基于光路延迟的时间间隔测量校准装置及其测量校准方法
【专利摘要】本发明属于时间测量领域，特别涉及一种基于光路延迟的时间间隔测量校准装置及其测量校准方法。基于光路延迟的时间间隔测量校准装置，包括光源（1）、Y型光纤（2）、第一光电探测器（3）和第二光电探测器（4）、发射透镜（5）、接收透镜（6）、传光光纤（7）、时间间隔测量系统（8）、位移测量系统（9）、运动平台（10）及导轨（11）本发明原理简单，结构紧凑，方便溯源；校准的时间分辨率高，系统的不确定度小；装置操作方便灵活，重复性好、稳定性高。
【专利说明】基于光路延迟的时间间隔测量校准装置及其测量校准方法
【技术领域】
[0001]本发明属于时间测量领域，特别涉及一种基于光路延迟的时间间隔测量校准装置及其测量校准方法。
【背景技术】
[0002]时间间隔测量被广泛应用于航空航天、雷达定位、激光测距、爆轰物理、冲击波物理以及核物理探测等应用领域，随着对时间间隔精度的要求越来越高，如何对时间间隔测量系统校准成为一个难点问题。
[0003]目前国内外进行时间间隔校准主要采用现有设备与仪器来进行校准，而当时间间隔测量系统的精度达到一定程度后，没有更好的测量系统来进行校准，长城无线电计量测试研究所采用高速脉冲发生器、宽度功分器、同轴空气延迟线等组成了一套校准装置，实现IOps-1ns的测量范围，步进长度Ips的时间间隔校准方法(杨志强，宋跃.一种高精度时间间隔计数器的校准方法.国外电子测量技术，2009，28 (5):21-24)。该方法具有校准分辨率高，精度高的优点，但该方法的可变延迟线在使用前需要定标，同轴空气延迟线需要特殊设计，同时因为采用示波器进行校准，存在使用不方便等问题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种高精度的基于光路延迟的时间间隔测量校准装置，本发明的目的还在于提供一种基于光路延迟的时间间隔测量校准方法。
[0005]本发明的目的是这样实现的:
[0006]基于光路延迟的时间间隔测量校准装置，包括光源(I)、Y型光纤(2)、第一光电探测器(3)和第二光电探测器(4)、发射透镜(5)、接收透镜(6)、传光光纤(7)、时间间隔测量系统(8)、位移测量系统(9)、运动平台(10)及导轨(11)，光脉冲信号经过Y型光纤(2)后分成两束，一束激光直接输出给光电探测器，另一束激光通过发射透镜(5 )发射出去被接收透镜(6)接收，在光电探测器(4)上产生脉冲信号，作为停止信号给时间间隔测量系统(8)，其中发射透镜(5)安放在导轨(11)上，接收透镜(6)安放在移动平台(10)上；运动平台(10)的位移由位移测量系统(9)测量获得。
[0007]通过改变发射透镜(5)与接收透镜(6)之间的距离，来改变光信号在空气中的传播时间，从而校准与标定测量的时间间隔。
[0008]位移测量系统(9)选择双频激光或光栅尺。
[0009]光电探测器(3)可以通过某些激光器中自带的光电探测来实现。
[0010]基于光路延迟的时间间隔测量校准方法:
[0011]I)打开光源(1)，以一定频率射出的光脉冲信号经过Y型光纤(2)后分成两束，其中一束直接输出给光电探测器(3 ),产生电脉冲信号，作为开始信号给时间间隔测量系统
(8);另一束激光通过发射透镜(5)发射出去，在空间自由传播后被接收透镜(6)接收，在光电探测器(4)上产生脉冲信号，作为停止信号给时间间隔测量系统(8)；[0012]2)记录运动平台(10)在当前位置时时间间隔测量系统(8)测得的时间延迟T1 ；
[0013]3)移动导轨(11)上的运动平台(10)，并使平台带动接收透镜(6)运动一段距离S，在位移测量系统(9)的测量下，测量出运动位移的变化量AS1，计算由运动平台(10)位移变化引起的光信号传播时间的变化At1:
[0014]At1=AS1A
[0015]其中，光在空气中的传播速度V可以通过Enlder公式修正后获取；
[0016]4)稳定一段时间后，记录时间间隔测量系统(8)测得的时间间隔T2，从而得到由时间间隔测量系统(8)测得的时间间隔增量AT1=T2-T1 ；
[0017]5)继续移动运动平台(10)，使其位移进一步变化，测得此时的位移变化量S2，并计算由位移变化引起的光信号传播时间的变化At2=S2ZV记录下时间间隔测量系统(8)测得的时间间隔T3，得到此时的时间间隔增量AT2=T3-T1 ；
[0018]6)进行多点测量，比对AT与At之间的关系，确定校准参数。
[0019]本发明的有益效果在于:
[0020]本发明利用发射透镜与接收透镜之间的距离改变来实现时间间隔变化量的标定与校准，能够方便、准确地溯源；改变发射透镜与接收透镜之间的距离，能够有效地扩展校准时间的范围；本发明原理简单，结构紧凑，方便溯源；本发明校准的时间分辨率高，系统的不确定度小；本发明装置操作方便灵活，重复性好、稳定性高。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为基于光路延迟的时间间隔测量校准装置示意图。
【具体实施方式】
[0022]本发明的目的在于针对高精度的时间间隔测量系统，研究提供一种基于光路延迟的高精度时间间隔测量校准方法，通过测量光信号传播的距离得到其飞行时间来对时间间隔测量系统进行校准，以达到校准高精度时间间隔测量系统的目的，且提供了一种高精度时间间隔校准装置，使该方法得以实施。
[0023]上述目的通过以下的技术方案实现:
[0024]本发明所述的基于光路延迟的时间间隔测量校准方法，包括:
[0025]①、首先，检测前调整整个系统，打开光源，以一定频率射出的光脉冲信号经过Y型光纤后分成两束，其中一束直接输出给光电探测器，产生电脉冲信号，作为开始信号给时间间隔测量系统；另一束激光通过发射透镜发射出去，在空间自由传播一定距离后被接收透镜接收，然后在光电探测器上产生脉冲信号，作为停止信号给时间间隔测量系统；
[0026]②、测量时，首先记录下运动平台在当前位置时时间间隔测量系统测得的时间延迟T1;
[0027]③、接着，移动导轨上的运动平台，并使平台带动接收透镜运动一段距离，在位移测量系统的测量下，测量出运动位移的变化量AS1，并根据以下公式计算由运动平台位移变化引起的光信号传播时间的变化At1:
[0028]At1=AS1A (I)
[0029]其中，光在空气中的传播速度V可以通过Enlder公式修正后获取；[0030]④、稳定一段时间后，记录下时间间隔测量系统测得的时间间隔T2，从而得到由时间间隔测量系统测得的时间间隔增量AT1=T2-T1 ；
[0031]⑤、然后，继续移动运动平台，使其位移进一步变化，测得此时的位移变化量S2，并计算由位移变化引起的光信号传播时间的变化M2=S2ZV ;等待一段时间后，记录下时间间隔测量系统测得的时间间隔T3，得到此时的时间间隔增量AT2=T3-T1 ；
[0032]⑥、依此类推，进行多点测量，绘制表格来比对AT与At之间的关系，并通过相互之间的关系，来对时间间隔测量系统进行校准。
[0033]基于光路延迟的时间间隔测量校准装置，包括光源，还包括Y型光纤、光电探测器、发射透镜、接收透镜、传光光纤、时间间隔测量系统、位移测量系统、运动平台及导轨，其中发射透镜安放在导轨上，接收透镜安放在移动平台上；运动平台的位移由位移测量系统测量获得。
[0034]位移测量系统可以是双频激光也可以是光栅尺，还可以是别的长度测量工具。
[0035]传光光纤可以存在，也可以直接通过接收透镜接收激光直接耦合到光电探测器上。
[0036]光电探测器可以通过某些激光器中自带的光电探测来实现，从而Y型光纤可以用也可以不用。
[0037]传光光纤可以存在，也可以直接通过接收透镜接收激光直接耦合到光电探测器上。
[0038]图中件号说明:1光源，2、Y型光纤，3、4光电探测器，5发射透镜，6接收透镜，7传光光纤，8时间间隔测量系统，9位移测量系统，10运动平台，11导轨。
[0039]下面结合附图对本发明的实施实例作详细说明。
[0040]本发明的装置包括:光源1，Y型光纤2，光电探测器3和4，发射透镜5，接收透镜6，传光光纤7，时间间隔测量系统8，位移测量系统9，运动平台10以及导轨11，其中光源I采用FP腔光源，波长为1550nm ;发射透镜5安放在导轨11上，接收透镜安放在接收透镜6上；移动平台10的位移由位移测量系统9测量获得。该装置光的运行路径为:光源I发射的光信号被Y型光纤2分成两束，其中一束激光直接传输给光电探测器3，形成电脉冲信号，直接作为开始信号给时间间隔测量系统8 ;另一束激光经光纤传输后，由安放于导轨11上的发射透镜5发射到自由空间中，通过安放在运动平台10上的接收透镜6接收，经传光光纤7传输给光电探测器4，形成电脉冲，作为停止信号给时间间隔测量系统8 ;当导轨11上的运动平台10位移发生改变时，由位移测量系统9对其位移量进行测量。
[0041]利用上述的一种基于光路延迟的时间间隔测量校准装置，本发明校准方法的【具体实施方式】包括以下步骤:
[0042]首先，检测前调整整个系统，打开光源1，以一定频率射出的光脉冲信号经过Y型光纤2后分成两束,其中一束直接输出给光电探测器3,产生电脉冲信号,作为开始信号给时间间隔测量系统8 ;另一束激光通过发射透镜5发射出去，在空间自由传播后被接收透镜6接收，在光电探测器4上产生脉冲信号，作为停止信号给时间间隔测量系统8 ；
[0043]测量时，首先记录下运动平台10在当前位置时时间间隔测量系统8测得的时间延迟1\ ；
[0044]接着，移动导轨11上的运动平台10，并使平台带动接收透镜6运动一段距离，在位移测量系统9的测量下，测量出运动位移的变化量AS1，并根据以下公式计算由运动平台10位移变化引起的光信号传播时间的变化At1:
[0045]At1=AS1A(I)
[0046]其中，光在空气中的传播速度V可以通过Enlder公式修正后获取；
[0047]稳定一段时间后，记录下时间间隔测量系统8测得的时间间隔1~2，从而得到由时间间隔测量系统8测得的时间间隔增量AT1=T2-T1 ；
[0048]然后，继续移动运动平台10，使其位移进一步变化，测得此时的位移变化量S2，并计算由位移变化引起的光信号传播时间的变化M2=S2ZV ;等待一段时间后，记录下时间间隔测量系统8测得的时间间隔T3，得到此时的时间间隔增量AT2=T3-T1 ；
[0049]依此类推，进行多点测量，绘制表格来比对AT与At之间的关系，并通过相互之间的关系，来对时间间隔测量系统8进行校准。
[0050]此实施实例具有非常好的重复性和准确性，在测量中计算公式简单，处理速度快，溯源方便，测量精度高等优点。`
【权利要求】
1.基于光路延迟的时间间隔测量校准装置，包括光源(1)、Y型光纤(2)、第一光电探测器(3)和第二光电探测器(4)、发射透镜(5)、接收透镜(6)、传光光纤(7)、时间间隔测量系统(8)、位移测量系统(9)、运动平台(10)及导轨(11)其特征在于:光脉冲信号经过Y型光纤(2 )后分成两束,一束激光直接输出给光电探测器，另一束激光通过发射透镜(5 )发射出去被接收透镜(6)接收，在光电探测器(4)上产生脉冲信号，作为停止信号给时间间隔测量系统(8)，其中发射透镜(5)安放在导轨(11)上，接收透镜(6)安放在移动平台(10)上；运动平台(10)的位移由位移测量系统(9)测量获得。
2.根据权利要求1所述的基于光路延迟的时间间隔测量校准装置，其特征在于:通过改变发射透镜(5)与接收透镜(6)之间的距离，来改变光信号在空气中的传播时间，从而校准与标定测量的时间间隔。
3.根据权利要求2所述的基于光路延迟的时间间隔测量校准装置，其特征在于:位移测量系统(9)选择双频激光或光栅尺。
4.根据权利要求3所述的基于光路延迟的时间间隔测量校准装置，其特征在于:光电探测器(3)可以通过某些激光器中自带的光电探测来实现。
5.基于光路延迟的时间间隔测量校准方法，其特征在于: O打开光源(I)，以一定频率射出的光脉冲信号经过Y型光纤(2)后分成两束，其中一束直接输出给光电探测器(3)，产生电脉冲信号，作为开始信号给时间间隔测量系统(8);另一束激光通过发射透镜(5)发射出去，在空间自由传播后被接收透镜(6)接收，在光电探测器(4)上产生脉冲信号，作为停止信号给时间间隔测量系统(8)； 2)记录运动平台(10)在当前位置时时间间隔测量系统(8)测得的时间延迟T1； 3)移动导轨(11)上的运动平台(10)，并使平台带动接收透镜(6)运动一段距离S，在位移测量系统(9)的测量下，测量出运动位移的变化量AS1，计算由运动平台(10)位移变化引起的光信号传播时间的变化At1:
Δ t!= Δ S1A 其中，光在空气中的传播速度V可以通过Enlder公式修正后获取； 4)稳定一段时间后，记录时间间隔测量系统(8)测得的时间间隔T2，从而得到由时间间隔测量系统(8)测得的时间间隔增量AT1=T2-T1 ； 5)继续移动运动平台(10)，使其位移进一步变化，测得此时的位移变化量S2，并计算由位移变化引起的光信号传播时间的变化M2=S2ZV记录下时间间隔测量系统(8)测得的时间间隔T3，得到此时的时间间隔增量AT2=T3-T1 ； 6)进行多点测量，比对AT与At之间的关系，确定校准参数。
【文档编号】G04F13/02GK103592838SQ201310563618
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月14日 优先权日:2013年11月14日
【发明者】钟志, 单明广 申请人:哈尔滨工程大学