一种基于双光梳脉冲编码的水下测距系统及方法

1.本发明涉及脉冲编码探测技术的水下测距技术领域，尤其涉及一种基于双光梳脉冲编码的水下测距装置及探测方法。


背景技术：

2.水下目标探测是人们认识海洋，探索海洋的核心技术手段和通用方法工具。目前，无论是水下工程建设、海底底质测量，亦或是水下目标搜救和定位等，都离不开水下测距技术。特别是随着信息化技术的不断变革，地形地貌探测、海洋溯源计量和水下制导导航等领域对水下测距提出了更高的要求。同时，当光波在水下传输测距时，群折射率作为水下探测的基本问题，会直接影响到探测的结果。一般来说，水下群折射率的修正可以通过直接测量法和间接测量法两种方式实现。例如，应用全反射原理的阿贝折射仪和应用干涉原理来修正折射率的直接测量法。间接测量法则需要通过大量的实验数据获得经验公式进行拟合计算(其一般表现为温度、盐度和波长的函数)。如纯水应用harvey公式计算折射率，海水应用quan-fry公式等。
3.飞秒光学频率梳作为一种新型激光光源，不仅具有脉宽窄、光谱宽、峰值功率高等特点，而且还拥有优良的时频计量特性。这对于水下测距方面来说，具有良好的原理优势和应用潜力。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术存在的不足，本发明提出一种基于双光梳脉冲编码的水下测距系统及方法，以光学频率梳作为基础，通过脉冲编码和水下折射率修正实现了水下距离测量系统及方法的设计，从而拓展测量的非模糊范围，实现高精度、高采样率的水下距离测量。
5.本发明利用以下技术方案实现：
6.一种基于双光梳脉冲编码的水下测距系统，该系统包括包括信号脉冲激光器sl和本振脉冲激光器lo、双光梳测距单元、脉冲编码测距单元和折射率修正单元；其中：
7.所述信号脉冲激光器sl经过第一准直器cl1发射出稳定的、等间隔的信号脉冲序列，经过第一二分之一波片hwp1和第一偏振分束镜pbs1后分为p偏振光和s偏振光；
8.所述本振脉冲激光器lo本振脉冲激光器lo所发射的振脉冲光经过第二准直器cl2、第二二分之一波片hwp2和第二偏振分束镜pbs2后分为p-本振脉冲光和s本振脉冲光；
9.所述双光梳测距单元包括第一分束镜bs1、第三偏振分束镜pbs3、第六分束镜bs6、第七分束镜bs7、第三分束镜bs3、测量反射镜mm2和本振脉冲激光器lo；p偏振光经过第一分束镜bs1分为两束脉冲光即p-参考脉冲光和p-测量脉冲光：所述p-参考脉冲光经过第三偏振分束镜pbs3和第六分束镜bs6后反射至第七分束镜bs7中，所述p-测量脉冲光则经过第三分束镜bs3后通过一段水下距离l的传播至测量反射镜mm2，由测量反射镜mm2原路反射回第三分束镜bs3，在所述第七分束镜bs7中与所述p-参考脉冲光和本振脉冲激光器lo发射出的p-本振脉冲光进行合束与干涉，干涉信号经过第二平衡探测器bpd2、低通滤波器lpf和信号
处理模块sp进行信号的采集与处理，干涉条纹进行希尔波特变换后，得到依据双光梳干涉测量的时间间隔δt，实现双光梳的水下距离的精确测量；
10.所述脉冲编码测距单元包括声光调制器aom、第二反射镜m2、第一分束镜bs1、第三偏振分束镜pbs3、第五准直器cl5、第三分束镜bs3、测量反射镜mm2、第四偏振分束镜pbs4、第六准直器cl6、2
×
1的光纤耦合器fc；一路s偏振光入射至声光调制器aom编码后得到的s-编码偏振光在经过第二反射镜m2和第一分束镜bs110被分束成s编码-参考脉冲光和s编码-测量脉冲光；所述s编码-参考脉冲光由第三偏振分束镜pbs3反射到第五准直器cl5，所述s编码-测量脉冲光在经过第三分束镜bs3后，通过一段水下距离l的传播，由测量反射镜mm2原路反射回第三分束镜bs3，所述s-编码测量脉冲光经过第四偏振分束镜pbs4、第六准直器cl6与s-编码参考脉冲光在2
×
1的光纤耦合器fc中进行合束，实现依据脉冲编码的水下距离测量，得到粗测的水下距离；
11.所述折射率修正单元包括第二分束镜bs2、第一反射镜m1、参考反射镜rm1、目标反射镜mm1、第五分束镜bs5；另一路s偏振光由第一反射镜m1入射至由第四分束镜bs4
14
、参考反射镜rm1和目标反射镜mm1组成的迈克尔逊干涉仪，与本振脉冲激光器lo发射的s本振脉冲光进行合束与干涉，干涉条纹由第一平衡探测器bpd1接收；测量时，需在空气中和水中分别各自测量一次，即得到空气中的光程差la和水中的光程差lw。
12.一种基于双光梳脉冲编码的水下测距方法，该方法具体包括以下步骤：
13.步骤1、依据原子钟锁定两激光器频率和相位；
14.步骤2、在第一偏振分束镜pbs1处分为p偏振光和s偏振光；
15.步骤3-1、依据p偏振光完成双光梳测量；具体包括以下处理：
16.在第一分束镜bs1处分为p-参考脉冲光和p-测量脉冲光；
17.p-参考脉冲光通过第一分束镜bs1、第三偏振分束镜pbs3、第六分束镜bs6后反射至第七分束镜bs7，p-测量脉冲光泽经过第一分束镜bs1、第三分束镜bs3、测量反射镜mm2后反射，而后通过第一偏振分束镜pbs4入射至第七分束镜bs7；
18.在第七分束镜bs7中，p-参考脉冲光和p-测量脉冲光这两束脉冲光与本振脉冲激光器lo发射处的p-本振脉冲光进行合束与干涉；
19.干涉条纹由第二平衡探测器bpd2接收，再对干涉条纹进行希尔波特变换后，得到依据双光梳干涉测量的时间间隔δt；
20.步骤3-2、依据s偏振光完成脉冲编码水下测距和水下折射率修正；分别包括以下处理：
21.将经过第一偏振分束镜pbs1和第二分束镜bs2后得到的一路s偏振光入射至声光调制器aom中；
22.在声光调制器aom中对s偏振光进行脉冲编码；
23.编码后得到的s-编码偏振光通过第二反射镜m2和第一分束镜bs1分为s-编码参考脉冲光和s-编码测量脉冲光，进行水下距离的粗略测量；
24.探测信号由光电探测器pd接收，得到粗测距离；
25.步骤3-3、进行折射率修正，分别在空气中和水中共两次折射率测量后完成修正；
26.在空气中进行折射率修正的过程包括：
27.经过第一偏振分束镜pbs1、第二分束镜bs2后得到的另一路s偏振光经过第一反射
54.13、第一反射镜m1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
14、第四分束镜bs455.15、参考反射镜rm1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
16、目标反射镜mm156.17、第五分束镜bs5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
18、第二反射镜m357.19、第四准直器cl4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
20、平衡探测器bpd158.21、第三偏振分束镜pbs3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
22、第四偏振分束镜pbs459.23、第五准直器cl5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
24、第六准直器cl660.25、光纤耦合器fc
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
26、第七准直器cl761.27、光电探测器pd
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
28、第二偏振分束镜pbs262.29、第三准直器cl3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
30、第六分束镜bs663.31、第七分束镜bs7ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
32、第四反射镜m464.33、第二平衡探测器bpd2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
34、低通滤波器lpf
65.35、第一准直器cl1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
36、第二准直器cl266.37、信号处理模块sp
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
38、加入的长光纤
67.39、水缸
具体实施方式
68.下面将结合附图和实施例，对技术方案做详细说明。
69.如图1所示，为本发明的一种基于双光梳脉冲编码的水下测距系统光路图。该系统主要由三部分组成，包括用于精确测距的双光梳水下测距单元、用于粗测距的脉冲编码测距单元和折射率修正单元。
70.具体实施过程如下：
71.信号脉冲激光器sl 2和本振脉冲激光器lo 3这两个激光源被良好地锁定至原子钟1上，以保证光频梳的稳定性。
72.信号脉冲激光器sl 2经过第一准直器cl135发射出一系列稳定的、等间隔的信号脉冲光，在经过第一二分之一波片hwp14和第一偏振分束镜pbs16后，分为作为透射光的p偏振光和作为反射光的s偏振光。其中，p偏振光用于双光梳水下测距，s偏振光用于编码和折射率修正。s偏振光在经过第二分束镜bs27后分成两路s偏振光，一路s偏振光用于脉冲编码测距单元，另一路s偏振光用于光折射率修正单元。本振脉冲激光器lo 3所发射的本振脉冲光在经过第二准直器cl236、第二二分之一波片hwp25和第二偏振分束镜pbs228后，分为p-本振脉冲光(第二偏振分束镜pbs228
–
第六分束镜bs630段)和s本振脉冲光(即第二偏振分束镜pbs228
–
第三准直器cl329
–
第四准直器cl419
–
第五分束镜bs517段)。
73.在双光梳水下测距单元中，所述p偏振光在经过第一分束镜bs110后分为两束脉冲光即p-参考脉冲光和p-测量脉冲光。所述p-参考脉冲光在经过第三偏振分束镜pbs321和第六分束镜bs630后，被反射至第七分束镜bs731。而所述p-测量脉冲光则在经过第三分束镜bs311后，通过一段水下距离l的传播到达至测量反射镜mm212，经测量反射镜mm212原路反射回第三分束镜bs311。而后在第七分束镜bs731中与p-参考脉冲光和本振脉冲激光器lo 3发射出的p-本振脉冲光进行合束与干涉，实现双光梳的水下距离测量。干涉信号经过第二平衡探测器bpd233、低通滤波器lpf 34和信号处理模块sp 27进行信号的采集与处理。
74.在脉冲编码水下测距单元中，一路s偏振光入射至声光调制器aom 8(这里，声光调
制器aom的作用为光开关。通过快速控制光开关，使一部分光脉冲通过，而另一部分光脉冲不通过，进而完成对光脉冲的编码)实现脉冲编码。具体的，通过声光调制器快速控制光开关，使一部分光脉冲通过，而另一部分光脉冲不通过，完成对双光梳信号中s偏振光的编码，编码序列为{1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,0,1,0,1,1,0,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0}，周期设定为0.5ms，即每0.5ms产生一个脉冲编码序列。等价地，水下测距系统理论上获得约55公里的非模糊范围l
nar1
(l
nar1
＝c
·
t
p
/(2
·nw
)≈55km)，其中，c为真空中的光速，t
p
为两编码序列的时间间隔，nw为水下折射率。与没有编码的3.01m的双光梳测距l
nar
相比，得到了明显的改善。编码后得到的s-编码偏振光在经过第二反射镜m29和第一分束镜bs110后，被分束成s编码-参考脉冲光和s编码-测量脉冲光。同样的，所述s编码-参考脉冲光由第三偏振分束镜pbs321反射到第五准直器cl523中。而所述s编码-测量脉冲光则在经过第三分束镜bs311后，通过一段水下距离l的传播(第三分束镜bs311-测量反射镜mm212段)，由测量反射镜mm212原路反射回第三分束镜bs311。而后，所述s-编码测量脉冲光经过第四偏振分束镜pbs422、第六准直器cl624与s-编码参考脉冲光在2
×
1的光纤耦合器fc 25中进行合束与干涉，完成脉冲编码的水下距离测量，完成脉冲编码的水下距离测量，得到粗测的水下距离。在第六准直器cl624至光纤耦合器fc 25段加入了一段光纤，是因为脉冲编码信号的长度稍长，为了防止在测量时发生的信号混叠情况。脉冲编码由脉冲编码模块39完成，所述脉冲编码模块39由第一偏振分束镜pbs16、第二分束镜bs27、声光调制器aom 8、第二反射镜m29、第一分束镜bs110组成。
75.所述双光梳水下测距和所述脉冲编码水下测距具有共用部分，该共用部分即第一分束镜bs110
–
第三偏振分束镜pbs321和第一分束镜bs110
–
第三分束镜bs311
–
测量反射镜mm212
–
第三分束镜bs311
–
第四偏振分束镜pbs422段。测量时，由于p偏振光和s偏振光的偏振方向相互垂直，故不会对彼此的信号产生干扰。同时，在对双光梳水下测距信号和脉冲编码信号这两个信号进行接收时，使用了消光比良好的第三偏振分束镜pbs321和第四偏振分束镜pbs422。由于p偏振光在经过偏振分束镜时仅可以透射而不能反射，故p-参考脉冲光直接透过第三偏振分束镜pbs321入射至第六分束镜bs630中。同理，p-测量脉冲光直接透过第四偏振分束镜pbs422入射至第七分束镜bs731。而s编码-参考脉冲光则在第三偏振分束镜pbs311上反射到第五准直器cl523中，s编码-测量脉冲光由第四偏振分束镜pbs422反射到第六准直器cl624中。
76.在水下折射率修正单元，也主要由s偏振光完成测量。经过第二分束镜bs27后的另一路s偏振光由第一反射镜m113入射到迈克尔逊干涉仪中。而后，由设置于水缸39中参考反射镜rm115和目标反射镜mm116原路反射到第五分束镜bs517，作为折射率修正的s偏振光，折射率修正的s偏振光与本振脉冲激光器lo 3发射出的s偏振光进行合束和干涉，产生的干涉条纹。水下折射率修正单元的具体算法如下：
77.在空气中和水下进行两次测量，以此来获得空气中的光程差la和水下的光程差lw，然后通过两个光程差和空气群折射率ng完成对水下折射率的修正，水下折射率nw＝lw·
ng/la。该单元可适用于不同水域，保证了水下高精度的水下计量；
78.依据折射率修正模块获得水下折射率，计算出精确待测距离l，如下式所示：
79.80.其中，c为真空中的光速，δt为双光梳干涉条纹间的时间间隔(即参考干涉条纹和测量干涉条纹进行希尔波特变换后，两峰值尖的时间间隔)，δfr为信号脉冲激光器sl和本振脉冲激光器lo的重复频率差，fr为信号脉冲激光器sl的重复频率，k为整数，l
nar
为测量的非模糊范围，l
nar
＝c/(2nw·fr
)，假设重频fr为36.5mhz，l
nar
约为3.01m。
81.在进行距离的测量时，由于光学频率梳的重复频率较高，一般为百mhz到上ghz，这就使得探测的非模糊范围较小。而本发明在双光梳精确水下测距的同时，加入了脉冲编码技术，对光频梳脉冲进行编码，从而在保证探测精度的同时实现长距离测量。
82.这里使用声光调制器(aom)来实现光脉冲编码，其中编码的结果如图2所示。这里，编码的序列为{1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,0,1,0,1,1,0,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0}，周期设定为0.5ms，即每0.5ms产生一个脉冲编码序列。等价地，水下测距系统理论上获得约55公里的非模糊范围l
nar1
(l
nar1
＝c
·
t
p
/(2
·nw
)≈55km)。与没有编码的3.01m的双光梳测距l
nar
相比，得到了明显的改善。
83.如图2所示，本发明的一种基于双光梳脉冲编码的水下测距方法流程图。
84.步骤1、依据原子钟锁定两激光器频率和相位；
85.步骤2、在第一偏振分束镜pbs16处分为p偏振光和s偏振光；
86.步骤3-1、依据p偏振光完成双光梳测量；具体包括以下处理：
87.在第一分束镜bs110处分为p-参考脉冲光和p-测量脉冲光；
88.p-参考脉冲光通过第一分束镜bs110、第三偏振分束镜pbs321、第六分束镜bs630后反射至第七分束镜bs731，p-测量脉冲光则经过第一分束镜bs110、第三分束镜bs311、测量反射镜mm212后反射，而后通过第一偏振分束镜pbs422入射至第七分束镜bs731；
89.在第七分束镜bs731中，p-参考脉冲光和p-测量脉冲光这两束脉冲光与本振脉冲激光器lo 3发射处的p-本振脉冲光进行合束与干涉；
90.干涉条纹由第二平衡探测器bpd233接收，在对干涉条纹进行希尔波特变换后，得到依据双光梳干涉测量的时间间隔δt；
91.步骤3-2、依据s偏振光完成脉冲编码水下测距和水下折射率修正；分别包括以下处理：
92.将经过第一偏振分束镜pbs16和第二分束镜bs27后得到的一路s偏振光入射至声光调制器aom 8中；
93.在声光调制器aom 8中对s偏振光进行脉冲编码；
94.编码后得到的s-编码偏振光通过第二反射镜m29和第一分束镜bs110分为s-编码参考脉冲光和s-编码测量脉冲光，并进行水下距离的粗略测量；
95.探测信号由光电探测器pd 27接收，得到粗测距离；
96.步骤3-3、进行折射率修正，分别在空气中和水下：
97.在空气中进行折射率修正的过程包括：
98.经过第一偏振分束镜pbs16、第二分束镜bs27后得到的另一路s偏振光经过第一反射镜m113后入射至迈克尔逊干涉仪，所述迈克尔逊干涉仪由第四分束镜bs414,参考反射镜rm115和目标反射镜mm116组成；
99.参考反射镜rm115和目标反射镜mm116的反射光在第五分束镜bs517处，与本振脉冲激光器lo 3发射的s本振脉冲光进行合束与干涉；
100.干涉条纹由第一平衡探测器bpd120接收，所述干涉条纹得到空气中的光程差la；
101.在水下进行折射率修正的过程包括：
102.经过第一偏振分束镜pbs16、第二分束镜bs27后得到的另一路s偏振光经过第一反射镜m113后入射至迈克尔逊干涉仪，所述迈克尔逊干涉仪由第四分束镜bs414,参考反射镜rm115和目标反射镜mm116组成；
103.参考反射镜rm115和目标反射镜mm116的反射光在第五分束镜bs517处，与本振脉冲激光器lo 3发射处的s本振脉冲光进行合束与干涉；
104.干涉条纹由第一平衡探测器bpd120接收，所述干涉条纹得到水下的光程差lw；
105.然后通过两个光程差和空气群折射率ng完成对水下折射率的修正，水下折射率nw＝lw·
ng/la；
106.步骤4、计算出精确的水下待测距离l，如下式所示：
[0107][0108]
其中，c为真空中光速，δt为双光梳干涉条纹间的时间间隔(即参考干涉条纹和测量干涉条纹进行希尔波特变换后，两峰值尖的时间间隔)，δfr为信号脉冲激光器sl和本振脉冲激光器lo的重复频率差，fr为信号脉冲激光器sl的重复频率，k为整数，l
nar
为测量的非模糊范围，l
nar
＝c/(2nw·fr
)，假设重频fr为36.5mhz，l
nar
约为3.01m。
[0109]
如图3所示，为双光梳干涉测量实验结果示意图。其中，(3a)为干涉条纹振幅曲线；(3b)为干涉条纹振幅希尔波特变化后归一化结果曲线。
[0110]
如图4所示，为脉冲编码的实验结果。
[0111]
综上所述，本发明实例以双光梳技术、脉冲编码技术为基本原理，结合搭建的折射率修正模块实时修正了水的折射率，在不损失精度和采样率的情况下延长了测量的非模糊范围和实时修正折射率，从而实现了一次性高精度、高采样率、大的非模糊范围的远距离的水下远距离测量。
[0112]
具体地，将双光梳水下测量方法、脉冲编码技术和水下折射率修正模块进行结合。在水下距离测量时，结合双光梳探测技术和脉冲编码技术，使得在不丢失精度和采样率的同时，拓展测量的非模糊范围，实现水下一次性大尺度高精度的测量。在水下探测时，搭建折射率修正模块，使其在探测时可以实时反馈折射率参数，并且该模块可适用于不同水域，保证了水下高精度的计量。本系统可以实现高精度、高采样率的水下绝对距离测量，为水下探测和传感器提供了一种良好的探测方案。
[0113]
本发明实例对各器件的型号举例如下：
[0114]
原子钟的型号为microsemi 8040。
[0115]
信号脉冲激光器sl的型号为menlo system-515。
[0116]
本振脉冲激光器lo的型号为menlo system-515。
[0117]
第一、第二二分之一波片hwp1和hwp2的型号为thorlabs/wph05m-514。
[0118]
第一～第四偏振分束镜pbs1、pbs2、pbs3和pbs4的型号为thorlabs/pbs251。
[0119]
第一～第七分束镜bs1、bs2、bs3、b
s4
、bs5、bs6和bs7的型号为thorlabs/bs013。
[0120]
声光调制器aom的型号为gh-3110-120。
[0121]
第一～第四反射镜m1、m2、m3和m4的型号为thorlabs/bb1-e02。
[0122]
参考反射镜rm1的型号为thorlabs/bb1-e02。
[0123]
目标反射镜mm1和测量反射镜mm2的型号为thorlabs/bb1-e02。
[0124]
第一～第五准直器cl1、cl2、cl3、cl4和cl5的型号为thorlabs/f110apc-532。
[0125]
第一、第二平衡探测器bpd1、bpd2的型号为thorlabs/pdb230a。
[0126]
光电探测器pd的型号为thorlabs/apd430a。
[0127]
光纤耦合器fc的型号为thorlabs/pn530r5f1。
[0128]
低通滤波器lpf的型号为mini-circuits。
[0129]
除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
[0130]
以上所述仅为本技术的实施例，并不用于限制本发明所要申请保护的范围。对于本领域技术人员来说，凡是通过各种更改和变化、在不脱离本发明的精神和原理的情况下做出各种任何修改、等同替换或变型等，均落入由所附权利要求所限定的本发明的保护范围之内。本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实例的示意图，上述本发明实例序号仅仅为了描述，不代表实例的优劣。

技术特征：
1.一种基于双光梳脉冲编码的水下测距系统，其特征在于，该系统包括包括信号脉冲激光器sl和本振脉冲激光器lo、双光梳测距单元、脉冲编码测距单元和折射率修正单元；其中：所述信号脉冲激光器sl经过第一准直器cl1发射出稳定的、等间隔的信号脉冲序列，经过第一二分之一波片hwp1和第一偏振分束镜pbs1后分为p偏振光和s偏振光；所述本振脉冲激光器lo本振脉冲激光器lo所发射的振脉冲光经过第二准直器cl2、第二二分之一波片hwp2和第二偏振分束镜pbs2后分为p-本振脉冲光和s本振脉冲光；所述双光梳测距单元包括第一分束镜bs1、第三偏振分束镜pbs3、第六分束镜bs6、第七分束镜bs7、第三分束镜bs3、测量反射镜mm2和本振脉冲激光器lo；p偏振光经过第一分束镜bs1分为两束脉冲光即p-参考脉冲光和p-测量脉冲光：所述p-参考脉冲光经过第三偏振分束镜pbs3和第六分束镜bs6后反射至第七分束镜bs7中，所述p-测量脉冲光则经过第三分束镜bs3后通过一段水下距离l的传播至测量反射镜mm2，由测量反射镜mm2原路反射回第三分束镜bs3，在所述第七分束镜bs7中与所述p-参考脉冲光和本振脉冲激光器lo发射出的p-本振脉冲光进行合束与干涉，干涉信号经过第二平衡探测器bpd2、低通滤波器lpf和信号处理模块sp进行信号的采集与处理，干涉条纹进行希尔波特变换后，得到依据双光梳干涉测量的时间间隔δt，实现双光梳的水下距离的精确测量；所述脉冲编码测距单元包括声光调制器aom、第二反射镜m2、第一分束镜bs1、第三偏振分束镜pbs3、第五准直器cl5、第三分束镜bs3、测量反射镜mm2、第四偏振分束镜pbs4、第六准直器cl6、2
×
1的光纤耦合器fc；一路s偏振光入射至声光调制器aom编码后得到的s-编码偏振光在经过第二反射镜m2和第一分束镜bs110被分束成s编码-参考脉冲光和s编码-测量脉冲光；所述s编码-参考脉冲光由第三偏振分束镜pbs3反射到第五准直器cl5，所述s编码-测量脉冲光在经过第三分束镜bs3后，通过一段水下距离l的传播，由测量反射镜mm2原路反射回第三分束镜bs3，所述s-编码测量脉冲光经过第四偏振分束镜pbs4、第六准直器cl6与s-编码参考脉冲光在2
×
1的光纤耦合器fc中进行合束，实现依据脉冲编码的水下距离测量，得到粗测的水下距离；所述折射率修正单元包括第二分束镜bs2、第一反射镜m1、参考反射镜rm1、目标反射镜mm1、第五分束镜bs5；另一路s偏振光由第一反射镜m1入射至由第四分束镜bs4
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、参考反射镜rm1和目标反射镜mm1组成的迈克尔逊干涉仪，与本振脉冲激光器lo发射的s本振脉冲光进行合束与干涉，干涉条纹由第一平衡探测器bpd1接收；测量时，需在空气中和水中分别各自测量一次，即得到空气中的光程差l
a
和水中的光程差l
w
。2.如权利要求1所述的一种基于双光梳脉冲编码的水下测距系统，其特征在于，所述声光调制器aom实现脉冲编码，编码序列为{1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,0,1,0,1,1,0,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0}，每0.5ms产生一个脉冲编码序列。3.一种基于双光梳脉冲编码的水下测距方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：步骤1、依据原子钟锁定两激光器频率和相位；步骤2、在第一偏振分束镜pbs1处分为p偏振光和s偏振光；步骤3-1、依据p偏振光完成双光梳测量；具体包括以下处理：在第一分束镜bs1处分为p-参考脉冲光和p-测量脉冲光；p-参考脉冲光通过第一分束镜bs1、第三偏振分束镜pbs3、第六分束镜bs6后反射至第七
分束镜bs7，p-测量脉冲光泽经过第一分束镜bs1、第三分束镜bs3、测量反射镜mm2后反射，而后通过第一偏振分束镜pbs4入射至第七分束镜bs7；在第七分束镜bs7中，p-参考脉冲光和p-测量脉冲光这两束脉冲光与本振脉冲激光器lo发射处的p-本振脉冲光进行合束与干涉；干涉条纹由第二平衡探测器bpd2接收，再对干涉条纹进行希尔波特变换后，得到依据双光梳干涉测量的时间间隔δt；步骤3-2、依据s偏振光完成脉冲编码水下测距和水下折射率修正；分别包括以下处理：将经过第一偏振分束镜pbs1和第二分束镜bs2后得到的一路s偏振光入射至声光调制器aom中；在声光调制器aom中对s偏振光进行脉冲编码；编码后得到的s-编码偏振光通过第二反射镜m2和第一分束镜bs1分为s-编码参考脉冲光和s-编码测量脉冲光，进行水下距离的粗略测量；探测信号由光电探测器pd接收，得到粗测距离；步骤3-3、进行折射率修正，分别在空气中和水中共两次折射率测量后完成修正；在空气中进行折射率修正的过程包括：经过第一偏振分束镜pbs1、第二分束镜bs2后得到的另一路s偏振光经过第一反射镜m1后入射至迈克尔逊干涉仪；参考反射镜rm1和目标反射镜mm1的反射光在第五分束镜bs5处与本振脉冲激光器lo发射的s本振脉冲光进行合束与干涉；干涉条纹由第一平衡探测器bpd1接收，根据所述干涉条纹得到空气中的光程差l
a
；在水下进行折射率修正的过程包括：经过第一偏振分束镜pbs1、第二分束镜bs2后得到的另一路s偏振光经过第一反射镜m1后入射至迈克尔逊干涉仪；参考反射镜rm1和目标反射镜mm1的反射光在第五分束镜bs5处，与本振脉冲激光器lo发射处的s本振脉冲光进行合束与干涉；干涉条纹由第一平衡探测器bpd1接收，所述干涉条纹得到水下的光程差l
w
；完成水下折射率修正，得到修正后的水下折射率n
w
＝l
w
·
n
g
/l
a
；步骤4、计算出水下待测距离l，如下式所示：l
nar
＝c/(2n
w
·
f
r
)其中，c为真空中的光速，δt为双光梳干涉条纹间的时间间隔，δf
r
为信号脉冲激光器sl和本振脉冲激光器lo的重复频率差，f
r
为信号脉冲激光器sl的重复频率，k为整数，l
nar
为测量的非模糊范围，n
w
为修正后的水下折射率。4.如权利要求1所述的一种基于双光梳脉冲编码的水下测距方法，其特征在于，所述声光调制器aom实现脉冲编码，编码序列为{1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,0,1,0,1,1,0,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0}，每0.5ms产生一个脉冲编码序列。

技术总结
本发明公开了一种基于双光梳脉冲编码的水下测距系统及方法，该系统包括双光梳水下测距单元利用包括P-参考脉冲光、P-测量脉冲光在内的双光梳信号与P-本振脉冲光进行合束与干涉，实现双光梳的水下距离的精确测量；脉冲编码测距单元对所述双光梳信号中的P-参考光脉冲和P-测量光脉冲的P偏振光和S偏振光分别进行编码，得到S编码-参考脉冲光和S编码-测量脉冲光，所述所述S-编码参考脉冲光与所述S-编码测量脉冲光进行合束后，完成脉冲编码的水下距离测量；水下折射率修正单元在空气中和水下两次测量后，实现折射率的修正。本发明能够拓展测量的非模糊范围，实现高精度、高采样率的水下距离精确测量。下距离精确测量。下距离精确测量。


技术研发人员：李校博 赵海涵 石浩男 翟京生
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2023.04.30
技术公布日：2023/8/13