CN104914444B - 一种远距离激光外差干涉测距结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种远距离激光外差干涉测距结构，采用光纤声光调制器进行调制，使信号光进行频移，此后会与参考光形成外差干涉信号，通过第一探测器和第二探测器分别记录下各个时刻的外差干涉信号，通过对比第一探测器和第二探测器中干涉正弦信号的周期数和相位即可进行高精度距离计算。由于系统采用干涉结构，因此通过测量信号光拍频，可以极大地提高系统的探测能力，兼具半导体激光强度调制测距的高精度以及脉冲激光测距的远距离优点，可以在小功率条件下实现远距离高精度检测，同时光学结构简单，具有良好的环境适应性。

Description

一种远距离激光外差干涉测距结构
技术领域
本发明涉及一种距离检测结构，尤其涉及一种远距离激光外差干涉测距结构。
背景技术
目前，激光测距技术主要是半导体激光强度调制连续相位测距和激光脉冲测距，其中连续激光相位测距精度高，但受功率，能量等影响，测量的距离短；而脉冲激光测距测量距离远，但由于采用计脉冲个数，因此，测量精度相对比较低，同时工作距离越远需要脉冲激光功率越高。而现有干涉激光测距方面的报道均为高精度测量，如中国专利号为200910071861.8，申请日为2009年4月23日的专利“基于偏振态调控与波长合成的双频激光测距方法与装置”，尽管测量精度达um甚至nm量级，但其工作距离仅数十米，且结构复杂，实现尤其困难，不能满足工作距离数千米甚至几十千米的工作要求。
发明内容
本发明的目的是为解决目前连续激光测距功率小，工作距离近，同时，脉冲激光功率高而测量精度低的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种远距离激光外差干涉测距结构，光纤激光器输出端连接第一光纤分束器输入端，第一光纤分束器的一个输出端通过参考光路连接第二光纤分束器的输入端，第一光纤分束器的另一个输出端连接光纤声光调制器的光信号输入端，光纤声光调制器的电信号输入端连接声光驱动控制器输出端，声光驱动控制器输入端连接信号触发器输出端，光纤声光调制器的输出端连接第三光纤分束器输入端，第三光纤分束器的一个输出端连接第一光纤合束器的一个输入端，第三光纤分束器的另一个输出端连接光学发射天线输入端，光学发射天线输出的光照射到测量目标，测量目标将光反射回光学接收天线；光学接收天线的输出端连接第二光纤合束器的一个输入端，第二光纤分束器的一个输出端连接第一光纤合束器的另一个输入端，第一光纤合束器的输出端连接第一探测器的输入端，第一探测器的一个输出端连接周期计数器的输入端，第一探测器的另一个输出端连接相位解调器的一个输入端，周期计数器的输出端连接存储显示器的一个输入端；第二光纤分束器的另一输出端连接第二光纤合束器的另一输入端，第二光纤合束器的输出端连接第二探测器的输入端，第二探测器的输出端连接相位解调器的另一输入端，相位解调器的输出端连接存储显示器的另一输入端，第二探测器的另一输出端连接周期计数器的另一输入端；通过对比所述第一探测器和第二探测器输出的信号光的周期数和相位进行距离计算。
进一步地，所述光纤激光器为可调谐窄线宽保偏及稳频激光器，线宽小于100Hz，波长为1550nm。
进一步地，所述光纤声光调制器为声光移频器，通过所述信号触发器触发所述声光驱动控制器，使光纤声光调制器产生Δf =40MHz的移频信号。
进一步地，所述相位解调器为相位比较器，将所述第一探测器和第二探测器输出的在同一周期中的信号进行比较后得出相位差。
进一步地，所述第一、第二和第三光纤分束器的分光比均为50%，且均为保偏器件。
进一步地，所述光学发射天线为望远系统，对进入的光进行准直，使其输出光为平行光。
进一步地，所述测量目标为玻璃或铝板。
进一步地，所述第一和第二光纤合束器为保偏器件。
进一步地，所述周期计数器为数字计数器，对来自所述第一探测器和第二探测器的周期信号进行计数。
进一步地，通过所述周期计数器比较所述第一探测器和第二探测器输出的频率为Δf的周期信号的周期数，得出周期数差值N并存入所述存储显示器；通过所述相位解调器比较所述第一探测器和第二探测器在单周期内输出信号的相位，得出相位差值Δφ并存入存储显示器；通过脉冲测距公式L=C*N/(2*Δf)和位移变化量公式ΔL=（C*Δφ）/（4*π*Δf)，在存储显示器中计算得出所述测量目标与光纤激光器之间的绝对距离L´=L+ΔL,并实时显示；其中C为光速。
本发明采用光纤声光调制器进行调制，使信号光进行频移，此后会与参考光形成外差干涉信号，通过第一探测器和第二探测器分别记录下各个时刻的外差干涉信号，通过对比第一探测器和第二探测器中干涉正弦信号的周期和相位即可进行高精度距离计算。由于系统采用干涉结构，因此通过测量信号光拍频，可以极大地提高系统的探测能力，兼具半导体激光强度调制测距的高精度以及脉冲激光测距的远距离优点，可以在小功率条件下实现远距离高精度检测，同时光学结构简单，具有良好的环境适应性。
附图说明
图1为本发明原理框图；
图2为远距离相位测距原理图。
图中：1.光纤激光器；2.第一光纤分束器；3.参考光路；4.第二光纤分束器；5. 光纤声光调制器；6.第三光纤分束器；7.第一光纤合束器；8.第二光纤合束器；9.光学发射天线；10.光学接收天线；11.测量目标；12.声光驱动控制器；13.周期计数器；14.相位解调器；15信号触发器；16.第一探测器；17.第二探测器；18存储显示器。
具体实施方式
现在结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成，且其不应理解为对本发明的限制。
如图1所示，光纤激光器1输出端连接第一光纤分束器2输入端，光纤激光器1为可调谐窄线宽保偏及稳频激光器，线宽小于100Hz，波长为1550nm，频率稳定度为10-7，功率稳定度为1%；第一光纤分束器2为分光比50%的保偏器件，第一光纤分束器2的一个输出端通过参考光路3连接第二光纤分束器4的输入端，第二光纤分束器4为分光比50%的保偏器件，第一光纤分束器2的另一个输出端连接光纤声光调制器5的光信号输入端，光纤声光调制器5用于产生外差移频信号，把从第一光纤分束器2输入的光在声光驱动控制器12的驱动下产生移频信号，光纤声光调制器5的电信号输入端连接声光驱动控制器12输出端，声光驱动控制器12在信号触发器15的触发下，驱动光纤声光移频器5；声光驱动控制器12输入端连接信号触发器15输出端，信号触发器15为声光驱动控制器12提供触发信号，光纤声光调制器5的输出端连接第三光纤分束器6输入端，第三光纤分束器6为分光比50%的保偏器件，第三光纤分束器6的一个输出端连接第一光纤合束器7的一个输入端，第一光纤合束器7为保偏器件，第三光纤分束器6的另一个输出端连接光学发射天线9输入端，光学发射天线10为望远系统，对进入的光进行准直，使其输出光为平行光，光学发射天线9输出的光照射到测量目标11，测量目标11为玻璃或铝板等反射介质，测量目标11将光反射回光学接收天线10；光学接收天线10的输出端连接第二光纤合束器8的一个输入端，第二光纤合束器8为保偏器件，第二光纤分束器4的一个输出端连接第一光纤合束器7的另一个输入端，第一光纤合束器7的输出端连接第一探测器16的输入端，第一探测器16的一个输出端连接周期计数器13的输入端，第一探测器16的另一个输出端连接相位解调器14的一个输入端，周期计数器13的输出端连接存储显示器18的一个输入端；第二光纤分束器4的另一输出端连接第二光纤合束器8的另一输入端，第二光纤合束器8的输出端连接第二探测器17的输入端，第二探测器17的输出端连接相位解调器14的另一输入端，相位解调器14的输出端连接存储显示器18的另一输入端，第二探测器17的另一输出端连接周期计数器13的另一输入端。
第二光纤分束器4将参考光路3的输出光分为两束，一束进入第一光纤合束器7，在其中与第三光纤分束器6分出的一束光相干涉，另一路则进入第二光纤合束器8，在第二光纤合束器8中与来自光学接收天线10的光进行混频干涉。
第一光纤合束器7将来自第二光纤分束器4和第三光纤分束器6的光进行混频干涉，在第一光纤合束器7的输出端形成的干涉场传递至第一探测器16的输入端。
第二光纤合束器8接收光学接收天线10的输出信号以及第二光纤分束器4的另一输出信号，在第二光纤合束器8的输出端形成的干涉场传递至第二探测器17的输入端。
光纤声光调制器5为声光移频器，用于产生外差移频信号，将从第一光纤分束器2输入的光在声光驱动控制器12的驱动下产生Δf=40MHz的移频信号。
相位解调器14为相位比较器，将第一探测器16和第二探测器17输出的在同一周期中的信号进行比较后得出相位差。
周期计数器13为数字计数器，对来自第一探测器16和第二探测器17的周期信号进行计数。
通过周期计数器13比较第一探测器16和第二探测器17输出的频率为Δf的周期信号的周期数，得出周期数差值N并存入存储显示器18；通过相位解调器14比较第一探测器16和第二探测器17在单周期内输出信号的相位，得出相位差值Δφ并存入存储显示器18；通过脉冲测距公式L=C*N/(2*Δf)和位移变化量公式ΔL=（C*Δφ）/（4*π*Δf)，在存储显示器18中计算得出测量目标11与光纤激光器1之间的绝对距离L´=L+ΔL,并实时显示；其中C为光速。
本发明工作时，光纤激光器1产生单模窄线宽激光，窄线宽激光频率为f，通过第一光纤分束器2分为两路激光，其中一路激光进入光纤声光调制器5，光纤声光调制器5在声光驱动控制器12的作用下，即当信号触发器15给一个高电平信号时，声光驱动控制器12开始工作，从而使光纤声光调制器5产生移频效果，其移频频率为Δf,移频后的激光进入第三光纤分束器6，第三光纤分束器6分出两路激光；第一光纤分束2输出的另一路光进入第二光纤分束器4，第二光纤分束器4分出两路激光，其中第一光纤分束器4和第二光纤分束器6各有一路进入第一光纤合束器7，经第一光纤合束器7合束的激光进入第一探测器16，从而第一探测器16有一稳定的参考电信号，如图2所示的第一探测器16探测到的曲线，其中在触发信号刚开始触发时就记录下信号，其频率值固定为Δf。
通过第三分束器6的另外一路激光通过光学发射天线9照射到测量目标11上，其返回激光进入光学接收天线10，通过光学接收天线10进入第二光纤合束器8中，而从第二光纤分束器4中分出的另一路激光也进入第二光纤合束器8中，通过光纤合束器8合束的激光进入第二探测器17。第二探测器17探测到的信号曲线如图2所示，因为测量目标11与激光发射接收端有一定的距离，因而会有光延时，即图2中的延迟时间，从而在触发信号出现一定时间后才有频率为Δf的周期信号产生。
对于第一探测器16有频率为Δf周期信号而第二探测器17无周期信号的这一段，即图2中的T0-T1段，通过脉冲测距公式：L=C*N/(2*Δf),L为距离，由其相差N个Δf信号的周期数可得到其距离，而对延时为非整数周期时，即图2中的T1-T2段，通过第一探测器16和第二探测器17两个信号拍频，得出相位差Δφ，通过相位计算可得出其距离为：
ΔL=（C*Δφ）/（4*π*Δf)
从而可以得到绝对距离为L´=L+ΔL；通过存储的周期数差值N以及单周期内的相位差值Δφ，进而通过上述公式得到绝度距离L´以及位移变化量ΔL，并通过屏幕显示。
如，采用1mw窄线宽激光器实现了1km距离精度为mm量级的高精度检测。而在同等条件下，采用5mw半导体激光强度调制方式进行测距，其最远工作距离为80米左右。对脉冲激光测距而言，要实现1km激光测距，激光的峰值功率需达到50w，且其测量精度仅为米量级。由此可见本发明可以在小功率条件下实现远距离高精度检测。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (9)

1.一种远距离激光外差干涉测距结构，其特征在于，光纤激光器输出端连接第一光纤分束器输入端，第一光纤分束器的一个输出端通过参考光路连接第二光纤分束器的输入端，第一光纤分束器的另一个输出端连接光纤声光调制器的光信号输入端，光纤声光调制器的电信号输入端连接声光驱动控制器输出端，声光驱动控制器输入端连接信号触发器输出端，光纤声光调制器的输出端连接第三光纤分束器输入端，第三光纤分束器的一个输出端连接第一光纤合束器的一个输入端，第三光纤分束器的另一个输出端连接光学发射天线输入端，光学发射天线输出的光照射到测量目标，测量目标将光反射回光学接收天线；光学接收天线的输出端连接第二光纤合束器的一个输入端，第二光纤分束器的一个输出端连接第一光纤合束器的另一个输入端，第一光纤合束器的输出端连接第一探测器的输入端，第一探测器的一个输出端连接周期计数器的输入端，第一探测器的另一个输出端连接相位解调器的一个输入端，周期计数器的输出端连接存储显示器的一个输入端；第二光纤分束器的另一输出端连接第二光纤合束器的另一输入端，第二光纤合束器的输出端连接第二探测器的输入端，第二探测器的输出端连接相位解调器的另一输入端，相位解调器的输出端连接存储显示器的另一输入端，第二探测器的另一输出端连接周期计数器的另一输入端；通过对比所述第一探测器和第二探测器输出的信号光的周期数和相位进行距离计算；
所述相位解调器为相位比较器，将所述第一探测器和第二探测器输出的在同一周期中的信号进行比较后得出相位差。
2.根据权利要求1所述的一种远距离激光外差干涉测距结构，其特征在于，所述光纤激光器为可调谐窄线宽保偏及稳频激光器，线宽小于100Hz，波长为1550nm。
3.根据权利要求1所述的一种远距离激光外差干涉测距结构，其特征在于，所述光纤声光调制器为声光移频器，通过所述信号触发器触发所述声光驱动控制器，使光纤声光调制器产生Δf＝40MHz的移频信号。
4.根据权利要求1所述的一种远距离激光外差干涉测距结构，其特征在于，所述第一、第二和第三光纤分束器的分光比均为50％，且均为保偏器件。
5.根据权利要求1所述的一种远距离激光外差干涉测距结构，其特征在于，所述光学发射天线为望远系统，对进入的光进行准直，使其输出光为平行光。
6.根据权利要求1所述的一种远距离激光外差干涉测距结构，其特征在于，所述测量目标为玻璃或铝板。
7.根据权利要求1所述的一种远距离激光外差干涉测距结构，其特征在于，所述第一和第二光纤合束器为保偏器件。
8.根据权利要求1所述的一种远距离激光外差干涉测距结构，其特征在于，所述周期计数器为数字计数器，对来自所述第一探测器和第二探测器的周期信号进行计数。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种远距离激光外差干涉测距结构，其特征在于，通过所述周期计数器比较所述第一探测器和第二探测器输出的频率为Δf的周期信号的周期数，得出周期数差值N并存入所述存储显示器；通过所述相位解调器比较所述第一探测器和第二探测器在单周期内输出信号的相位，得出相位差值并存入存储显示器；通过脉冲测距公式L＝C*N/(2*Δf)和位移变化量公式 在存储显示器中计算得出所述测量目标与光纤激光器之间的绝对距离L′＝L+ΔL,并实时显示；其中C为光速。
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