申请/专利权人：华东师范大学重庆研究院;华东师范大学;上海朗研光电科技有限公司;重庆华谱科学仪器有限公司;重庆华谱智能装备有限公司;云南华谱量子材料有限公司;广东朗研科技有限公司

申请日：2021-11-09

公开（公告）日：2024-07-05

公开（公告）号：CN114019525B

主分类号：G01S17/10

分类号：G01S17/10;G01S7/481;G01D21/02

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.07.05#授权;2022.09.23#专利申请权的转移;2022.02.25#实质审查的生效;2022.02.08#公开

摘要：本发明提供一种基于光梳的高精度激光光谱测距方法，包括如下步骤：S1、利用双光梳法测量目标脉冲飞行时间；S2、对双光梳干涉信号数据进行傅立叶变换，获取光谱信息；S3、对信号光谱进行归一化处理和吸收峰拟合；S4、通过吸收光谱计算光路径中的大气温度和气体压力；S5、利用所得的大气温度和气体压力，对光路径中的空气折射率进行修正，得到修正后的空气折射率；S6、根据修正后的空气折射率，计算目标距离。本发明利用光梳光谱范围宽的特点，在光梳脉冲飞行时间测距的基础上，同时实现大气中水分子吸收谱线的测量，利用谱线拟合得到大气温度与气体压力信息，实时修正空气折射率，提升测距精度，解决了现有大气不确定性导致测距精度差的问题。

主权项：1.一种基于光梳的高精度激光光谱测距方法，其特征在于，在该方法中采用了一种基于光梳的高精度激光光谱测距系统，所述基于光梳的高精度激光光谱测距系统包括探测光梳光源、本振光梳光源、环形器、输出耦合器、镀膜参考镜片、目标物、分束器、平衡探测器、低通电子滤波器、超低噪声放大器、数据采集卡和电脑，所述探测光梳光源和本振光梳光源处于近红外波段，重复频率不同而具有相同的光谱覆盖范围和中心波长，且光谱波段在水分子的近红外吸收峰处，所述探测光梳光源的输出光经过环形器，由输出耦合器输出到空间通过镀膜参考镜片被分为两束，一束光为参考脉冲直接被镀膜参考镜片反射，另一束光为目标脉冲透过镀膜参考镜片经过目标距离后被目标物反射，反射光沿原路返回，反射的参考脉冲和目标脉冲先后通过环形器后，与所述本振光梳光源的输出光在分束器进行合束，所述分束器输出比率为1：1的两路输出分别接入平衡探测器的正负输入端，所述平衡探测器输出双光梳干涉信号即参考和目标两个干涉信号，并经过低通电子滤波器滤去背景与高频噪声，通过所述超低噪声放大器放大后由数据采集卡记录，再由所述电脑进行数据与信号处理；该方法包括如下步骤：S1、利用双光梳法测量目标脉冲飞行时间δt，所述目标脉冲飞行时间δt与参考和目标两个干涉信号之间的时间间隔δT的关系为： 式中，定义为双光梳转换因子，fr为探测光梳光源的重复频率fr1，Δfr为两台光梳光源的重复频率差fr2-fr1，fr2为本振光梳光源的重复频率；S2、对双光梳干涉信号数据进行傅立叶变换，获取光谱信息：对参考脉冲与本振脉冲干涉信号进行快速傅立叶变换，得到傅立叶光谱，作为参考的光谱背景；对目标脉冲与本振脉冲干涉信号进行快速傅立叶变换，得到经过目标距离后的信号光谱，信号光谱中会出现由于空气中水分子吸收作用的凹陷吸收峰；S3、对信号光谱进行归一化处理和吸收峰拟合：将信号光谱除以光谱背景再乘以100％，即可获得归一化的吸收光谱图；在归一化光谱中，截取一个或多个水分子吸收峰，采用Voigt函数进行单峰或多峰拟合，拟合后得到水分子吸收峰的多普勒线宽ΔvD和谱线中心频率v0，拟合公式如下： 式中，α和w为自由变量并作为拟合结果输出，y为积分变量，ΔvC为水分子的气压加宽线宽，v为探测光频率；S4、通过吸收光谱计算光路径中的大气温度T和气体压力P：多普勒线宽ΔvD与大气温度T的关系如下： 式中，M为分子的摩尔质量，为常数；所述气体压力P采用如下公式计算：ΔvS＝v0-v'0＝P∑XAδAδA＝δAT0T0TM'式中，ΔvS为吸收光谱的中心频率在气压作用下产生压力频移的偏移量，XA为摩尔分数，v'0为标准光谱数据库HITRAN中气体在T0温度下对应的吸收峰谱线的中心频率，δAT0表示T0温度下压力引入的频移系数，M'为常数；S5、利用所得的大气温度T和气体压力P，对光路径中的空气折射率进行修正，得到修正后的空气折射率n0-TP如下： 式中，大气温度T的单位为℃，气体压力P的单位为Pa，n0为一个标准大气压下常温干燥空气的折射率，且为已知量；S6、根据修正后的空气折射率n0-TP，采用下式计算目标距离D： 式中，c为真空光速，为空气中光的传播速度。

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