CN102353963A - 基于光域双环路光电振荡器的测距系统 - Google Patents

基于光域双环路光电振荡器的测距系统 Download PDF

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一种基于光域双环路光电振荡器的测距系统。本发明利用偏振分束器和偏振合束器构建一光域双环路OEO结构，其中一路引入了待测的空间光路，另一路长度可自由选定。根据OEO的工作原理，起振模式的间隔也即基频由环路对光信号的延时决定，两个环路各自决定了一套起振模式，在增益竞争的作用下，只有同时满足两套模式的频率成分才能起振，这样确保了起振频率的稳定性。双环起振频率是待测环路单环起振基频的整倍数，通过计算该倍数，可精确计算出待测环路的基频,进而唯一确定待测环路的长度。本系统测量精度可达μm量级，测量范围达1km，且抗干扰能力强，隐蔽性好，本发明可广泛应用于工业测控、精密仪器制造以及军事等领域。

Description

基于光域双环路光电振荡器的测距系统
技术领域
本发明涉及一种激光测距系统，尤其涉及一种基于光域双环路光电振荡器的测距系统。 
背景技术
激光测距是集光学、激光、计算机、光电子及集成电子等多种技术为一体的综合性技术，广泛应用于遥感、精密测量、工程建设、安全监测以及智能控制等领域，无论在军事应用方面，还是在科学技术、生产建设方面，都起着重要的作用。与其他测距技术相比，激光测距具有抗干扰能力强，可以避免微波贴近地面的多路径效应和地物干扰问题，并且具有质量轻、结构小巧、安装调整方便等优点，是目前高精度测距最理想的仪器之一。
典型激光测距的方法有脉冲法、相位法、干涉法等，这些方法各有特点，分别应用于不同的测量环境和测量领域。脉冲法的测量范围从几十米到上万千米，精度为米量级，主要应用于科研与军事领域，比如地月距离测量等；相位法的测量范围从几米到几千米，精度达到毫米量级，主要应用于大地测量与工程测量；干涉法一般测量厘米左右的距离，精度高达微米量级，主要应用于地质灾害的预报。在实际测量工作中，要根据不同激光测距方法的测量范围和精度，正确选择合适的测量方法，以达到测量设计的基本要求。
一．脉冲法  
脉冲法激光测距是激光在测距领域的最早应用，利用了激光脉冲持续时间极短、瞬时功率很大的特点，即使没有合作目标，也能通过接收被测目标的漫反射信号，进行距离测量。脉冲法激光测距的原理与雷达测距相似，利用脉冲激光器向目标发射单次激光脉冲或激光脉冲串，计数器测量激光脉冲到达目标并由目标返回到接收机的往返时间，由此计算目标的距离。脉冲测距的原理和结果比较简单，测程远，缺点是绝对测量精度不高。
二．相位法
相位法激光测距是利用发射的调制光和被测目标反射的接收光之间的相位差包含的距离信息，来实现对被测目标距离的测量。当目标距离较大时，相位延迟有可能大于正弦调制光波的一个周期，为此需将调制频率减小，或采用多个频率来测定同一距离。此外，由于不同目标物的材质会对回波的相位产生影响，为了确保测量精度，通常要在被测目标上安装激光反射器即合作目标。不采用合作目标时，测量范围在几米至几十米；采用合作目标时，测量范围可达几万米，测量精度可达到毫米量级，相对误差可达百万分之一。
三．干涉法
干涉法测距是经典的精密测距方法，原则上它也是一种相位法测距，但它不是通过测量激光调制信号的相位差，而是测量未经调制的光波本身的相位干涉来测距。干涉法测距就是利用光的干涉原理使激光束产生明暗相间的干涉条纹，由光电转换原件接收并转换为电信号，经处理后由计数器计数，从而实现对位移量的检测。干涉法激光测距具有极高的精度，但由于干涉法测距只能测出相对距离，且对外界环境的震动极为敏感，在室外长距离进行绝对干涉测量，多值性的鉴别十分关键却又十分困难，许多技术的问题还有待解决。
通过上面的介绍可以看出，传统的测距方法各有其优缺点，突出的一个问题是测量范围同测量精度互相制约，要想既有大的测量范围又有高的测量精度很难实现。
发明内容
本发明的目的解决现有技术存在测量范围同测量精度互相制约的问题，提供一种基于光域双环路光电振荡器的激光测距系统。
本发明通过将被测距离引入振荡器环路，把距离长度信息转换成频率信息，巧妙地利用振荡器将频率信息放大                                                
Figure 398987DEST_PATH_IMAGE001
倍，在相同观测条件和测试精度前提下，测量的误差便缩小了
Figure 863598DEST_PATH_IMAGE001
倍。本系统测量范围可达1km，测量精度可达量级，相对测量精度可达109。
本发明提供的基于光域双环路光电振荡器的测距系统，包括激光器，由激光器发出的光经偏振控制器送入电光调制器，经调制后的光经掺铒光纤放大器放大后，再送入偏振分束器分成两路，一路光信号经保偏单模光纤直接送入偏振合束器，另一路光信号经过保偏单模光纤并经光学天线的发射接收在待测距离内传输后再送入偏振合束器，经偏振合束器合束后的两路信号光送入光电探测器，由光电探测器将光信号转换成电信号，然后经电路将电信号送入电滤波器，滤波后的电信号一路作为测量信号输出，另一路经电放大器后作为反馈信号连接电光调制器。
所述的偏振分束器无损的将光分为两束，且这两束光的偏振方向相垂直。
将待测距离引入振荡环路时，为确保待测环路的基频有足够大的放大倍数，保证测量精度，环路中增加一段经过精确测量、长度已知的补偿光纤。
所述光学天线能够用任何具有对光信号进行发射和接收功能的器件代替
所述电光调制器可用任何具有电光强度调制或相位调制功能的器件代替。
所述激光器输出的光是偏振态及功率稳定的连续光。
所述掺饵光纤放大器是任意能够为环路提供增益的光放大器。
所述光域两个环路中的光纤能够用任何对光具有延时特性的光纤、器件、空间代替，包括保偏光纤或非保偏的普通单模光纤、色散补偿光纤。
所述电滤波器能够用任何具有滤波功能且不影响振荡器性能的器件代替。电滤波器的中心频率可根据测量范围和测量精度进行选定，中心频率选取的越高，对待测环路基频的放大倍数就越大，测量精度也越高。
所述电放大器能够用任何具有放大功能且不影响振荡器性能的器件代替。
所述偏振控制器是电控的或手动的。
本发明有源器件仅包括激光器、光放大器、光电探测器以及电放大器，其它均为无源器件，因此该系统具有极高的稳定性，几乎无需维护。
 
本发明的测量原理
本发明中的激光器，电光调制器，电滤波器，光电探测器构成一个正反馈环路，利用调制及滤波器选频得到了稳定的、频谱干净的射频/微波信号。
振荡环路起振模式的间隔也即基频
Figure 615708DEST_PATH_IMAGE003
由环路对光信号的延时决定，即
Figure 164501DEST_PATH_IMAGE004
，其中
Figure 564127DEST_PATH_IMAGE005
为延时量，它由
Figure 893477DEST_PATH_IMAGE006
所确定，其中为光纤折射率，
Figure 308726DEST_PATH_IMAGE008
为环路长度，
Figure 629986DEST_PATH_IMAGE009
为真空中的光速。于是，我们可得到
Figure 695900DEST_PATH_IMAGE010
  。
系统中的两个环路各自决定了一套起振模式，在增益竞争的作用下，只有同时满足两套模式的频率成分才能起振，因此最后得到的射频/微波信号的频率
Figure 495229DEST_PATH_IMAGE011
为两个环路基频
Figure 831663DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 261507DEST_PATH_IMAGE013
的公倍数（
Figure 611455DEST_PATH_IMAGE014
）。待测距离所在的环路单独起振时测得
Figure 214475DEST_PATH_IMAGE015
，可求得
Figure 670995DEST_PATH_IMAGE016
，进而可精确求得
Figure 68478DEST_PATH_IMAGE015
，最后求得待测距离的长度。
 
本发明的优点和有益效果：
本发明利用光域双环路光电振荡器构建了一激光测距系统，该系统保留了原有激光测距抗干扰能力强、可以避免微波贴近地面的多路径效应和地物干扰、质量轻、结构小巧、安装调整方便等优点，同原有激光测距方法相比，特别具有以下几点优势：一、测量范围广，测量精度高，突破了两者相互制约的限制。本发明的测距原理是将被测距离引入振荡器环路，把距离长度信息转换成频率信息，巧妙地利用振荡器将频率信息放大，在相同观测条件和测试精度前提下，测量的误差便大大缩小。在待测距离较小时，可通过加入补偿光纤的方法来保证测量精度。本系统测量范围可达1km，测量精度可达
Figure 108984DEST_PATH_IMAGE002
量级，相对测量精度可达109。二、操作简单易行。利用本系统进行测距时，除利用光开关将其中一个环路断开外，剩下的工作只需读取电谱仪上相应的频率值即可，无需其他调整操作，简单易行。基于上述优点，本发明可广泛应用于工业测控，精密仪器制造等领域。此外由于本测距系统抗干扰能力强，隐蔽性好，在军事领域也有着极好的应用前景。
 
【附图说明】
图1为基于光域双环路光电振荡器测距系统的组成框图。图中，1偏振控制器，2电光调制器，3保偏掺铒光纤放大器，4偏振分束器（PBS），5保偏单模光纤（PMF）和补偿光纤，6光学天线，7偏振合束器（PBC），8光电探测器，9电滤波器，10电放大器。
图2为振荡器输出频谱。
图3为双环路结构选模特性示意图。
 
【具体实施方式】
以下将结合具体实施方式对本发明进行详细描述。
如图1所示为整个测距系统的组成框图，其中包括：激光器、电光调制器2、耦合器、掺铒光纤放大器3、偏振分束器4、光学天线6、偏振合束器7、光电探测器8、电滤波器9、电放大器10、偏振控制器1及保偏单模光纤和补偿光纤5。
由激光器发出的光经偏振控制器送入电光调制器，经调制后的光经掺铒光纤放大器放大后，再送入偏振分束器分成两路，一路光信号经保偏单模光纤直接送入偏振合束器，另一路光信号经过保偏单模光纤并经光学天线的发射接收在待测距离内传输后再送入偏振合束器。光学天线可采用单一收发或分离收发模式，分别用扩束镜和透射式透镜、反射式透镜来实现。经偏振合束器合束后的两路信号光送入光电探测器，由光电探测器将光信号转换成电信号，然后经电路将电信号送入电滤波器，滤波后的电信号一路作为测量信号输出，另一路经电放大器后作为反馈信号连接电光调制器。
 
请参阅图2，根据OEO的工作原理，振荡环路起振模式的间隔也即基频由环路对光信号的延时决定， 即，其中
Figure 581650DEST_PATH_IMAGE005
为延时量，它由
Figure 150035DEST_PATH_IMAGE006
所确定，其中
Figure 366252DEST_PATH_IMAGE007
为光纤折射率，
Figure 560342DEST_PATH_IMAGE017
为环路长度，为真空中的光速。于是，我们可得到
Figure 917691DEST_PATH_IMAGE010
即环路长度与基频
Figure 168675DEST_PATH_IMAGE003
有着一一对应的关系，这样就巧妙地将测距转换成了测量频率。本测距系统利用偏振合/分束器将振荡环路在光域分成了两个部分，环路①和环路②。两个环路各自决定了一套起振模式，其基频分别为：
Figure 589292DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 124179DEST_PATH_IMAGE019
其中
Figure 283634DEST_PATH_IMAGE020
为环路①的长度，
Figure 208864DEST_PATH_IMAGE021
为环路②的长度。
Figure 495489DEST_PATH_IMAGE022
其中
Figure 635615DEST_PATH_IMAGE023
为经过精确测量的补偿光纤的长度，
Figure 982282DEST_PATH_IMAGE008
为待测距离的长度。因此，为了得到待测距离，需要知道环路②所确定的基频
Figure 394809DEST_PATH_IMAGE015
请参阅图3，在增益竞争的作用下，只有同时满足两套模式的频率成分才能起振，构建光域双环路的目的就在于抑制边模，保证光电振荡器的稳定性。因此最后得到的射频/微波信号的频率
Figure 468813DEST_PATH_IMAGE024
为两个环路基频
Figure 712713DEST_PATH_IMAGE025
、
Figure 981014DEST_PATH_IMAGE015
的公倍数（
Figure 880837DEST_PATH_IMAGE026
）。
在双环振荡模式下，通过电谱仪可观测到振荡器输出的射频/微波信号的频率
Figure 509264DEST_PATH_IMAGE024
（精确到Hz），之后断开环路①，让包含待测距离的环路②单独起振，观测得到
Figure 856938DEST_PATH_IMAGE015
（精确到Hz），为了提高测量精度，先通过求得
Figure 368746DEST_PATH_IMAGE016
的准确值，即
再利用
Figure 504509DEST_PATH_IMAGE029
求得
Figure 363881DEST_PATH_IMAGE015
的精确值，进而确定待测距离的长度
Figure 284301DEST_PATH_IMAGE008
。优化系统参数，
Figure 457793DEST_PATH_IMAGE016
可以为106量级，因此求得的
Figure 530791DEST_PATH_IMAGE008
可精确到
Figure 498747DEST_PATH_IMAGE002
量级。
上述内容仅仅提供了本发明的优选的实施方式。本技术领域的普通技术人员根据本发明所提供的文字描述、附图以及权利要求书能够很容易想到，在不脱离权利要求书所限定的本发明的构思和范围的条件下，可以做出多种变化和改动。凡是依据本发明的技术实质对上述实施例作任何修改、等同变化和修饰，均属于本发明的权利要求所限定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于光域双环路光电振荡器的测距系统，其特征在于，该系统包括激光器，由激光器发出的光经偏振控制器送入电光调制器，经调制后的光经掺铒光纤放大器放大后，再送入偏振分束器分成两路，一路光信号经保偏单模光纤直接送入偏振合束器，另一路光信号经过保偏单模光纤并经光学天线的发射接收在待测距离内传输后再送入偏振合束器，经偏振合束器合束后的两路信号光送入光电探测器，由光电探测器将光信号转换成电信号，然后经电路将电信号送入电滤波器，滤波后的电信号一路作为测量信号输出，另一路经电放大器后作为反馈信号连接电光调制器。
2.如权利要求1所述的基于光域双环路光电振荡器的测距系统，其特征在于所述的偏振分束器无损的将光分为两束，且这两束光的偏振方向相垂直。
3.如权利要求1所述的基于光域双环路光电振荡器的测距系统，其特征在于，将待测距离引入振荡环路时，为确保待测环路的基频有足够大的放大倍数，保证测量精度，环路中应增加一段经过精确测量、长度已知的补偿光纤。
4.如权利要求1所述的基于光域双环路光电振荡器的测距系统，其特征在于所述的光学天线能够用任何具有对光信号进行发射和接收功能的器件代替。
5.如权利要求1所述的基于光域双环路光电振荡器的测距系统，其特征在于，所述电光调制器能够用任何具有电光强度调制或相位调制功能的器件代替。
6.如权利要求1所述的基于光域双环路光电振荡器的测距系统，其特征在于，所述激光器输出的光是偏振态及功率稳定的连续光。
7.如权利要求1所述的基于光域双环路光电振荡器的测距系统，其特征在于，所述掺饵光纤放大器是任意能够为环路提供增益的光放大器。
8.如权利要求1所述的基于光域双环路光电振荡器的测距系统，其特征在于，所述光域两个环路中的光纤能够用任何对光具有延时特性的光纤、器件、空间代替，包括保偏光纤或非保偏的普通单模光纤、色散补偿光纤。
9.如权利要求1所述的基于光域双环路光电振荡器的测距系统，其特征在于，所述电滤波器能够用任何具有滤波功能且不影响振荡器性能的器件代替，所述电放大器能够用任何具有放大功能且不影响振荡器性能的器件代替。
10.如权利要求1所述的基于光域双环路光电振荡器的测距系统，其特征在于，所述偏振控制器是电控的或手动的。
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