CN104007442B - 基于重采样信号拼接法的连续激光调频测距装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于重采样信号拼接法的连续激光调频测距装置，包括可调谐激光器、激光器控制器、自适应测量干涉系统、辅助干涉系统、同步数据采集系统、数据处理系统和温度控制系统；可调谐激光器提供了线性频率调制激光，辅助干涉系统产生用于重采样的时钟信号，自适应测量干涉系统根据被测目标实际距离调整参考光纤长度，同步数据采集系统对自适应测量干涉系统和辅助干涉系统产生的两路拍频信号进行同步采样，数据处理系统进行重采样和信号拼接，计算获得测距结果。由于测量分辨率受限于激光调制线性度和调制范围，使用本发明数据处理方法可以补偿激光调制的线性度，扩大等效调制范围，提高了测距分辨率。本发明适合于高精度激光测距领域。

Description

基于重采样信号拼接法的连续激光调频测距装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种基于重采样信号拼接法的高分辨率连续激光调频测距装置及方法。

背景技术

自激光器诞生以来，凭借方向性好、亮度高、单色性好、相干性强且频率处于光波频段的显著特点，在测距性能上有着显著的应用优势。这些年激光测距技术迅速发展，并广泛应用于科学研究、计量、工业测量、航空航天和测绘等领域。特别在飞机、航天、船舶、大型装备制造等需要大尺寸测量(十几米至几十米)的领域，由于其测量范围较大而且直线校准和装配的要求很高，相对精度一般要求达到1—10ppm，要得到更高的装配精度以及提高生产量就需要高效的测量系统的帮助。激光测距作为其系统组成主要部分，决定了系统测量范围和测量精度。

连续激光调频测距技术起源于调频连续波雷达技术，是一种激光干涉测距技术。随着激光技术和硬件水平的连续激光调频测距的理论和技术水平得到迅速发展。脉冲法激光测距的分辨率受限于激光脉冲的脉宽和光电转换器件的带宽，只能达到毫米量级。相位法激光测距存在2π缠绕模糊度问题和幅-相误差的影响，测量精度一般为亚毫米量级。

现有连续激光调频测距技术，测距分辨率δ受到公式δ＝c/2B制约，激光器调制范围B较小，导致了测距分辨率较低。

发明内容

本发明为了克服激光器调制范围以及调制性能对连续激光调频测距分辨率的限制，提供了一种基于重采样信号拼接法的高分辨率连续激光调频测距装置及方法。本发明可以利用调制范围较小的激光器达到更高的测量分辨率。

本发明一种基于重采样信号拼接法的连续激光调频测距装置，包括：可调谐激光器，用于产生窄线宽调频连续波激光；所述可调谐激光器连接有激光器控制器，所述激光器控制器控制可调谐激光器发射光频线性调制的激光；所述可调谐激光器发射的光频线性调制的激光经过耦合器FC1分为A、B两路，其中，A路进入自适应测量干涉系统，B路进入辅助干涉系统；所述自适应测量干涉系统用于对被测目标镜进行探测，产生拍频信号，所述自适应测量干涉系统包括耦合器FC2、光隔离器、光环形器、准直透镜、整形光路、反射镜、耦合器FC3和多路延时光纤；进入所述自适应测量干涉系统的激光经过耦合器FC2分为C路和D路，其中，C路激光依次经过所述光隔离器、光环行器、准直透镜和整形光路，由反射镜反射后，原路返回进入所述光环行器，再进入耦合器FC3；D路激光经过已知长度的多路延时光纤后进入耦合器FC3与C路激光汇合，发生干涉，产生拍频信号S1，该拍频信号S1由光电探测器A探测；所述辅助干涉系统用于产生进行等光频重采样所需时钟信号；所述辅助干涉系统包括耦合器FC5、延时光纤和耦合器FC4；进入所述辅助干涉系统的激光经过耦合器FC5分为E路和F路，E路和F路调制激光经过长度恒定且已知光程差的延时光纤后，在耦合器FC4混频后，产生拍频信号S2，该拍频信号S2由光电探测器B探测；同步数据采集系统，用于对上述自适应测量干涉系统产生的拍频信号S1和辅助干涉系统产生的拍频信号S2进行同步采样；数据处理系统，用于对探测信号进行重采样、拼接，计算得到被测目标距离；温度控制系统用于控制自适应测量干涉系统和辅助干涉系统中参考光纤的温度，所述延时光纤和所述多路延时光纤均分别放置在所述温度控制系统中。

本发明一种基于重采样信号拼接法的连续激光调频测距方法是采用上述基于重采样信号拼接法的连续激光调频测距装置，并包括以下步骤：

测距信号的产生：利用如权利要求1所述基于重采样信号拼接法的连续激光调频测距装置，对被测反射镜进行探测，得到拍频信号S1和拍频信号S2；其中，E路和F路形成了参考干涉光路，C路和D路形成了测量光路，所述参考干涉光路的光程差大于所述测量光路的光程差两倍以上，使得拍频信号S2的频率是拍频信号S1的频率的2倍以上；测距信号产生包括以下步骤：

1-1步骤、激光器控制器控制可调谐激光器发射光频线性调制的激光，经过耦合器FC1分为A路和B路，A路进入自适应测量干涉系统，B路进入辅助干涉系统；

1-2步骤、进入测量干涉系统的激光经过耦合器FC2，分为C路和D路；C路激光经过光隔离器、光环形器、准直透镜和整形光路，由反射镜反射后，原路返回进入光环行器再进入耦合器FC3；D路激光经过已知长度的多路延时光纤后进入耦合器FC3与C路激光汇合，发生干涉，产生拍频信号S1，该拍频信号S1由光电探测器A探测；

1-3步骤、进入辅助干涉系统的激光经过耦合器FC5分为E路和F路；E路和F路调制激光经过长度恒定且已知光程差的延时光纤后，在耦合器FC4混频后，产生拍频信号S2，该拍频信号S2由光电探测器B探测；

同步数据采集：同步数据采集系统对拍频信号S1和拍频信号S2进行同步采样，并将拍频信号S2转换为时钟信号后，据此对拍频信号S1进行重新采样，步骤如下：

2-1步骤、同步数据采集系统的初始化，设置采样频率f、所需采样信号段数N₀、每段采样点数n；并设置已采样段数N＝0；

2-2步骤、数据采集,采集过程中对同步数据采集系统采集到拍频信号S1和拍频信号S2进行错误检测判断，如果没有错误则进行下一步骤，否则重新执行2-2步骤；

2-3步骤、将拍频信号S2转化为时钟信号，对采集的拍频信号S1进行重采样，得到等光频间隔采样信号；

2-4步骤、令采样段数N＝N+1；判断采样段数N是否等于N₀，如果N＝N₀则进行下一步骤，否则返回2-2步骤；

2-5步骤、对等光频间隔采样信号进行数据处理；

数据处理：实现拼接等光频间隔的采样信号时满足相位匹配的原则，最终，得到拼接信号频谱图像，并从频谱图像中得到被测目标的距离，步骤如下：

3-1步骤、设置所需采样信号段数N₀，并将已经拼接段数M设置为0；

3-2步骤、波峰检测找到第M段信号的最后十个波峰，循环移位分别找到这十个波峰中每个波峰的前一个采样点，将十个采样点数据存入数组X中；波峰检测找到第M+1段信号的段首十个波峰，循环移位分别找到这十个波峰中每个波峰的前一个采样点，将十个采样点数据存入数组Y中；循环相减X-Y，找到|X-Y|的最小值对应的X_t、Y_t，并找到找到X_t、Y_t对应的位置X_tx、Y_tx；

3-3步骤、删除第M段信号中，X_tx位置之后所有采样数据，删除M+1段信号中Y_t及Y_tx位置之前的所有采样数据，保存删除部分采样点之后的采样数据；

3-4步骤、令M＝M+1；判断M是否等于N₀-1，如果M＝N₀-1执行下一步骤，否则返回3-2步骤；

3-5步骤、将M组删除部分采样点之后的采样数据按顺序合并为一组；对合并后的信号进行快速傅里叶变换，得到拼接信号的频谱图像；从上述频谱图像中得到被测目标的距离并显示测量结果。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

相对于脉冲法和相位法等激光测距方法，本发明测距方法可以达到更高测量分辨率和测量精度。本发明利用现有激光器，对重采样信号进行拼接，克服了连续激光调频测距的测量辨率受公式δ＝c/2B限制的问题，从而可以达到更高的测量分辨率，十米范围内测量分辨率达到了50μm。

附图说明

图1为本发明基于重采样信号拼接法的连续激光调频测距装置示意图；

图2为本发明中发射调制激光与接收到的调制激光光频随时间变化的示意图；

图3为本发明基于重采样信号拼接法的连续激光调频测距方法的主流程图；

图4为本发明测距方法中数据处理流程图；

图5为本发明实施例中4段，6段，8段，10段拼接信号的频谱对比；

图6为本发明实施例中测距分辨率实验结果。

图中：

1-激光器控制器，2-可调谐激光器，3-耦合器FC1，4-耦合器FC2，5-光隔离器，6-光环形器，7-准直透镜，8-整形光路，9-反射镜，10-数据处理系统，11-数据采集系统，12-光电探测器A，13-光电探测器B,14-耦合器FC3，15-耦合器FC4，16-延时光纤,17-耦合器FC5，18、20-温度控制系统，19-多路延时光纤。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述。

如图1所示，本发明基于重采样信号拼接法的连续激光调频测距装置，包括：

可调谐激光器2，用于产生窄线宽调频连续波激光；所述可调谐激光器2连接有激光器控制器1，所述激光器控制器1控制可调谐激光器2发射光频线性调制的激光；所述可调谐激光器2发射的光频线性调制的激光经过耦合器FC13分为A、B两路，其中，A路进入自适应测量干涉系统，B路进入辅助干涉系统。

所述自适应测量干涉系统用于对被测目标镜进行探测，产生拍频信号，所述自适应测量干涉系统包括耦合器FC24、光隔离器5、光环形器6、准直透镜7、整形光路8、反射镜9、耦合器FC314和多路延时光纤19；进入所述自适应测量干涉系统的激光经过耦合器FC24分为C路和D路，其中，C路激光依次经过所述光隔离器5、光环行器6、准直透镜7和整形光路8，由反射镜9反射后，原路返回进入所述光环行器6，再进入耦合器FC314；D路激光经过已知长度的多路延时光纤19后进入耦合器FC314与C路激光汇合，发生干涉，产生拍频信号S1，该拍频信号S1由光电探测器A12探测。

所述辅助干涉系统用于产生进行等光频重采样所需时钟信号；所述辅助干涉系统包括耦合器FC517、延时光纤16和耦合器FC415；进入所述辅助干涉系统的激光经过耦合器FC517分为E路和F路，E路和F路调制激光经过长度恒定且已知光程差的延时光纤16后，在耦合器FC415混频后，产生拍频信号S2，该拍频信号S2由光电探测器B13探测。

同步数据采集系统11，用于对上述自适应测量干涉系统产生的拍频信号S1和辅助干涉系统产生的拍频信号S2进行同步采样。

数据处理系统10，用于对探测信号进行重采样、拼接，计算得到被测目标距离。

温度控制系统用于控制自适应测量干涉系统和辅助干涉系统中参考光纤的温度，所述延时光纤16和所述多路延时光纤19均分别放置在所述温度控制系统中。温度控制系统的作用是为了控制干涉系统中光纤光路的温度，保证光纤长度和折射率不受温度变化的影响。

图2示出了本发明的测距原理，即示出了发射调制激光与接收到的调制激光光频随时间变化的规律，其中，实线表示C路激光，虚线表示D路激光，B为调制范围，τ为C路激光与D路激光到达光电探测器的时间差，△f为发射光与接收光直接的频率差。由△f可以直接计算出被测目标的距离。

利用本发明基于重采样信号拼接法的连续激光调频测距装置进行测距主要包括测距信号的产生步骤、同步数据采集步骤和数据处理步骤，具体内容如下：

测距信号的产生：对被测反射镜进行探测，得到拍频信号S1和拍频信号S2；其中，E路和F路形成了参考干涉光路，C路和D路形成了测量光路，所述参考干涉光路的光程差大于所述测量光路的光程差两倍以上，使得拍频信号S2的频率是拍频信号S1的频率的2倍以上；测距信号产生包括以下步骤：

1-1步骤、激光器控制器控制可调谐激光器发射光频线性调制的激光，经过耦合器FC13分为A路和B路，A路进入自适应测量干涉系统，B路进入辅助干涉系统；

1-2步骤、进入测量干涉系统的激光经过耦合器FC24，分为C路和D路；C路激光经过光隔离器5、光环形器6、准直透镜7和整形光路8，由反射镜9反射后，原路返回进入光环行器6再进入耦合器FC314；D路激光经过已知长度的多路延时光纤19后进入耦合器FC314与C路激光汇合，发生干涉，产生拍频信号S1，该拍频信号S1由光电探测器A12探测；

1-3步骤、进入辅助干涉系统的激光经过耦合器FC517分为E路和F路；E路和F路调制激光经过长度恒定且已知光程差的延时光纤16后，在耦合器FC415混频后，产生拍频信号S2，该拍频信号S2由光电探测器B13探测；

同步数据采集步骤实现同步数据采集系统对拍频信号S1和拍频信号S2进行同步采样，并将拍频信号S2转换为时钟信号后，据此对拍频信号S1进行重新采样，如图3所示，具体步骤如下：

2-1步骤、同步数据采集系统11的初始化，设置采样频率f、所需采样信号段数N₀、每段采样点数n；并设置已采样段数N＝0；

2-2步骤、数据采集,采集过程中对同步数据采集系统11采集到拍频信号S1和拍频信号S2进行错误检测判断，如果没有错误则进行下一步骤，否则重新执行2-2步骤；

2-3步骤、将拍频信号S2转化为时钟信号，对采集的拍频信号S1进行重采样，得到等光频间隔采样信号；

2-4步骤、令采样段数N＝N+1；判断采样段数N是否等于N₀，如果N＝N₀则进行下一步骤，否则返回2-2步骤；

2-5步骤、对等光频间隔采样信号进行数据处理；

数据处理步骤实现拼接等光频间隔的采样信号时满足相位匹配的原则，最终，得到拼接信号频谱图像，并从频谱图像中得到被测目标的距离，如图3和图4所示，具体步骤如下：

3-1步骤、设置所需采样信号段数N₀，并将已经拼接段数M设置为0；

3-2步骤、波峰检测找到第M段信号的最后十个波峰，循环移位分别找到这十个波峰中每个波峰的前一个采样点，将十个采样点数据存入数组X中；波峰检测找到第M+1段信号的段首十个波峰，循环移位分别找到这十个波峰中每个波峰的前一个采样点，将十个采样点数据存入数组Y中；循环相减X-Y，找到|X-Y|的最小值对应的X_t、Y_t，并找到找到X_t、Y_t对应的位置X_tx、Y_tx；

3-3步骤、删除第M段信号中，X_tx位置之后所有采样数据，删除M+1段信号中Y_t及Y_tx位置之前的所有采样数据，保存删除部分采样点之后的采样数据；

3-4步骤、令M＝M+1；判断M是否等于N₀-1，如果M＝N₀-1执行下一步骤，否则返回3-2步骤；

3-5步骤、将M组删除部分采样点之后的采样数据按顺序合并为一组；对合并后的信号进行快速傅里叶变换，得到拼接信号的频谱图像；从上述频谱图像中得到被测目标的距离并显示测量结果；且其频谱的半高全宽代表了测量的分辨率。

应用实例：

如图1所示，被测目标反射镜距离测距系统约8.7m，设置激光器的扫描范围为300GHz，扫描速度为1THz/s，延时光纤16长度为30m。按照本发明测距方法，在初始化过程中，设置采样频率f＝1MHz、所需采样信号段数N₀分别为4、6、8、10、每段采样点数n＝300000；并设置已采样段数N＝0；分别对4、6、8、10次采集的信号进行拼接得到测距结果。图5中，带有星星图案、三角图案，小方框图案、小圆圈图案的曲线分别为将(N₀＝4)4段、(N₀＝6)6段、(N₀＝8)8段和(N₀＝10)10段等光频间隔的采样信号进行拼接并进行的FFT(快速傅里叶变换)的频谱图。从图5中可得：4段信号拼接后，测量分辨率达到了125μm；6段拼接后，测量分辨率达到了85μm；8段拼接后，测量分辨率达到了65μm；10段信号拼接后，测量分辨率达到了50μm。令被测反射镜9移动50μm，进行第二次测量，同样进行10段等光频间隔采样信号的拼接，并进行FFT。图6表示了N₀＝10的两次测量的结果，通过上述实施例验证了本发明的测距分辨率可以达到50μm。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种基于重采样信号拼接法的连续激光调频测距方法，所采用基于重采样信号拼接法的连续激光调频测距装置，包括：

可调谐激光器(2)，用于产生窄线宽调频连续波激光；所述可调谐激光器(2)连接有激光器控制器(1)，所述激光器控制器(1)控制可调谐激光器(2)发射光频线性调制的激光；所述可调谐激光器(2)发射的光频线性调制的激光经过耦合器FC1(3)分为A、B两路，其中，A路进入自适应测量干涉系统，B路进入辅助干涉系统；

所述自适应测量干涉系统用于对被测目标镜进行探测，产生拍频信号，所述自适应测量干涉系统包括耦合器FC2(4)、光隔离器(5)、光环形器(6)、准直透镜(7)、整形光路(8)、反射镜(9)、耦合器FC3(14)和多路延时光纤(19)；进入所述自适应测量干涉系统的激光经过耦合器FC2(4)分为C路和D路，其中，C路激光依次经过所述光隔离器(5)、光环形器(6)、准直透镜(7)和整形光路(8)，由反射镜(9)反射后，原路返回进入所述光环形器(6)，再进入耦合器FC3(14)；D路激光经过已知长度的多路延时光纤(19)后进入耦合器FC3(14)与C路激光汇合，发生干涉，产生拍频信号S1，该拍频信号S1由光电探测器A(12)探测；

所述辅助干涉系统用于产生进行等光频重采样所需时钟信号；所述辅助干涉系统包括耦合器FC5(17)、延时光纤(16)和耦合器FC4(15)；进入所述辅助干涉系统的激光经过耦合器FC5(17)分为E路和F路，E路和F路调制激光经过长度恒定且已知光程差的延时光纤(16)后，在耦合器FC4(15)混频后，产生拍频信号S2，该拍频信号S2由光电探测器B(13)探测；

同步数据采集系统(11)，用于对上述自适应测量干涉系统产生的拍频信号S1和辅助干涉系统产生的拍频信号S2进行同步采样；

数据处理系统(10)，用于对探测信号进行重采样、拼接，计算得到被测目标距离；

温度控制系统用于控制自适应测量干涉系统和辅助干涉系统中参考光纤的温度，所述延时光纤(16)和所述多路延时光纤(19)均分别放置在所述温度控制系统中；

其特征在于，该方法包括以下步骤：

测距信号的产生：

利用上述基于重采样信号拼接法的连续激光调频测距装置，对被测反射镜进行探测，得到拍频信号S1和拍频信号S2；其中，E路和F路形成了参考干涉光路，C路和D路形成了测量光路，所述参考干涉光路的光程差大于所述测量光路的光程差两倍以上，使得拍频信号S2的频率是拍频信号S1的频率的2倍以上；测距信号产生包括以下步骤：

1-1步骤、激光器控制器控制可调谐激光器发射光频线性调制的激光，经过耦合器FC1(3)分为A路和B路，A路进入自适应测量干涉系统，B路进入辅助干涉系统；

1-2步骤、进入测量干涉系统的激光经过耦合器FC2(4)，分为C路和D路；C路激光经过光隔离器(5)、光环形器(6)、准直透镜(7)和整形光路(8)，由反射镜(9)反射后，原路返回进入光环形器(6)再进入耦合器FC3(14)；D路激光经过已知长度的多路延 时光纤(19)后进入耦合器FC3(14)与C路激光汇合，发生干涉，产生拍频信号S1，该拍频信号S1由光电探测器A(12)探测；

1-3步骤、进入辅助干涉系统的激光经过耦合器FC5(17)分为E路和F路；E路和F路调制激光经过长度恒定且已知光程差的延时光纤(16)后，在耦合器FC4(15)混频后，产生拍频信号S2，该拍频信号S2由光电探测器B(13)探测；

同步数据采集：

同步数据采集系统对拍频信号S1和拍频信号S2进行同步采样，并将拍频信号S2转换为时钟信号后，据此对拍频信号S1进行重新采样，步骤如下：

2-1步骤、同步数据采集系统(11)的初始化，设置采样频率f、所需采样信号段数N₀、每段采样点数n；并设置已采样段数N＝0；

2-2步骤、数据采集,采集过程中对同步数据采集系统(11)采集到拍频信号S1和拍频信号S2进行错误检测判断，如果没有错误则进行下一步骤，否则重新执行2-2步骤；

2-3步骤、将拍频信号S2转化为时钟信号，对采集的拍频信号S1进行重采样，得到等光频间隔采样信号；

2-4步骤、令采样段数N＝N+1；判断采样段数N是否等于N₀，如果N＝N₀则进行下一步骤，否则返回2-2步骤；

2-5步骤、对等光频间隔采样信号进行数据处理；

数据处理：

实现拼接等光频间隔的采样信号时满足相位匹配的原则，最终，得到拼接信号频谱图像，并从频谱图像中得到被测目标的距离，步骤如下：

3-1步骤、设置所需采样信号段数N₀，并将已经拼接段数M设置为0；

3-2步骤、波峰检测找到第M段信号的最后十个波峰，循环移位分别找到这十个波峰中每个波峰的前一个采样点，将十个采样点数据存入数组X中；波峰检测找到第M+1段信号的段首十个波峰，循环移位分别找到这十个波峰中每个波峰的前一个采样点，将十个采样点数据存入数组Y中；循环相减X-Y，找到|X-Y|的最小值对应的X_t、Y_t，并找到X_t、Y_t对应的位置X_tx、Y_tx；

3-3步骤、删除第M段信号中，X_tx位置之后所有采样数据，删除M+1段信号中Y_t及Y_tx位置之前的所有采样数据，保存删除部分采样点之后的采样数据；

3-4步骤、令M＝M+1；判断M是否等于N₀-1，如果M＝N₀-1执行下一步骤，否则返回3-2步骤；

3-5步骤、将M组删除部分采样点之后的采样数据按顺序合并为一组；对合并后的信号进行快速傅里叶变换，得到拼接信号的频谱图像；从上述频谱图像中得到被测目标的距离并显示测量结果。