CN107102338B - 调频连续波激光测距中激光器跳模影响的抑制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了调频连续波激光测距中激光器跳模影响的抑制方法。外腔式可调谐激光器作为光源易导致输出激光信号出现跳摸。本发明的可调谐激光器发射激光，分别进入测量干涉系统和参考干涉系统，高速数据采集系统采集得到离散数字信号Sig1和Sig2；计算离散数字信号Sig2的极大值和极小值，将极大值和极小值按采样时间合并为数组Extr；计算离散数字信号Sig2的均值，删除数组Extr中小于均值的极大值和大于均值的极小值，得到极值数组；用极值数组的元素对离散数字信号Sig1进行采样，并对采样信号进行快速傅里叶变换，得到频谱图中主瓣峰值对应的频率；根据频率计算被测目标的距离。本发明可有效抑制可调谐激光器跳模。

Description

调频连续波激光测距中激光器跳模影响的抑制方法
技术领域
本发明涉及一种调频连续波激光测距中激光器跳模影响的抑制方法。
背景技术
调频连续波激光测距是具有高精度、无盲区、可实现无合作目标测距等优点的绝对式激光干涉测距方法，是激光测距领域的重要研究方向，在工业应用领域有着广阔的应用前景。
调频连续波激光测距的基本原理是对发射激光的光频进行线性调制，发射激光经过干涉系统测量臂到达被测目标后，反射回探测器表面形成测量信号与参考臂的参考信号发生差频干涉得到拍频信号，对拍频信号的频率进行测量得到测量距离。其测量精度正比于激光光频的调制范围与调制线性度，通过选择外腔式可调谐激光器可以实现大范围的激光光频调制范围，利用等光频间隔重采样法可以实现调制线性度的矫正，实现高精度的距离测量。
等光频间隔重采样调频连续波测量系统中，采用的外腔式可调谐激光器作为光源，其激光频率调谐结构中包含有机械部件，在使用过程中容易出现跳动、迟滞等现象，导致输出激光信号出现跳模，令测量精度严重下降。
发明内容
本发明目的是针对现有利用外腔式可调谐激光器做为光源的调频连续波激光测距系统的不足，提出一种信号处理方法，快速有效地抑制外腔式可调谐激光器跳模导致的调频连续波激光测距系统测量精度下降现象。
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。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，得到离散数字信号Sig1和Sig2。
步骤2、利用差分法计算离散数字信号Sig2的极大值和极小值，极大值数组为Maxs＝{A1,A2,A3,…,An}，极小值数组为Mins＝{B1,B2,B3,…,Bm}。
步骤3、将极大值数组和极小值数组按照采样时间顺序合并为一个数组Extr＝{E1,E2,E3,…,Ea,…,Ek}，其中，k＝m+n，1≤a≤k；Ea根据a的值按下述两种方式中的一种取极大值或极小值：(1)a为奇数时，Ea取极大值，a为偶数时，Ea取极小值；(2)a为奇数时，Ea取极小值，a为偶数时，Ea取极大值。
步骤4、计算离散数字信号Sig2的均值Mean。
步骤5、找出极大值数组中所有小于均值Mean的元素Ai，从数组Extr中删除与元素Ai采样时间相同的元素Ei，若元素Ei前一采样时刻还有元素，则删除元素E(i-1)。
步骤6、找出极小值数组中所有大于均值Mean的元素Bi，从数组Extr中删除与元素Bi采样时间相同的元素Ei，若元素Ei前一采样时刻还有元素，则删除元素E(i-1)，得到极值数组Extrp。
步骤7、将极值数组Extrp中的各个元素作为采样点，对离散数字信号Sig1进行采样，并对采样信号进行快速傅里叶变换，得到频谱图中主瓣峰值对应的频率，然后根据该频率计算被测目标的距离。
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，得到正弦波信号。
所述可调谐激光器采用中心波长为1500～1600nm的外腔式窄线宽可调谐激光器。
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：可以快速有效抑制可调谐激光器跳模所导致的测量精度下降问题。
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。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
调频连续波激光测距中激光器跳模影响的抑制方法，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，包括可调谐激光器1、测量干涉系统、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。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。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2、利用差分法计算离散数字信号Sig2的极大值和极小值，极大值数组为Maxs＝{A1,A2,A3,…,An}，极小值数组为Mins＝{B1,B2,B3,…,Bm}。
步骤3、将极大值数组和极小值数组按照采样时间顺序合并为一个数组Extr＝{E1,E2,E3,…,Ea,…,Ek}，其中，k＝m+n，1≤a≤k；Ea根据a的值按下述两种方式中的一种取极大值或极小值：(1)a为奇数时，Ea取极大值，a为偶数时，Ea取极小值；(2)a为奇数时，Ea取极小值，a为偶数时，Ea取极大值。
步骤4、计算离散数字信号Sig2的均值Mean。
步骤5、找出极大值数组中所有小于均值Mean的元素Ai，从数组Extr中删除与元素Ai采样时间相同的元素Ei，若元素Ei前一采样时刻还有元素，则删除元素E(i-1)。
步骤6、找出极小值数组中所有大于均值Mean的元素Bi，从数组Extr中删除与元素Bi采样时间相同的元素Ei，若元素Ei前一采样时刻还有元素，则删除元素E(i-1)，得到极值数组Extrp。
步骤7、将极值数组Extrp中的各个元素作为采样点，对离散数字信号Sig1进行采样，并对采样信号进行快速傅里叶变换，得到频谱图中主瓣峰值对应的频率，然后根据该频率计算被测目标的距离。

Claims (3)

1.调频连续波激光测距中激光器跳模影响的抑制方法，其特征在于：该方法具体如下：
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；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，得到离散数字信号Sig1和Sig2；
步骤2、利用差分法计算离散数字信号Sig2的极大值和极小值，极大值数组为Maxs＝{A1,A2,A3,…,An}，极小值数组为Mins＝{B1,B2,B3,…,Bm}；
步骤3、将极大值数组和极小值数组按照采样时间顺序合并为一个数组Extr＝{E1,E2,E3,…,Ea,…,Ek}，其中，k＝m+n，1≤a≤k；Ea根据a的值按下述两种方式中的一种取极大值或极小值：(1)a为奇数时，Ea取极大值，a为偶数时，Ea取极小值；(2)a为奇数时，Ea取极小值，a为偶数时，Ea取极大值；
步骤4、计算离散数字信号Sig2的均值Mean；
步骤5、找出极大值数组中所有小于均值Mean的元素Ai，从数组Extr中删除与元素Ai采样时间相同的元素Ei，若元素Ei前一采样时刻还有元素，则删除元素E(i-1)；
步骤6、找出极小值数组中所有大于均值Mean的元素Bi，从数组Extr中删除与元素Bi采样时间相同的元素Ei，若元素Ei前一采样时刻还有元素，则删除元素E(i-1)，得到极值数组Extrp；
步骤7、将极值数组Extrp中的各个元素作为采样点，对离散数字信号Sig1进行采样，并对采样信号进行快速傅里叶变换，得到频谱图中主瓣峰值对应的频率，然后根据该频率计算被测目标的距离；
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，得到正弦波信号。
2.根据权利要求1所述的调频连续波激光测距中激光器跳模影响的抑制方法，其特征在于：所述可调谐激光器采用中心波长为1500～1600nm的外腔式窄线宽可调谐激光器。
3.根据权利要求1所述的调频连续波激光测距中激光器跳模影响的抑制方法，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。
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