CN106772415A - 一种相位测距装置及其测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相位测距装置及其测距方法，包括激光器、光环形器、马赫曾德尔调制器、光纤准直镜、扩束镜、反射镜和探测器，所述激光器发出的光依次经过光环行器、马赫曾德尔调制器、光纤准直镜、扩束镜和反射镜，并经所述反射镜反射后，依次经过扩束镜、光纤准直镜、马赫曾德尔调制器、光环行器和探测器。本发明利用马赫曾德尔调制器对激光器发出的测量光进行线性强度调制，对调制信号进行扫频，并对第二次调制后的信号进行处理求得待测距离，提高了测距精度。

Description

一种相位测距装置及其测距方法

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，特别是涉及一种基于马赫曾德尔调制器的相位测距装置及其测距方法。

背景技术

大尺寸空间绝对精密测距是我国大型装备制造中的一项重要关键技术。传统的绝对距离测量法包括脉冲飞行时间法、鉴相法、多波长干涉法、调频连续波测量法等。其中，脉冲飞行时间法和传统鉴相法的测量精度无法满足精密测距的精度要求；多波长干涉法和调频连续波测距法对测量光的稳定性要求很高，抗干扰性差，无法满足工业现场测量的需求。

传统鉴相法是将激光进行强度调制，通过将测量光路和参考光路比相来实现绝对距离测量，但这种方法的鉴相精度受到电路精度限制，且采用参考光路会引入周期性误差等其他问题，因此测量精度难以提高。

瑞士公司提出的偏振调制测距方法(US4759623)利用自由空间光调制器调制测量光的偏振态，将待测距离的相位信息加载在调制偏振态上，对往返波进行扫频偏振调制，并偏振干涉寻找零相差点的调制频率，最后解算距离信息，这种方法取消了参考光路，且不需要鉴相位，具有较高的测量精度。但是，对空间光路中光线的准直和对准有极高的要求，且所用空间光调制器需要较大的驱动电压，不利于系统集成和系统稳定性，同时高频自由空间调制器的调制带宽很窄，扫频时必须同步调节调制器的谐振频率，这也使得测量系统变得较为复杂。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种相位测距装置及其测距方法，以提高测量精度和测量系统的稳定性，同时简化装置结构。

本发明提供的相位测距装置包括激光器、光环形器、马赫曾德尔调制器、光纤准直镜、扩束镜、反射镜和探测器，所述激光器发出的光依次经过光环行器、马赫曾德尔调制器、光纤准直镜、扩束镜和反射镜，并经所述反射镜反射后，依次经过扩束镜、光纤准直镜、马赫曾德尔调制器、光环行器和探测器，所述光环形器用于将所述激光器发出的光引入马赫曾德尔调制器，并将经所述反射镜反射的回光引入探测器，所述光纤准直器用于将光纤光准直地输出到自由空间，并将经所述反射镜反射的光耦合进入马赫曾德尔调制器中。

在本发明的一些实施例中，所述探测器为低速连续光探测器。优选地，所述探测器的探测速度小于调制频率，且大于10倍的扫频速度。

在本发明的一些实施例中，所述激光器与光环行器之间的光路上还设置有光纤隔离器，所述光纤隔离器用于隔离后向激光。

在本发明的一些实施例中，还包括扫频信号源，所述扫频信号源用于产生线性扫频信号，从而驱动马赫曾德尔调制器产生连续强度调制。

在本发明的一些实施例中，还包括放大器，所述放大器与探测器相连，用于将所述探测器测得的强度信号放大。

在本发明的一些实施例中，还包括采集控制单元，所述采集控制单元分别与放大器、扫频信号源相连，所述采集控制单元用于采集滤波后的强度信号，然后根据采集到的强度信号，计算马赫曾德尔调制器与反射镜之间的距离。

在本发明的一些实施例中，所述马赫曾德尔调制器先对光进行第一次线性强度调制，再对返回的光进行第二次强度调制，两次调制后的强度满足如下关系式：

其中，I_i为入射马赫曾德尔调制器的光强，I_o为对返回的光进行第二次强度调制后探测器接收的光强，为ω为调制波的角频率，C为光速，为出射光和返回光的相位差，D为马赫曾德尔调制器与反射镜之间的距离。

在本发明的一些实施例中，滤去强度信号中的高频成分，则根据公式计算马赫曾德尔调制器与反射镜之间的距离，其中f₁，f₂分别为两个连续的强度极大值对应的频率值，Round表示求近似的整数。

本发明还提供一种上述相位测距装置的测距方法，包括以下步骤：

打开激光器，采集控制单元控制扫频信号源产生连续的线性扫频信号，激光器发出的光依次经过光纤隔离器和光环行器后进入马赫曾德尔调制器，马赫曾德尔调制器对光进行第一次线性强度调制，然后通过光纤准直镜进入自由空间，随后经过扩束镜扩束后到达反射镜，再经所述反射镜反射后，依次经过扩束镜、光纤准直镜、马赫曾德尔调制器、光环行器和探测器，返回的光再次经过马赫曾德尔调制器第二次强度调制，两次调制后的强度满足如下关系式

其中，I_i为入射马赫曾德尔调制器的光强，I_o为对返回的光进行第二次强度调制后探测器接收的光强，为ω为调制波的角频率，C为光速，为出射光和返回光的相位差，D为马赫曾德尔调制器与反射镜之间的距离；

滤去强度信号中的高频成分，将上式简化为

根据公式计算马赫曾德尔调制器与反射镜之间的距离，其中f₁，f₂分别为两个连续的强度极大值对应的频率值，Round表示求近似的整数。

从上面的所述可以看出，本发明提供的相位测距装置及其测距方法利用马赫曾德尔调制器对激光器发出的测量光进行线性强度调制，当测量光到达目标反射器并原路返回再次进入调制器时，被进行第二次强度调制，对调制信号进行扫频，并对第二次强度调制后的信号进行处理求得待测距离。

附图说明

图1为本发明实施例的相位测距装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的两次扫频信号和采样信号的示意图。

其中：1-激光器，2-光纤隔离器，3-光纤环形器，4-马赫曾德尔调制器，5-扫频信号源，6-光纤准直器，7-扩束镜，8-反射镜，9-探测器，10-放大器，11-采集控制单元。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

参见图1，其为本发明实施例的相位测距装置的结构示意图。作为本发明的一个实施例，所述相位测距装置包括激光器1、光环形器3、马赫曾德尔调制器4、光纤准直镜6、扩束镜7、反射镜8和探测器9，所述激光器1发出的光依次经过光环行器3、马赫曾德尔调制器4、光纤准直镜6、扩束镜7和反射镜8，并经所述反射镜8反射后，依次经过扩束镜7、光纤准直镜6、马赫曾德尔调制器4、光环行器3和探测器9，所述光环形器3用于将所述激光器1发出的光引入马赫曾德尔调制器4，并将经所述反射镜8反射的回光引入探测器9。所述光纤准直器6用于将光纤光准直地输出到自由空间，并将经所述反射镜8反射的光耦合进入马赫曾德尔调制器4中。

可选地，所述探测器9为低速连续光探测器。采用低速探测器可以滤去强度信号中的高频成分，则强度和调制频率唯一相关。优选地，所述探测器9的探测速度小于调制频率，且大于10倍的扫频速度。在本发明的又一个实施例中，所述激光器1与光环行器3之间的光路上还设置有光纤隔离器2，所述光纤隔离器2用于隔离后向激光，避免对激光器1产生损伤。因此，所述激光器1发出的光依次经过光纤隔离器2、光环行器3、马赫曾德尔调制器4、光纤准直镜6、扩束镜7和反射镜8，并经所述反射镜8反射后，依次经过扩束镜7、光纤准直镜6、马赫曾德尔调制器4、光环行器3和探测器9。

在本发明的又一个实施例中，所述相位测距装置还包括扫频信号源5，所述扫频信号源5用于产生线性扫频信号，从而驱动马赫曾德尔调制器4产生连续强度调制。

在本发明的又一个实施例中，所述相位测距装置还包括放大器10，所述放大器10与探测器9相连，用于将所述探测器9测得的强度信号放大。

在本发明的又一个实施例中，所述相位测距装置还包括采集控制单元11，所述采集控制单元11分别与放大器10、扫频信号源5相连，所述采集控制单元11用于采集滤波后的强度信号，然后根据采集到的强度信号，计算马赫曾德尔调制器4与反射镜8之间的距离。所述采集控制单元11还用于产生扫频控制信号，使所述扫频信号源5产生线性扫频信号。

激光器1产生的连续波经光纤隔离器2和光环形器3后进入马赫曾德尔调制器4进行第一次线性强度调制，并通过光纤准直镜6进入自由空间，随后经过扩束镜7扩束后到达反射镜8，再经所述反射镜8返回，经历了2D的光程，其中D为待测距离(马赫曾德尔调制器4与反射镜8之间的距离)。返回的光再次经过马赫曾德尔调制器4第二次强度调制，两次调制后的强度满足如下关系式：

其中，I_i为入射马赫曾德尔调制器的光强，I_o为对返回的光进行第二次强度调制后探测器接收的光强，为ω为调制波的角频率，为出射光和返回光的相位差。

将上式展开，则I_o可表示为：

采用低速探测器可以滤去强度信号中的高频成分，则强度和调制频率唯一相关。公式(1)可以简化为：

此波形为强度随变化的余弦波。扫频时，该波形出现的两个连续的强度极大值所对应的频率值，满足：

其中，f₁，f₂为两个连续的强度极大值对应的频率值，C为光速，N₁、N₂为正整数，且N₁、N₂连续，即N₂＝N₁+1。

联立(2)、(3)、(4)两式，可得

其中，Round表示求近似的整数。

因而，可以计算得到待测距离D，即马赫曾德尔调制器4与反射镜8之间的距离。

由于本发明通过波形的两个连续的强度极大值(而不是极小值)所对应的频率值来计算得到马赫曾德尔调制器4与反射镜8之间的距离，可以有效提高待测强度信号的信噪比，进而提高测量准确性

本发明通过马赫曾德尔调制器进行宽频高速强度调制，可以通过宽频调制获得多个连续强度极大值，有效提高测量精度。

本发明还提供一种所述相位测距装置的测距方法，如图1和图2所示，打开激光器1，采集控制单元11控制扫频信号源5产生连续的线性扫频信号，激光器1发出的光依次经过光纤隔离器2和光环行器3后进入马赫曾德尔调制器4，马赫曾德尔调制器4对光进行第一次线性强度调制，然后通过光纤准直镜6进入自由空间，随后经过扩束镜7扩束后到达反射镜8，再经所述反射镜8反射后，依次经过扩束镜7、光纤准直镜6、马赫曾德尔调制器4、光环行器3和探测器9，经历了2D的光程，所述D为马赫曾德尔调制器4与反射镜8之间的距离。返回的光再次经过马赫曾德尔调制器4第二次强度调制，两次调制后的强度满足如下关系式：

其中，I_i为入射马赫曾德尔调制器的光强，I_o为对返回的光进行第二次强度调制后探测器接收的光强，为ω为调制波的角频率，为出射光和返回光的相位差，D为马赫曾德尔调制器与反射镜之间的距离。

接着，滤去强度信号中的高频成分，将上式简化为

根据公式计算马赫曾德尔调制器与反射镜之间的距离，其中f₁，f₂分别为两个连续的强度极大值对应的频率值，Round表示求近似的整数。

具体地，光源选用波长1550nm的激光器1。马赫曾德尔调制器4的调制频率范围在DC-20GHz，半波电压为7V。扫频信号源5的扫频范围在2.998GHz-3.002GHz，扫频步长为500Hz，单次扫频时间为2.5μs。

采集控制单元11进一步对滤波后的信号进行采集和处理，并获得扫频过程中，探测器先后获取光强极大值下的两个频率值2.9985GHz，3GHz，根据公式(5)计算待测距离D为100米。

由于马赫曾德尔调制器的调制频率范围可以达到40GHz左右，因而可将大尺寸测距范围扩展到厘米级至千米级。同时通过宽频调制获得多个连续强度极大值，有效提高测量精度。需要说明的是，若能合理消除背景噪声，且扫频步长和测频精度达到Hz级别，则测距精度可达亚μm级。

因此，相比于传统的相位法，本发明提供的相位测距装置及其测距方法不需要鉴别相位，也不需要参考光路，就可以准确测得距离，而且该相位测距装置的结构简单。此外，本发明采用光纤光路，只需要极少的光学器件，这简化了该相位测距装置，更具应用价值。而且，本发明采用光纤光路偏振调制测距，其优点是采用连续的模拟调制，使得光强信号的分辨率较高，有利于提高测量精度。

由此可见，本发明提供的相位测距装置及其测距方法利用波导型调制器调制的超高调制带宽，提高了测距范围；而且马赫曾德尔调制器连续强度调制实现频率的精确测量，提高测距精度，高频调制缩小了测距模糊范围，提高了测距精度。另外，本发明提供的相位测距装置结构简单，结构紧凑，装调方便，成本低廉。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种相位测距装置，其特征在于，包括激光器、光环形器、马赫曾德尔调制器、光纤准直镜、扩束镜、反射镜和探测器，所述激光器发出的光依次经过光环行器、马赫曾德尔调制器、光纤准直镜、扩束镜和反射镜，并经所述反射镜反射后，依次经过扩束镜、光纤准直镜、马赫曾德尔调制器、光环行器和探测器，所述光环形器用于将所述激光器发出的光引入马赫曾德尔调制器，并将经所述反射镜反射的回光引入探测器，所述光纤准直器用于将光纤光准直地输出到自由空间，并将经所述反射镜反射的光耦合进入马赫曾德尔调制器中。

2.根据权利要求1所述的相位测距装置，其特征在于，所述探测器为低速连续光探测器。

3.根据权利要求1所述的相位测距装置，其特征在于，所述激光器与光环行器之间的光路上还设置有光纤隔离器，所述光纤隔离器用于隔离后向激光。

4.根据权利要求1所述的相位测距装置，其特征在于，还包括扫频信号源，所述扫频信号源用于产生线性扫频信号，从而驱动马赫曾德尔调制器产生连续强度调制。

5.根据权利要求1所述的相位测距装置，其特征在于，还包括放大器，所述放大器与探测器相连，用于将所述探测器测得的强度信号放大。

6.根据权利要求5所述的相位测距装置，其特征在于，还包括采集控制单元，所述采集控制单元分别与放大器、扫频信号源相连，所述采集控制单元用于采集滤波后的强度信号，然后根据采集到的强度信号，计算马赫曾德尔调制器与反射镜之间的距离。

7.根据权利要求1所述的相位测距装置，其特征在于，所述马赫曾德尔调制器先对光进行第一次线性强度调制，再对返回的光进行第二次强度调制，两次调制后的强度满足如下关系式：

其中，I_i为入射马赫曾德尔调制器的光强，I_o为对返回的光进行第二次强度调制后探测器接收的光强，为ω为调制波的角频率，C为光速，为出射光和返回光的相位差，D为马赫曾德尔调制器与反射镜之间的距离。

8.根据权利要求7所述的相位测距装置，其特征在于，滤去强度信号中的高频成分，则根据公式计算马赫曾德尔调制器与反射镜之间的距离，其中f₁，f₂分别为两个连续的强度极大值对应的频率值，Round表示求近似的整数。

9.一种根据权利要求1-8中任意一项所述的相位测距装置的测距方法，其特征在于，包括以下步骤：

打开激光器，采集控制单元控制扫频信号源产生连续的线性扫频信号，激光器发出的光依次经过光纤隔离器和光环行器后进入马赫曾德尔调制器，马赫曾德尔调制器对光进行第一次线性强度调制，然后通过光纤准直镜进入自由空间，随后经过扩束镜扩束后到达反射镜，再经所述反射镜反射后，依次经过扩束镜、光纤准直镜、马赫曾德尔调制器、光环行器和探测器，返回的光再次经过马赫曾德尔调制器第二次强度调制，两次调制后的强度满足如下关系式

其中，I_i为入射马赫曾德尔调制器的光强，I_o为对返回的光进行第二次强度调制后探测器接收的光强，为ω为调制波的角频率，C为光速，为出射光和返回光的相位差，D为马赫曾德尔调制器与反射镜之间的距离；

滤去强度信号中的高频成分，将上式简化为

根据公式计算马赫曾德尔调制器与反射镜之间的距离，其中f₁，f₂分别为两个连续的强度极大值对应的频率值，Round表示求近似的整数。