CN105137444A - 双干涉光路调频连续波激光测距信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双干涉光路调频连续波激光测距信号处理方法。调频连续波激光测距中时频变换方数据量大，过零比较计数法易引入干扰。本发明的步骤：可调谐激光器发射的激光分别进入测量干涉系统和参考干涉系统，得到两路频率不等的正弦波信号；高速数据采集系统采集两路正弦波信号，得到信号sig1和sig2；提取信号sig1和sig2的极值点集；计算计数起始点和计数终止点对应时间段内，信号sig1和sig2的极值点数量，记为n1和n2；测量计数起始点与信号sig1的第一个极值点的相位差p1，计数终止点与信号sig1的最后一个极值点的相位差p2；计算逆反射棱镜的距离。本发明运算量小，精度优于过零比较计数法。

Description

双干涉光路调频连续波激光测距信号处理方法

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，具体涉及一种双干涉光路调频连续波激光测距信号处理方法。

背景技术

调频连续波激光测距是一种干涉式大尺寸激光绝对测距技术，具有测量精度高、绝对式测量、可以对漫反射目标进行直接测量等特点。在大尺度几何量测量、重大装备制造、军事科技、空间技术等领域有着广阔的应用前景。

可调谐激光器的调制线性度较差，是限制调频连续波激光测距精度的主要原因。等光频间隔采样可以有效提高调频连续波激光测距精度，但是现有针对该方法的信号处理技术并不成熟。利用时频变换的方法存在数据量大，算法复杂对硬件要求高等缺点；利用过零比较计数法直接简单相除得到测距结果的方法很容易引入外界干扰，导致测量结果精度较低。

发明内容

本发明目的是针对现有技术的不足，提出一种双干涉光路调频连续波激光测距信号处理方法，该方法无需进行时频变换，大大降低了对硬件系统的数据处理要求，并且可以在不增加激光器调制范围的前提下，提高测量分辨力。

本发明的具体步骤如下：

步骤1、搭建双干涉光路调频连续波激光测距系统，可调谐激光器发射光频线性调制的窄线宽激光，分别进入测量干涉系统和参考干涉系统，得到两路频率不相等的正弦波信号；其中，测量干涉系统中，激光被分为两路，一路激光被逆反射棱镜反射后与另一路发生干涉得到正弦波信号。

步骤2、高速数据采集系统的通道一和通道二分别对测量干涉系统和参考干涉系统的正弦波信号进行同步数据采集，得到信号sig1和sig2。

步骤3、对信号sig1和sig2进行极值提取，得到信号sig1和信号sig2的极值点集。

步骤4、将可调谐激光器的调制开始信号发出后信号sig2的第一个极值点作为计数起始点；可调谐激光器的调制终止信号发出后，信号sig2的第一个极值点作为计数终止点。

步骤5、计算计数起始点和计数终止点之间对应的时间段内，信号sig1和sig2的极值点数量，分别记为n1和n2。测量得到计数起始点与信号sig1的第一个极值点之间的相位为p1，计数终止点与信号sig1的最后一个极值点之间的相位为p2。

步骤6、将测得的n1、n2、p1和p2代入测距公式得到逆反射棱镜的距离：

$z=\frac{1}{2n}\·dis\·\frac{n1+\frac{p1+p2}{2\mathrm{\π}}}{n2}-EV$

式中，dis为参考干涉系统的光程差，n为空气折射率，EV为参考干涉系统的干涉臂臂长补偿值。

所述的步骤1进一步描述为：在测量干涉系统中，一路激光依次经过光环行器和准直透镜投射至逆反射棱镜，被逆反射棱镜反射后再依次经过准直透镜和光环行器反射至第一光电探测器表面与另一路激光汇合，发生干涉，得到第一正弦波信号。参考干涉系统中，延迟光纤令进入参考干涉系统两个干涉臂的激光出现光程差，在第二光电探测器表面发生干涉，得到第二正弦波信号。

所述的参考干涉系统为不等臂马赫增德尔干涉系统。

与现有处理调频连续波激光测距信号的方法相比，本发明的有益效果是：

对测量得到的两路拍频信号进行处理时，无需对大量的信号进行时频变换，大大减少了运算量；利用极值提取的方法和相位测量的方法，其精度优于直接利用计数器进行过零比较测量得到的测量结果。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明中双干涉光路调频连续波激光测距系统的原理图；

图3为本发明的高速数据采集系统采集到的信号示意图。

图中：1、可调谐激光器，2、光环形器。3、准直透镜，4、逆反射棱镜，5、高速数据采集系统，6、第一光电探测器，7、第二光电探测器，8、延迟光纤。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

双干涉光路调频连续波激光测距信号处理方法，具体步骤如下：

步骤1、如图1和2所示，搭建双干涉光路调频连续波激光测距系统，可调谐激光器1发射光频线性调制的窄线宽激光，分别进入测量干涉系统和参考干涉系统。在测量干涉系统中，激光被分为两路，其中一路激光依次经过光环行器2和准直透镜3投射至逆反射棱镜4，被逆反射棱镜4反射后再依次经过准直透镜3和光环行器2投射至第一光电探测器6表面与另一路激光汇合，发生干涉，得到拍频信号beat1。参考干涉系统为不等臂马赫增德尔干涉系统，延迟光纤8令进入参考干涉系统两个干涉臂的激光出现光程差，在第二光电探测器7表面发生干涉，得到拍频信号beat2。其中，双干涉光路调频连续波激光测距系统包括可调谐激光器1、量干涉系统、参考干涉系统、高速数据采集系统5、第一光电探测器6和二光电探测器7。

步骤2、高速数据采集系统5的通道CH1和通道CH2分别对测量干涉系统得到的拍频信号beat1和参考干涉系统得到的拍频信号beat2进行采集，得到信号sig1和sig2。

步骤3、对信号sig1和sig2进行极值提取，得到信号sig1的极值点集E1和信号sig2的极值点集E2。

步骤4、如图3所示，将可调谐激光器1的调制开始信号发出后信号sig2的第一个极值点作为计数起始点b；可调谐激光器1的调制终止信号发出后，信号sig2的第一个极值点作为计数终止点s。

步骤5、计算计数过程中，即点b和点s之间对应的时间段内，信号sig1和sig2的极值点数量，分别记为n1和n2。如图3所示，测量得到点b与信号sig1的第一个极值点f之间的相位为p1，点s与信号sig1的最后一个极值点e之间的相位为p2。

步骤6、将测得的n1、n2、p1和p2代入如下测距公式得到逆反射棱镜4与准直透镜3的距离：

$z=\frac{1}{2n}\·dis\·\frac{n1+\frac{p1+p2}{2\mathrm{\π}}}{n2}-EV---\left(1\right)$

式中，dis为参考干涉系统的光程差，n为空气折射率，EV为参考干涉系统的干涉臂臂长补偿值。

应用实例：

如图2所示，将被测的逆反射棱镜4设置在距离测距系统约5.5m处，固定于纳米微动台上，设置可调谐激光器1的功率为10mW，调制范围为1530～1550nm，扫描速度为8nm/s，不等臂马赫增德尔干涉系统的光程差dis＝44046mm。进行测量后得到n1＝331459、n2＝839082、p1＝0.23、p2＝0.02、EV＝3229.124mm，计算得到被测逆反射棱镜4与准直透镜3的距离z＝5470.532mm。为了证明测量分辨力，控制纳米微动台移动50μm进行第二次测量，得到测量结果为z＝5470.589mm，证明了本发明的测量分辨力可以达到50μm。通过上述实例验证了利用该双干涉光路调频连续波激光测距信号处理方法可以实现高分辨力的调频连续波激光测距。

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 (3)

1.双干涉光路调频连续波激光测距信号处理方法，其特征在于：该方法的具体步骤如下：

步骤1、搭建双干涉光路调频连续波激光测距系统，可调谐激光器发射光频线性调制的窄线宽激光，分别进入测量干涉系统和参考干涉系统，得到两路频率不相等的正弦波信号；其中，测量干涉系统中，激光被分为两路，一路激光被逆反射棱镜反射后与另一路发生干涉得到正弦波信号；

步骤2、高速数据采集系统的通道一和通道二分别对测量干涉系统和参考干涉系统的正弦波信号进行同步数据采集，得到信号sig1和sig2；

步骤3、对信号sig1和sig2进行极值提取，得到信号sig1和信号sig2的极值点集；

步骤4、将可调谐激光器的调制开始信号发出后信号sig2的第一个极值点作为计数起始点；可调谐激光器的调制终止信号发出后，信号sig2的第一个极值点作为计数终止点；

步骤5、计算计数起始点和计数终止点之间对应的时间段内，信号sig1和sig2的极值点数量，分别记为n1和n2；测量得到计数起始点与信号sig1的第一个极值点之间的相位为p1，计数终止点与信号sig1的最后一个极值点之间的相位为p2；

步骤6、将测得的n1、n2、p1和p2代入测距公式得到逆反射棱镜的距离：

$z=\frac{1}{2n}\·dis\·\frac{n1+\frac{p1+p2}{2\mathrm{\π}}}{n2}-EV$

式中，dis为参考干涉系统的光程差，n为空气折射率，EV为参考干涉系统的干涉臂臂长补偿值。

2.根据权利要求1所述的双干涉光路调频连续波激光测距信号处理方法，其特征在于：所述的步骤1进一步描述为：在测量干涉系统中，一路激光依次经过光环行器和准直透镜投射至逆反射棱镜，被逆反射棱镜反射后再依次经过准直透镜和光环行器反射至第一光电探测器表面与另一路激光汇合，发生干涉，得到第一正弦波信号；参考干涉系统中，延迟光纤令进入参考干涉系统两个干涉臂的激光出现光程差，在第二光电探测器表面发生干涉，得到第二正弦波信号。

3.根据权利要求1所述的双干涉光路调频连续波激光测距信号处理方法，其特征在于：所述的参考干涉系统为不等臂马赫增德尔干涉系统。