光纤基线标定激光测距仪方法研究

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1、光纤基线标定激光测距仪的方法研究史洁琴1何珂1徐永2（1.北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京100191；2.北京长城计量测试技术研究所长度研究室，北京100095）摘要：提出利用光纤基线代替野外基线标定激光测距仪的方法，将室外基线引入到室内。研究激光到光纤耦合方法并选取适当的耦合元件参数，搭建稳定的激光器到光纤高效耦合平台。对三段不同长度光纤基线进行了光程长度测量实验，分析了光波长、温度、聚焦透镜、色散等因素对测量结果的影响。实验获得了稳定的测量数据，测量结果偏差在2mm以内，验证了方法的可行性。关键词：激光测距仪；室内基线；

2、标定；光纤耦合中图分类号：TN247文献标识码：A引言标定激光测距仪的常用方法是野外基线场的六段比较法，但是野外基线场需要占用大量的土地资源，也受到天气、环境等因素等影响[1]。因此国内外学者都致力于室内检定方法的研究。但室内基线长度往往较短，检测结果精度不高，难以作为检定基准。为了增加室内基线长度，国外的研究者们用平面反射镜来折叠光线[2]，达到延长光路的目的，采用该方法能延长室内基线的长度最大可达180~200m，但重复性误差在毫米级且不稳定，有的甚至达到分米级[3]，加上用于延长和控制光路的反光镜需要严格精密加工和精确定位，难度较大

3、。光纤具有直径小、透光谱段宽、传输损耗低、传输光路灵活、占用空间小等优点，因此采用室内光纤基线替代野外基线成为一种发展趋势[1,4]，相关研究专家利用光纤建立室内基线进行了研究，在实验室实现了室内用光纤基线对激光测距仪的标定，但光纤基线长度只有30米左右，且稳定重复性误差也在毫米级[4]。本文根据激光测距仪光信号与光纤特点，通过对耦合方式及透镜与光纤参数的选择，建立了激光器与光纤耦合模型，搭建稳定的实验平台，对200m以内的光纤基线进行了标定实验，获取了稳定的测量结果，并对测量结果造成影响的因素进行分析。与现有室内光纤基线相比，用本文所述

4、的光纤基线标定测距仪方案可在空间较小的室内环境下，满足更长距离、更高精度激光测距仪的校准需求。1光纤基线标定测距仪方法光纤标定激光测距仪的系统原理图如图1所示。激光测距仪出射的光信号由聚焦透镜聚焦后进入到光纤中，经光纤传输后光信号再通过接收透镜回到激光测距仪的接收端进行读数。由于激光经光纤传输后可能引入杂散光的干扰，因此加入窄带滤波片限制接收光谱的范围，有利于提高光程测量精度，而且该滤光片也用来滤除背景杂散光。图1系统原理图测量时，激光测距仪的读数为测距仪发出的光波在光纤中传播所经历的光程长加上测距仪到光纤前端面的附加光程长的一半。光纤基

5、线的绝对长度可通过比激光测距仪精度更高的基于全光纤干涉法的高精度、大量程光纤绝对长度测量方法测得[5]，将激光测距仪的测量结果与被测光纤的绝对长度进行对比，便可实现激光测距仪的高精度标定。激光与光纤的耦合效率是实现长距离、高精度激光测距仪的校准的关键，激光到光纤的耦合实际上是二者模场之间的匹配。要实现激光束到光纤的高效耦合，必须满足以下两个条件：入射到光纤端面的光斑小于光纤芯径大小，且进入光纤的光束发散角满足光纤的数值孔径NA(numericalaperture)要求。即：（1）其中f为聚焦光斑大小，2a为光纤芯径。qmax为最大入射角。

6、激光测距仪发出的激光是高斯光束，具有一定的光斑大小和发散角。使用光电扫描法对光斑尺寸进行测量[6]，经过测量，激光测距仪的出射光斑大小直径3mm，发散角约为0.6mrad，近似平行光。结合式（1）的要求，设定聚焦透镜参数。透镜的主要参数为镜片直径，厚度及焦距。透镜的焦距f是一个很重要的参数，它能决定汇聚光斑的大小及入射到光纤内的入射角大小。设w是准直激光光束的直径，则理想的激光光束通过聚焦透镜的束腰半径为：（2）其中，f是透镜的焦距，是入射光波长。通常影响聚焦光斑的是激光衍射和空间像差[7]，激光衍射影响聚焦焦斑的直径的表达式：（3）空间

7、像差对聚焦光斑大小的影响为：（4）其中n为传播媒介折射率。由以上两式可以看出，要减小激光衍射对聚焦的影响，应使用短焦距透镜；而长焦透镜可以减小空间像差对聚焦的影响。同时考虑激光衍射和空间像差时，所选聚焦透镜最佳焦距为：（5）此时得到的聚焦光斑大小为：（6）对本文实验中使用的激光测距仪，出射光斑大小直径3mm，发散角约为0.6mrad，则根据式（1）及式（5）的要求，选取焦距为50mm的聚焦透镜，理论能获得的聚焦光斑大小为10.7um，小于光纤芯径。同时50mm的焦距f也可以保证入射光角度满足光纤的数值孔径NA要求。2实验及结果分析2.1实

8、验装置和设备本文的实验装置如图2所示。该装置由激光测距仪、透镜、光纤及其夹具、调整支架、光功率计等组成。激光测距仪发出的激光束经透镜光纤传输后，回到该仪器的接收窗口。带透镜和套管的光纤头通过五