的抖动同步，这样可以完全补偿两台激光重复频率抖动带来的太赫兹信号漂移；
13.将自由运转激光器a输出的光分束后能量高的部分作为泵浦光泵浦产生太赫兹频梳；
14.产生的太赫兹频梳经过太赫兹分束片后反射至金镜1上作为参考光梳，透射至金镜2上作为测量光梳，金镜2固定在线性一维平移台上；经过金镜1和2反射回来后合束，合束后的太赫兹光梳再经过金镜3反射至探测天线上；
15.将自由运转激光器b输出的光分束后能量高的部分作为探测光探测合束后的太赫兹脉冲；
16.将探测天线探测到的信号经过电流放大器进行信号放大；放大后的thz信号接入高速数据采集卡；
17.利用自适应时钟信号as作为采样时钟对太赫兹脉冲进行采集，此时采集到的太赫兹参考脉冲和测量脉冲时间间隔为δτ，如图2所示。根据飞行时间测距方法。测量得到的距离d为：d＝(c/2ng)
×
(δτ/tmf)，其中，c为光速，ng为折射率，tmf＝(f
ra
×frb
)/δf。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：
19.1、自适应时钟信号的提取实时补偿了测距过程中的残余时间抖动，提高太赫兹测距飞行时间精度，提升了测距精度。
20.2、自适应时钟的时间补偿能力使太赫兹脉冲的多次采样平均具有可行性，提高了太赫兹脉冲的信噪比，进而抑制其强度噪声引起的时间不确定性，进一步提升了测距精度。
21.3、与太赫兹异步采样测距系统相比较，本发明无需对激光光源进行重复频率精密控制，提高了太赫兹双光梳测距系统环境适应性和长期稳定性。
22.4、与太赫兹波段的自适应时钟取样相比，该发明利用光纤通讯波段光拍频实现自适应时钟，简化了系统装置，提升系统抗干扰能力及采样频率。
附图说明
23.图1为本发明一种自适应太赫兹双光梳测距方法原理示意图；
24.图2为本发明太赫兹参考脉冲和测量脉冲的时域信号图；
25.图3为本发明一种自适应太赫兹双光梳测距方法光路示意图；
26.图4为本发明位移平台移动1.2mm后的太赫兹参考脉冲和探测脉冲时域图。
27.图中，301：自由运转激光器a、302：产生太赫兹天线、303：太赫兹分束片、304：第一金镜、305：第二金镜、306：第三金镜、307、探测太赫兹天线、308：电流放大器、309：数据采集卡、310：自由运转激光器b、311：自适应处理电路、312：自适应时钟信号as
具体实施方式
28.下面将结合示意图对本发明一种自适应太赫兹双光梳测距方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果，因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
29.实施例1：
30.自适应电路处理和自适应时钟信号as的提取过程不变，调整自适应时钟信号as的光程与太赫兹测距系统光程一致，保证太赫兹脉冲信号的时间抖动与自适应时钟信号as的抖动同步，这样可以完全补偿两台激光重复频率抖动带来的太赫兹信号漂移。
31.如图3所示，将自由运转激光器a310分束后能量高的部分作为泵浦光泵浦太赫兹产生太赫兹天线302以产生太赫兹光梳。产生的太赫兹光梳经过太赫兹分束片303后反射至第一金镜304上作为参考光梳，透射至第二金镜305上作为测量光梳，第二金镜305固定在线性位移平台上；经过第一金镜304和305反射回来后在太赫兹分束片303处合束，合束后的太赫兹光梳再经过第三金镜306反射至探测太赫兹天线307上。
32.将自由运转激光器b310分束后能量高的部分作为探测光接入探测太赫兹天线307探测合束后的太赫兹光梳。然后将探测太赫兹天线307探测到的信号经过电流放大器308进行信号放大。放大后的太赫兹光梳接入数据采集卡309。然后利用自适应时钟信号作为采样时钟对太赫兹光梳进行采集，此时采集到的太赫兹参考脉冲和测量脉冲时间间隔为δτ。根据飞行时间测距方法。测量得到的距离d为：d＝(c/2ng)
×
(δτ/tmf)，其中，c为光速，ng为空气折射率，tmf＝(f
ra
×frb
)/δf。
33.实施例二
34.将cw1设置在1550nm附近，cw2设置在1564nm附近，f
ra
＝66.140170mhz，f
rb
＝66.139997mhz，测量结果如图4所示。位移平台移动1200μm时，太赫兹脉冲平均次数为1000次，实际测量距离d为1201μm，误差仅为1μm。
35.上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种自适应太赫兹双光梳测距方法，其特征在于，包括如下步骤：s1：通过自适应处理电路提取自适应时钟信号代替固定时钟信号；s2：调整自适应时钟信号的光程与太赫兹光程一致，保证太赫兹信号的抖动与自适应时钟信号的抖动同步，从而完全补偿两个自由运转激光器激光重复频率抖动带来的太赫兹信号漂移；s3：基于太赫兹双光梳测距技术，利用提取的所述自适应时钟信号作为采样时钟对太赫兹脉冲进行采集，再根据飞行时间测距方法完成自适应太赫兹双光梳测距；所述s1中，所述自适应处理电路包括分束器，光纤滤波器和4个光电二极管，所述自适应时钟信号的提取包括如下步骤：s11：采用分束器将其中一个自由运转激光器发射的光束分为第一光束和第二光束，所述第一光束的能量大于第二光束的能量；采用分束器将另一个自由运转激光器发射的能量分为第三光束和第四光束，所述第三光束的能量大于第四光束的能量；s12：通过50：50分束器分别对所述第二光束和第四光束进行分光，分出的四道光束皆通过光纤滤波器滤出与窄谱线连续激光一致的波段成分，从而提高与连续光拍频信号的信噪比；s13：所述第二光束分出的两束光于滤波后分别与两个连续激光器输出的激光合束实现拍频，得到第一拍频信号和第三拍频信号；所述第四光束分出的两束光于滤波后分别与两个连续激光器输出的激光合束实现拍频，得到第二拍频信号和第四拍频信号；s14：通过4个所述光电二极管分别探测4个拍频信号，将探测后的第一拍频信号和第二拍频信号进行混频，将探测后的第三拍频信号和第四拍频信号进行混频，并通过所述低通滤波器分别提取混频后的两个差频信号；s15：将两个所述差频信号再混频，得到自适应时钟信号。2.根据权利要求1所述的自适应太赫兹双光梳测距方法，其特征在于，所述s12中，通过调整第一运转激光器和第二运转激光器的重复频率差，使相邻梳齿拍频信号大小满足单调递减趋势，相邻齿梳对的序号之差恒为定值。3.根据权利要求2所述的自适应太赫兹双光梳测距方法，其特征在于，所述s3中，太赫兹双光梳测距的光路设有产生太赫兹天线、探测太赫兹天线、太赫兹分束片、第一金镜、第二金镜、第三金镜、电流放大器和数据采集卡，所述第二金镜固定于线性一维平台上。4.根据权利要求3所述的自适应太赫兹双光梳测距方法，其特征在于，所述s3具体包括如下步骤：s31：通过将第一光束作为泵浦光泵浦并通过产生太赫兹天线产生太赫兹频梳；s32：产生的太赫兹频梳通过所述太赫兹分束片分束并分别射入第一金镜和第二金镜，射入第一金镜的作为参考光梳，射入第二金镜的作为测量光梳，所述参考光梳和测量光梳分别通过所述第一金镜和第二金镜反射回至太赫兹分束片进行合束，合束后的太赫兹光梳经过第三金镜反射至所述探测太赫兹天线上；s33：将第三光束作为探测光探测合束后的太赫兹脉冲；s34：将所述探测天线探测的信号经过所述电流放大器进行信号放大，放大后的太赫兹信号接入所述数据采集卡；s35：利用提取的所述自适应时钟信号作为采样时钟对所述太赫兹脉冲进行采集，再根
据飞行时间测距方法完成自适应太赫兹双光梳测距。5.根据权利要求4所述的自适应太赫兹双光梳测距方法，其特征在于，采集到的所述太赫兹脉冲和测量脉冲时间间隔为δτ，测量得到的距离d的计算公式表示为：d＝(c/2ng)
×
(δτ/tmf)。
技术总结本发明提供一种自适应太赫兹双光梳测距方法，采用两台重复频率有差值的激光光源分别产生和探测太赫兹脉冲，通过双光梳拍频探测到的太赫兹脉冲包含两台激光光源的重复频率抖动，采用两台窄谱线连续激光分别与这两台重复频率有差值的激光脉冲进行外差拍频，通过拍频信号混频消除脉冲激光脉冲载波包络抖动，同时提取信号脉冲与探测脉冲重复频率差值的多倍频信号作为自适应时钟信号，将此自适应时钟信号代替固定时钟信号，实现太赫兹脉冲时域精密测量，为太赫兹双光梳测距提供精确时间计量标准，这一过程无需对两台脉冲激光光源进行苛刻且极其易被干扰的高精度控制，系统鲁棒性高。系统鲁棒性高。系统鲁棒性高。
技术研发人员：李敏 夏宇 刘峥 白松涛 刘迪凯 曾和平
受保护的技术使用者：上海理工大学
技术研发日：2022.07.25
技术公布日：2022/11/1
