一种基于四通道探测技术的弱光锁相星间位移测量方法及实现该方法的装置

摘要

一种基于四通道探测技术的弱光锁相星间位移测量方法及实现该方法的装置，属于光学领域，本发明为解决超远距离星间位移测量中光束能量难以满足测量需要的问题。本发明测量两个卫星之间的位移，分别命名为目标端和测量端，测量端的双纵模激光模块输出激光包含偏振态相互垂直的两个纵模激光成分，调整后作为测量激光发射到目标端，并形成参考信号Sref，测量激光在目标端经过处理后，与目标端的激光模块发射的激光进行合束，形成的回传激光返回测量端，将回传激光与参考激光合光并进行混频得到外差干涉测量的测量信号Smeas，将参考信号Sref和测量信号Smeas分别输入相位细分模块后，再由位移计算模块根据累计的相位值解算出目标端相对测量端的位移。

主权项

1.一种基于四通道探测技术的弱光锁相星间位移测量方法，对分别作为测量端和目标端的两个卫星进行相对位移测量，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、开启处于目标端的激光模块，经过预热过程后该激光模块进入稳定工作状态，利用二分之一波片和偏振分光棱镜将激光模块输出的线偏振激光分为两部分，一部分作为目标端的回传激光，将其记为L_B，另一部分作为锁相激光用于反馈控制激光模块，将其记为L_L，锁相激光L_L的为竖直线偏振激光，回传激光L_B的频率与锁相激光L_L的频率相同，将其分别记为v_B和v_L；步骤二、开启处于测量端的双纵模激光模块，经过预热及稳频控制过程后，双纵模激光模块输出激光包含偏振态相互垂直的两个纵模激光成分，调整两个纵模激光的偏振态使其分别成为水平线偏振激光L_M和竖直线偏振激光L_R，水平线偏振激光的频率为v_M，竖直线偏振激光的频率为v_R，且v_M＞v_R；步骤三、利用消偏振分光棱镜将所述水平线偏振激光L_M和竖直线偏振激光L_R分为反射部分和透射部分，反射部分的水平线偏振激光L_M和竖直线偏振激光L_R进行光学混频得到外差干涉测量的参考信号，由高速光电探测器将该拍频信号转化为电信号，将其记为S_ref，其频率为两个纵模激光的频率差v_ref＝v_M-v_R；透射部分的竖直线偏振激光L_R作为参考激光与目标端的回传激光L_B进行激光合束及光学混频，透射部分的水平线偏振激光L_M被转化为圆偏振光后，作为测量激光由测量端向目标端射出；步骤四、所述测量激光到达目标端以后，先将其由圆偏振光转换为偏振方向为水平的线偏振光，再与目标端的锁相激光L_L进行激光合束形成合光光束，利用二分之一波片调整所述合光光束中激光L_M与L_L的偏振方向，使得两束激光的偏振方向都与水平方向成45°夹角；步骤五、利用消偏振分光棱镜将所述合光光束分为反射合光光束L_F和透射合光光束L_T，其中反射合光光束L_F经偏振分光棱镜形成两路相位相差180°的拍频光信号，分别由两个高速光电探测器转换为拍频电信号并送入信号调理模块，透射合光光束L_T首先经光学相位延迟器将合光光束中测量激光的相位延迟90°，然后通过偏振分光棱镜形成两路相位相差180°的拍频光信号，分别由另外两路高速光电探测器转换为拍频电信号并送入信号调理模块；步骤六、由于目标端相对测量端位移变化引入多普勒频移效应，测量激光到达目标端的频率发生变化，将其表示为v′_M，同时将反射合光光束L_F中的测量激光到达光电探测器的相位记为将反射合光光束L_F中的锁相激光L_L到达光电探测器的相位记为信号调理模块将反射合光光束L_F对应的两路拍频电信号相减得到合光反射拍频信号，将其记为S_R，则当v′_M＝v_L时，当v′_M＞v_L时，当v′_M＜v_L时，步骤七、信号调理模块同时将透射合光光束L_T对应的两路拍频电信号相减得到合光透射拍频信号，将其记为S_T，由于光学相位延迟器的作用，透射合光光束L_T中的测量激光到达光电探测器的相位记为透射合光光束L_T中的锁相激光L_L到达光电探测器的相位记为则当v′_M＝v_L时，当v′_M＞v_L时，当v′_M＜v_L时，步骤八、目标端的激光模块进入光频锁定控制阶段，首先取合光反射拍频信号S_R和合光透射拍频信号S_T进行频率测量，测频结果记为v_meas，v_meas＝|v′_m-v_L|，当合光反射拍频信号S_R相位超前合光透射拍频信号S_T90°时，表明v′_M＞v_L，此时测频结果为v_meas＝v′_M-v_L，得到测量激光与锁相激光L_L的鉴频结果为Δv_M-L＝v′_M-v_L＝v_meas，当合光反射拍频信号S_R相位滞后合光透射拍频信号S_T90°时，表明v′_M＜v_L，此时测频结果为v_meas＝v_L-v′_M，得到测量激光与锁相激光L_L的鉴频结果为Δv_M-L＝v′_M-v_L＝-v_meas；步骤九、将测量得到的频率值Δv_M-L作为光频锁定信号输入数字控制器，根据激光模块输出的锁相激光L_L频率与其谐振腔长度的对应关系，通过温度控制模块调整激光模块谐振腔温度以实现对谐振腔长度的大范围调节，同时通过PZT驱动控制模块对谐振腔长度进行快速直接的调节，从而反馈控制锁相激光L_L的频率v_L使得Δv_M-L趋于0，当Δv_M-L＝0时，目标端激光模块的光频锁定阶段结束，其输出锁相激光L_L及回传激光L_B的频率锁定为入射的测量激光的频率，即v_B＝v_L＝v′_M；步骤十、目标端的激光模块在其光频锁定控制阶段结束后进入锁相跟踪控制阶段，首先取合光反射拍频信号S_R和合光透射拍频信号S_T进行反正切相位测量，得到测量激光与锁相激光L_L的鉴相结果为将测量得到的相位值作为锁相闭环控制信号输入数字控制器，通过PZT驱动控制模块对激光模块的谐振腔长度进行精细快速调节，反馈控制锁相激光L_L的相位使得趋于0，当时，激光模块的锁相控制过程完成，其输出锁相激光L_L及回传激光L_R的频率锁定为入射的测量激光的相位，即步骤十一、当光学锁相跟踪系统失锁时，重复步骤九和步骤十，激光模块的锁相激光L_L及回传激光L_R即可对测量激光重新锁相跟踪；步骤十二、利用四分之一波片将频率和相位均锁定于测量激光的线偏振回传激光L_B转化为圆偏振光，回传至测量端后再由四分之一波片将其转化为偏振方向水平的线偏振光，受目标端相对测量端位移变化而导致多普勒频移效应的影响，回传激光L_B到达测量端的频率发生变化，将其表示为v′_B，则根据多普勒频移的近似公式有${v^{\prime }}_B=v_M+\frac{2u}{\lambda };$式中，u为目标端相对测量端的运动速度，λ为测量激光与回传激光L_B的平均波长，步骤十三、将回传激光L_B与参考激光L_R合光并进行混频得到外差干涉测量的测量拍频信号，利用高速探测器将该拍频信号转化为电信号，将其记为S_meas，其频率为参考激光L_R与回传激光L_B的频率差$v_{\mathrm{meas}}={v^{\prime }}_B-v_R=v_M-v_R+\frac{2u}{\lambda };$步骤十四、将外差干涉测量的参考信号S_ref和测量信号S_meas分别输入相位细分模块后进行频率相减，由此得到目标端运动而产生的多普勒频移信号，对其进行相位细分及累加计算后，由位移计算模块根据累计的相位值解算出目标端相对测量端的位移。