CN104914443B - 一种快速扫描的高精度激光测距方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种快速扫描的高精度激光测距方法，将1%的光纤激光器输出锁模激光，作为重复频率的探测信号，与可调谐标准频率信号经过混频器后再处理后，作为反馈信号重回光纤激光器进行重复频率锁定；然后将99%的输出激光再经过1:1的分束，一束光经过确定长度的延时线，另一束光不经过延时，在空间上聚焦到待测物体的同一位置，再通过激光收集和探测模块，得到两束光的拍频信号，通过测量拍频信号强度随时间的变化，得到待测物体表面的距离信息。采用全光式重复频率锁定方式，无机械移动部分，重复频率的锁定精度高，激光器的重复频率可以随着参考标准频率的变化方式，实现多种波形的扫描输出，提高拍频信号的信噪比，提高测距精度。

Description

一种快速扫描的高精度激光测距方法
技术领域
本发明涉及一种测距技术，特别涉及一种快速扫描的高精度激光测距方法。
背景技术
光纤激光器作为光源在工业领域有许多应用，如激光材料打标、焊接、切割和深雕等。同时，光纤脉冲激光器在激光测距、激光雷达、精密光谱学以及激光武器等国防和科学研究领域也发挥着重要的作用。由于其体积小，长期可靠，对准方便等优势，光纤激光器已经灵活地应用到各种实际条件中。近年来，随着光纤频率梳的飞速发展，重复频率稳定的超短脉冲光纤激光器在高精度远距离光学频率测量和天文观测中，趋向于扮演更加重要的角色。
现阶段，基于脉冲激光器的测距方法大体可以分为飞行时间法和干涉法，其中，飞行时间法是通过激光器发射脉冲，照射到待测物体，经过反射后回到探测器，通过计算发射脉冲到接收到脉冲的时间差，计算出待测距离。这种方法一般可以测量较大范围的距离，但其精度受到光源脉冲宽度的限制，难以提高。干涉法通常采用两个重复频率或者波长存在微小差异的光源，通过测量其时域拍频信号或者光谱干涉信号，计算出待测物体的距离信息。干涉法的核心是多波长干涉或者多重复频率拍频，从本质上相当于采用多把测尺同时测量，测距分辨率由最短的测尺保证，量程由最长测尺保证，因此可以实现大范围高精度的测距。但是，由于采用了至少两个重复频率存在差异的光源，对光源之间的同步控制、噪声抑制提出了更高的要求，系统复杂度也进一步提高。
采用两个重复频率存在微小差异的光源用于激光测距时，为了提高测量的精度，通常需要锁定两台激光器的重复频率，现阶段，锁定激光器重复频率的常用方法是在激光器谐振腔内，安装一个压电陶瓷，通过控制压电陶瓷的伸长量来改变激光器谐振腔的几何长度，从而使激光器的重复频率发生改变。然而，利用压电陶瓷改变激光器重复频率的方案存在一些缺点。比如需要较高的工作电压、对环境扰动比较敏感，长期工作易磨损，锁定精度受机械稳定性影响大等。同时，两台独立的激光器的重复频率锁定精度也会随着激光器的结构、环境条件、电子线路的参数而发生变化，这会导致在拍频测量中引入噪声，降低激光测距的精度。
发明内容
本发明是针对基于脉冲激光器的测距方法中采用两台独立的激光器存在的问题，提出了一种快速扫描的高精度激光测距方法，仅用一台光纤激光器实现稳定、快速、大范围、高精度测距。
本发明的技术方案为：一种快速扫描的高精度激光测距方法，具体包括如下步骤：
1)光纤激光器内部增加一泵浦激光器、一段掺杂光纤和一个波分复用器，光纤激光器输出锁模激光，经过1:99的分束器，1%的激光作为重复频率的探测信号，被探测器接收转换为电信号输出，输出电信号与可调谐标准频率信号经过混频器后，得到两个输入电信号的频率误差信号，经过低通滤波器和电压放大器的处理后，作为反馈信号驱动增加的泵浦激光器，泵浦激光器输出的泵浦光经过增加的波分复用器耦合到增加的掺杂光纤上，引起光纤激光器腔长的改变，进行重复频率锁定；
2）实现重复锁频后，进行测距，将99%的输出激光再经过1:1的分束器分成两束，一束光经过确定长度的延时线，另一束光不经过延时，聚焦模块将两束光在空间上聚焦到待测物体的同一位置，再通过激光收集和探测模块，得到两束光的拍频信号，通过测量拍频信号强度随时间的变化，得到待测物体表面的距离信息。
所述光纤激光器为环形腔激光器，增加的波分复用器与一段掺杂光纤串联，接在环形腔激光器的增益光纤输出端与输出耦合器输出端之间。
所述光纤激光器为二驻波腔激光器，增加的波分复用器与一段掺杂光纤串联，接在增益光纤输出端与反射及输出耦合器输入端之间。
所述光纤激光器为8字腔激光器，增加一个1:1的光纤耦合器，串接在8字腔激光器增益光纤的子环中，增加的波分复用器与一段掺杂光纤串联后，再接与1:1的光纤耦合器输入输出两端。
所述聚焦模块包括耦合器和准直器，两束光通过耦合器合成一束，合束后的两束光经过准直器变换成空间光，照射到待测物体表面，通过透镜收集反射光，采用光电探测器测量两束光的拍频信号。
所述聚焦模块为聚焦透镜，一束光先经过确定长度的一段空间延时线，再通过反射镜反射到聚焦透镜；另一束光不经过延时，直接入射到聚焦透镜，聚焦透镜将两束光聚焦后，同时照射到待测物体表面，通过透镜收集透射光，采用光电探测器测量两束光的拍频信号。
所述聚焦模块为聚焦透镜，一束光先经过确定长度的一段空间延时线，再通过三个反射镜组成的反射镜组反射到聚焦透镜；另一束光不经过延时，直接入射到聚焦透镜，聚焦透镜将两束光聚焦后，同时照射到待测物体表面，通过透镜收集反射光，采用光电探测器测量两束光的拍频信号。
本发明的有益效果在于：本发明快速扫描的高精度激光测距方法，采用全光式重复频率锁定方式，无机械移动部分，重复频率的锁定精度高，长期稳定性好，易于集成；仅采用一台光纤激光器即可实现拍频激光测距，实验装置更简单，成本更低；采用重复频率锁定并且可扫描的光纤激光器作为光源，其锁定精度决定了测距的精度，扫描范围决定了测距的范围，能够实现高精度大范围的激光测距；采用扫描激光器重复频率的方式，在激光测距的过程中，避免了传统式的机械位移台或者压电陶瓷扫描的方式，能降低扫描时间，提高相应速度；激光器的重复频率可以随着参考标准频率的变化方式，实现多种波形的扫描输出，有利于提高拍频信号的信噪比，提高测距精度。
附图说明
图1为本发明原理图；
图2为本发明实施例一环形腔激光器作为光源的激光测距结构示意图；
图3为本发明实施例二驻波腔激光器作为光源的激光测距结构示意图；
图4为本发明实施例三8字腔激光器作为光源的激光测距结构示意图。
具体实施方式
如图1所示原理图，本发明公开了一种快速扫描的高精度激光测距方法，包括一个重复频率锁定并且快速扫描的光纤激光器部分和激光测距结构部分。
如图1左边部分为重复频率锁定并且快速扫描的光纤激光器部分，光纤激光器采用全光调制的方法实现重复频率的锁定，光纤激光器当中额外增加了一段掺杂光纤，一个波分复用器和一个泵浦激光器，激光器的输出经过1:99的分束装置后，99%作为输出，1%耦合到光电探测器，测量其重复频率，采用可调谐标准频率作为参考，与光电探测器测量得到的激光器重复频率进行混频，产生一个代表激光器重复频率与标准频率差的误差信号，利用低通滤波和前置放大，获得低频的误差信号，再经过电路处理，作为驱动信号，加载在额外增加的泵浦激光器上，泵浦激光器的输出光经过波分复用器，作用到额外增加的掺杂光纤上，通过改变掺杂光纤的折射率，实现全光式的高精度重复频率锁定。
如图1右边图为激光测距结构部分，重复频率锁定并且快速扫描的光纤激光器的输出脉冲经过1:1的分束器分成两束，一束光经过确定长度的延时线，另一束光不经过延时，聚焦模块将两束光在空间上聚焦到待测物体的同一位置，再通过激光收集和探测模块，得到两束光的拍频信号，通过测量拍频信号强度随时间的变化，得到待测物体表面的距离信息。
图2为实施例一环形腔激光器作为光源的激光测距结构示意图：光纤激光器包括泵浦激光器LD1，增益光纤F1，波分复用器WDM1，两个偏振控制器K1、K2，隔离器OI，输出耦合器OC。光纤激光器中增加额外的泵浦激光器LD2，掺杂光纤F2，波分复用器WDM2。按图示结构熔接上述器件，打开泵浦激光器LD1，调节腔内的两个偏振控制器，能实现锁模激光输出。额外的泵浦激光器LD2，掺杂光纤F2，波分复用器WDM2的存在对激光器的锁模无影响。
实现锁模后，脉冲激光经过1:99的分束器C1，99%的激光作为测距的输出，1%的激光作为重复频率的探测信号。通过探测器D1测量激光器的重复频率信号作为一个输入信号，可调谐标准频率信号作为另一个输入信号，经过混频器MIX后，得到两个输入电信号的频率误差信号，经过低通滤波器LP和电压放大器AM的处理后，作为反馈信号，驱动光纤激光器中的额外泵浦激光器LD2，LD2输出的泵浦光经过WDM2耦合到掺杂光纤F2，改变泵浦激光LD2的大小会引起掺杂光纤F2的折射率改变，进而引起光纤激光器腔长的改变，实现全光式的重复频率锁定。激光器重复频率的扫描是通过直接扫描可调谐的标准频率来实现的，在重复频率锁定的基础上，更改标准频率的大小，激光器的重复频率也会随之改变。
当激光器的重复频率锁定并且可扫描之后，将其99%的输出再经过1:1的分束器C2，平均分成两束光，一束光经过确定长度的一段光纤延时线F3，另一束光不经过延时，再通过耦合器C3合成一束。合束后的两束光经过准直器COL变换成空间光，照射到待测物体表面，通过透镜L收集反射光，采用光电探测器D2测量两束光的拍频信号，最后通过信号处理模块，分析拍频信号强度随时间的变化关系，进而分析出待测物体的距离信息。
图3为实施例二驻波腔激光器作为光源的激光测距结构示意图：光纤激光器包括泵浦激光器LD1，增益光纤F1，波分复用器WDM1，可饱和吸收体SESAM，反射及输出耦合器FBG。光纤激光器中增加额外的泵浦激光器LD2，掺杂光纤F2，波分复用器WDM2。按图示结构熔接上述器件，打开泵浦激光器LD1，在合适的泵浦功率下，光纤激光器能实现锁模激光输出。额外的泵浦激光器LD2，掺杂光纤F2，波分复用器WDM2的存在对激光器的锁模无影响。
实现锁模后，脉冲激光经过1:99的分束器C1，99%的激光作为测距的输出，1%的激光作为重复频率的探测信号。通过探测器D1测量激光器的重复频率信号作为一个输入信号，可调谐标准频率信号作为另一个输入信号，经过混频器MIX后，得到两个输入电信号的频率误差信号，经过低通滤波器LP和电压放大器AM的处理后，作为反馈信号，驱动光纤激光器中的额外泵浦激光器LD2，LD2输出的泵浦光经过WDM2耦合到掺杂光纤F2，改变泵浦激光LD2的大小会引起掺杂光纤F2的折射率改变，进而引起光纤激光器腔长的改变，实现全光式的重复频率锁定。激光器重复频率的扫描是通过直接扫描可调谐的标准频率来实现的，在重复频率锁定的基础上，更改标准频率的大小，激光器的重复频率也会随之改变。
当激光器的重复频率锁定并且可扫描之后，将其99%的输出经过准直器COL变换为空间光，空间光经过1:1的分束片C2，平均分成两束光，一束光先经过确定长度的一段空间延时线，再通过反射镜M反射到聚焦透镜L1；另一束光不经过延时，直接入射到聚焦透镜L1，透镜L1将两束光聚焦后，同时照射到待测物体表面，通过透镜L2收集透射光，采用光电探测器D2测量两束光的拍频信号，最后通过信号处理模块，分析拍频信号强度随时间的变化关系，进而分析出待测物体的距离信息。
图4为实施例三8字腔激光器作为光源的激光测距结构示意图：光纤激光器包括泵浦激光器LD1，增益光纤F1，波分复用器WDM1，隔离器OI，输出耦合器OC1，1:1的光纤耦合器OC2，OC2起到连接8字腔激光器两个子环的作用。光纤激光器中增加额外的泵浦激光器LD2，掺杂光纤F2，波分复用器WDM2。按图示结构熔接上述器件，打开泵浦激光器LD1，能实现锁模激光输出。
实现锁模后，脉冲激光经过1:99的分束器C1，99%的激光作为测距的输出，1%的激光作为重复频率的探测信号。通过探测器D1测量激光器的重复频率信号作为一个输入信号，可调谐标准频率信号作为另一个输入信号，经过混频器MIX后，得到两个输入电信号的频率误差信号，经过低通滤波器LP和电压放大器AM的处理后，作为反馈信号，驱动光纤激光器中的额外泵浦激光器LD2，LD2输出的泵浦光经过WDM2耦合到掺杂光纤F2，改变泵浦激光LD2的大小会引起掺杂光纤F2的折射率改变，进而引起光纤激光器腔长的改变，实现全光式的重复频率锁定。激光器重复频率的扫描是通过直接扫描可调谐的标准频率来实现的，在重复频率锁定的基础上，更改标准频率的大小，激光器的重复频率也会随之改变。
当激光器的重复频率锁定并且可扫描之后，将其99%的输出经过准直器COL变换为空间光，空间光经过1:1的分束片C2，平均分成两束光，一束光先经过确定长度的一段空间延时线，再通过反射镜M1，M2，M3反射到聚焦透镜L1；另一束光不经过延时，直接入射到聚焦透镜L1，透镜L1将两束光聚焦后，同时照射到待测物体表面，通过透镜L2收集反射光，采用光电探测器D2测量两束光的拍频信号，最后通过信号处理模块，分析拍频信号强度随时间的变化关系，进而分析出待测物体的距离信息。
本发明方法可以适用于不同腔型结构的光纤激光器，不同激光器的结构，对于重复频率锁频的反馈信号处理方式是相同的。测距中，对携带测距信息的散射光的收集，采用了反射式和透射式的方式，这个主要取决于待测物体对于激光的响应，如果反射率较高，就用反射式的，反射式的结构通用性更好。延时可以用光纤或者空间的方式，如图2用光纤延时，图3、4用空间延时。

Claims (7)

1.一种快速扫描的高精度激光测距方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
1)光纤激光器内部增加一泵浦激光器、一段掺杂光纤和一个波分复用器，光纤激光器输出锁模激光，经过1:99的分束器，1%的激光作为重复频率的探测信号，被探测器接收转换为电信号输出，输出电信号与可调谐标准频率信号经过混频器后，得到两个输入电信号的频率误差信号，经过低通滤波器和电压放大器的处理后，作为反馈信号驱动增加的泵浦激光器，泵浦激光器输出的泵浦光经过增加的波分复用器耦合到增加的掺杂光纤上，引起光纤激光器腔长的改变，进行重复频率锁定；
2）实现重复锁频后，进行测距，将重复频率锁定并且快速扫描的光纤激光器输出的99%激光再经过1:1的分束器分成两束，一束光经过确定长度的延时线，另一束光不经过延时，聚焦模块将两束光在空间上聚焦到待测物体的同一位置，再通过激光收集和探测模块，得到两束光的拍频信号，通过测量拍频信号强度随时间的变化，得到待测物体表面的距离信息。
2.根据权利要求1所述快速扫描的高精度激光测距方法，其特征在于，所述光纤激光器为环形腔激光器，增加的波分复用器与一段掺杂光纤串联，接在环形腔激光器的增益光纤输出端与输出耦合器输出端之间。
3.根据权利要求1所述快速扫描的高精度激光测距方法，其特征在于，所述光纤激光器为二驻波腔激光器，增加的波分复用器与一段掺杂光纤串联，接在增益光纤输出端与反射及输出耦合器输入端之间。
4.根据权利要求1所述快速扫描的高精度激光测距方法，其特征在于，所述光纤激光器为8字腔激光器，增加一个1:1的光纤耦合器，串接在8字腔激光器增益光纤的子环中，增加的波分复用器与一段掺杂光纤串联后，再接与1:1的光纤耦合器输入输出两端。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述快速扫描的高精度激光测距方法，其特征在于，所述聚焦模块包括耦合器和准直器，两束光通过耦合器合成一束，合束后的两束光经过准直器变换成空间光，照射到待测物体表面，通过透镜收集反射光，采用光电探测器测量两束光的拍频信号。
6.根据权利要求1至4中任意一项所述快速扫描的高精度激光测距方法，其特征在于，所述聚焦模块为聚焦透镜，一束光先经过确定长度的一段空间延时线，再通过反射镜反射到聚焦透镜；另一束光不经过延时，直接入射到聚焦透镜，聚焦透镜将两束光聚焦后，同时照射到待测物体表面，通过透镜收集透射光，采用光电探测器测量两束光的拍频信号。
7.根据权利要求6所述快速扫描的高精度激光测距方法，其特征在于，所述聚焦模块为聚焦透镜，一束光先经过确定长度的一段空间延时线，再通过三个反射镜组成的反射镜组反射到聚焦透镜；另一束光不经过延时，直接入射到聚焦透镜，聚焦透镜将两束光聚焦后，同时照射到待测物体表面，通过透镜收集反射光，采用光电探测器测量两束光的拍频信号。
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