CN108732580A - 一种基于相位法与合成波长法的绝对距离测量系统及测量方法 - Google Patents

一种基于相位法与合成波长法的绝对距离测量系统及测量方法 Download PDF

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陈宁
郭刚祥
胡朋兵
张建锋
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    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06Systems determining position data of a target
    • G01S17/08Systems determining position data of a target for measuring distance only

Abstract

本发明提供一种基于相位法与合成波长法的绝对距离测量系统及测量方法,涉及检测技术领域。飞秒激光器输出激光经偏振分束棱镜Ⅰ反射后,经声光调制器后被0°反射镜反射原路返回,反射光透过偏振分束棱镜Ⅰ射入偏振分束棱镜Ⅱ分成两束,一束为参考臂光路,被光电探测器Ⅰ接收,另一束为测量臂光路,被光电探测器Ⅱ接收,光电探测器通过相位计与计算机电连接。本发明解决了现有技术中在绝对距离测量中,量程与测量精度不能同时满足的技术问题。本发明有益效果为:用掺铒飞秒激光频率梳为光源,脉冲重复频率高,利用高次谐波提高距离测量精度。通过飞秒光梳脉冲间干涉,结合相位法与合成波长法实现扩展测量范围大。系统结构简单,易于操作。

Description

一种基于相位法与合成波长法的绝对距离测量系统及测量 方法
技术领域
本发明涉及检测技术领域,尤其是涉及一种基于相位法与合成波长法的绝对距离测量系统及测量方法。
背景技术
距离测量是检测技术领域的重要方面,对高端装备制造、船舶修造、汽车制造、交通工程建设等领域尤为重要。目前国内外主要采用的距离测量方法为:相位法、飞行时间法、激光干涉法等。相位法是传统的测距方法,不需要合作目标,可以实现长距离测距。但是,在大量程测量中,测量精度限制在mm量级。飞行时间法具有距离测量范围从几米到几百千米的优点,不仅广泛用于需要大尺度三维坐标测量的工业应用,而且用于包括人造卫星激光测距或者操作编队飞行的卫星之间的距离测量的空间任务。但是,用于分辨两个脉冲之间的时间差的电子有限带宽的限制,使用激光脉冲的飞行时间方法的测量不能够实现微米量级的分辨力,测量精度在米量级。激光干涉法可以提供光学波长量级的测量精度,一般可以达到几十纳米。但是,用于两点之间的位移测量,需要测量目标连续的移动,因而测量限制在距离的相对变化,不能直接确定需要测量的距离的绝对值。因此,在绝对距离测量中,量程与精度不能同时满足是需进一步解决的问题。目前在用的测距仪器包括激光干涉仪、激光跟踪仪、全站仪等都存在类似问题。中国专利申请公布号CN 107367723A,申请公布日2017年11月21日,名称为“一种测量距离的方法及设备”的发明专利申请文件,公开了一种测量距离的方法及装置。该方法包括:接收第一多载波信号;分析第一多载波信号,以得到第一多载波信号中M个子载波的多个实际相位差,实际相位差为M个子载波中的两个子载波之间的相位差;计算与多个实际相位差对应的多个相位波动值,相位波动值为实际相位差与原始相位差间的差值;原始相位差为第一多载波信号被发送前M个子载波中两个子载波之间的相位差;计算第一多载波信号的相位波动平均值,相位波动平均值是多个相位波动值求平均得到的;根据相位波动平均值与传输距离的映射关系以及第一多载波信号的相位波动平均值,确定第一多载波信号的传输距离。该结构和方法采用的相位法可实现高精度绝对距离测量。但在,被测目标较远时,测量得到的相位是周期循环的误差,即存在模糊距离,测量精度越高,则测量范围越小。
发明内容
为了解决现有技术中在绝对距离测量中,量程与测量精度不能同时满足的技术问题,本发明提供一种基于相位法与合成波长法的绝对距离测量系统及测量方法,达到扩大测量范围、提高测量精度的目的。
本发明的技术方案是:一种基于相位法与合成波长法的绝对距离测量系统,包括:飞秒激光器、偏振分束棱镜Ⅰ、声光调制器、0°反射镜、偏振分束棱镜Ⅱ、光电探测器1、目标反射镜、光电探测器Ⅱ、相位计,飞秒激光器输出激光经偏振分束棱镜Ⅰ反射后,经声光调制器后被0°反射镜反射原路返回,反射光透过偏振分束棱镜Ⅰ射入偏振分束棱镜Ⅱ分成两束,一束为参考臂光路,穿过偏振分束棱镜Ⅱ被光电探测器Ⅰ接收,另一束为测量臂光路,被偏振分束棱镜Ⅱ反射,经目标反射镜后穿过偏振分束棱镜Ⅱ,被光电探测器Ⅱ接收,光电探测器Ⅰ与光电探测器Ⅱ分别与相位计电连接,相位计电连接计算机。利用声光调制器对脉冲重复频率进行调制,相比较通过改变谐振腔长度调节脉冲频率而言,系统结构简单,易于操作。同时,声光调制器采用两次衍射的方式,当有调制和无调制时,光路方向不变,大大简化了系统结构。
作为优选,声光调制器与0°反射镜之间设有透镜Ⅱ;提高声光调制器的衍射效率及光路准直。
作为优选,透镜Ⅱ与0°反射镜之间设有四分之一波片Ⅰ;改变光束的偏振特性。
作为优选,飞秒激光器与偏振分束棱镜Ⅰ之间设有半波片Ⅰ;半波片Ⅰ与偏振分束棱镜Ⅰ结合调节透射光与反射光束分光比。
作为优选,偏振分束棱镜Ⅰ与偏振分束棱镜Ⅱ之间设有半波片Ⅱ;半波片Ⅱ结合偏振分束棱镜Ⅱ利用激光的偏振特性,将入射激光分为透射光与出射光两路。
一种基于相位法与合成波长法的绝对距离测量系统的测量方法,方法包括,步骤1:将飞秒激光器的重复频率与载波相位频率锁定,确定测量零点;步骤2:依据距离测量的非模糊范围,确定加载调制信号频率;步骤3:飞秒激光器发出的光通过无调制信号的声光调制器,经0°反射镜反射原路返回,通过相位法得到未调制光的相位差;步骤4:在声光调制器上加调制信号,产生合成波,飞秒激光器发出的光通过声光调制器,经0°反射镜反射原路返回,通过相位法得到频率调制光的相位差;步骤5:通过未调制光的相位差与频率调制光的相位差计算得到被测目标的绝对距离。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:利用掺铒飞秒激光频率梳作为光源,其脉冲重复频率较高,利用其高次谐波可以提高距离测量精度。通过飞秒光梳脉冲间干涉,结合相位法与合成波长法实现优势互补,扩展测量范围大。利用声光调制器作为频率调制器件及激光偏振特性设计测量方法,系统结构简单,易于操作。
附图说明
附图1为本发明系统连接示意图。
图中:1-飞秒激光器;2-激光隔离器;3-反射镜Ⅰ;4-半波片Ⅰ;5-偏振分束棱镜Ⅰ;6-透镜Ⅰ;7-声光调制器;8-透镜Ⅱ;9-四分之一波片Ⅰ;10-0°反射镜;11-反射镜Ⅱ;12-半波片Ⅱ;13-偏振分束棱镜Ⅱ;14-光电探测器Ⅰ;15-四分之一波片Ⅱ;16-目标反射镜;17-反射镜Ⅲ;18-光电探测器Ⅱ;19-相位计;20-计算机。
具体实施方式
下面通过实施例,并结合附图,对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例1:
如图1所示,一种基于相位法与合成波长法的绝对距离测量系统,包括:由飞秒激光器1、激光隔离器2、反射镜Ⅰ3、半波片Ⅰ4、偏振分束棱镜Ⅰ5、透镜Ⅰ6、声光调制器7、透镜Ⅱ8、四分之一波片Ⅰ9、0°反射镜(10)依次排列组成的合成波长测量系统;由反射镜Ⅱ11、半波片Ⅱ12、偏振分束棱镜Ⅱ13、光电探测器Ⅰ14、四分之一波片Ⅱ15、目标反射镜16、反射镜Ⅲ17、光电探测器Ⅱ18、相位计19、计算机20组成相位法测量系统。图中:箭头细实线表示光路,箭头虚线表示电连接。飞秒激光器1为1560nm的掺铒飞秒脉冲激光器,功率约60mW,输出的激光脉为100fs,重复频率250MHz。反射镜Ⅰ3、反射镜Ⅱ11、反射镜Ⅲ17均为45°高反射镜,反射率>99.99%。
合成波长测量系统:飞秒激光器1输出激光经激光隔离器2射入反射镜Ⅰ3。激光隔离器2是为了阻隔端面反射光进入飞秒激光器1,造成对激光器损坏。反射镜Ⅰ3反射的光经半波片Ⅰ4和偏振分束棱镜Ⅰ5后反射。调节半波片Ⅰ4角度,改变光束的偏振特性,使光束通过偏振分束棱镜Ⅰ5后全部反射。经过偏振分束棱镜Ⅰ5反射光是s偏振光。偏振分束棱镜Ⅰ5反射的光经透镜Ⅰ6、声光调制器7、透镜Ⅱ8产生衍射光(图中与水平成角度的光线)。光经透镜Ⅰ6提高衍射效率。光经透镜Ⅱ8是为了光束准直。衍射光经四分之一波片Ⅰ9被反射镜10反射后原路返回。四分之一波片Ⅰ9用于改变光束的偏振方向。光两次经过四分之一波片Ⅰ9,使之变为p偏振光。p偏振光穿过偏振分束棱镜Ⅰ5成为检测光。
相位法测量系统的光源由合成波长测量系统提供。合成波长测量系统提供的检测光由反射镜Ⅱ11反射后,经过半波片Ⅱ12、偏振分束棱镜Ⅱ13利用激光的偏振特性,将检测光分为透射光与出射光两路。透射光束为参考臂光路,即参考光,由光电探测器Ⅰ14接收。反射光束为测量臂光路,即测量光,经四分之一波片Ⅱ15由目标反射镜16反射沿原路返回,并穿过偏振分束棱镜Ⅱ13被反射镜Ⅲ17反射,由光电探测器Ⅱ18接收。图中SS表示远距离。目标反射镜16背面与被测物贴紧。相位计19输入端分别与光电探测器Ⅰ14、光电探测器Ⅱ18电连接。相位计19输出端与计算机20电连接。
一种基于相位法与合成波长法的绝对距离测量系统的测量方法:包括:步骤1:打开飞秒激光器1,将飞秒激光器1的重复频率与载波相位频率锁定。调整测量系统光路,确定测量零点。测量零点由测量臂长和参考臂长决定。测量臂长为从偏振分束棱镜II13到光电探测器Ⅱ18之间光所走过的距离。参考臂长为从偏振分束棱镜II13到光电探测器I14之间光所走过的距离。测量臂长与参考臂长相等时作为测量零点。
步骤2:依据距离测量的非模糊范围,确定加载调制信号频率。根据相位法测量的基本原理,在色散媒介中,符合公式(1):其中:λ:模糊距离,由测量频率得到;c:光速;f:为测量中所选取的微波信号频率,由激光脉冲重复频率和加载调制信号频率组成;ng:激光的群折射系数。计算后得达到λ模糊距离需要的频率,减去激光频率可确定加载调制信号频率。
步骤3:调节半波片Ⅰ4的角度,使得到达偏振分束棱镜Ⅰ5的光束全部反射。此时,声光调制器7无调制信号,飞秒激光器1发出的光通过无调制信号的声光调制器7,并由0°反射镜10反射。反射光束原路返回,通过调节四分之一波片Ⅰ9的角度,改变光束偏振方向,使得反射光再次经过偏振分束棱镜Ⅰ5后全部透射。用相位法测量系统得到未调制光的相位差
步骤4:依据在步骤2得到的加载调制信号频率,设置声光调制器7的驱动频率,在声光调制器7上加载调制信号,产生合成波,波长为此时,不用改变飞秒激光器1的频率锁定状态,所以不需要将飞秒激光器1的重复频率与载波相位频率解锁。飞秒激光器1发出的光通过声光调制器7,经0°反射镜10反射原路返回,通过相位法得到频率调制后光的相位差由于合成波长测量系统中通过声光调制器7的光路为两次衍射光路,因此频率调制时,在两次衍射后回到偏振分束棱镜Ⅰ5时的光路重合,不需要重复调节光路。
步骤5:通过未调制光的相位差与频率调制光的相位差计算机20计算得到被测目标的绝对距离。基于脉冲之间的迈克尔逊干涉法,飞秒激光器发出的脉冲序列引入由测量臂和参考臂组成的迈克尔逊干涉光路中,在经过不同路径延迟后相遇,由相位计测出特定频率下的相位差。当激光传输距离为L,返回光通过探测器探测。L即为目标的真实距离。可以表示为公式(2):其中:测量光与参考光相位差;k:相位角循环周期的整数倍。在相位法中,不管是粗测还是精测都存在模糊范围。精测的精度高,但模糊范围小。在被测目标距离较远时,测量得到的相位只是周期循环的误差,所以结合合成波长法,加载一个低频测量,使其模糊范围覆盖被测距离,粗测时相位变化是加载频率调制后测量的周期整数倍,即kL=0。由公式(2)可以得到公式(3):其中:为步骤4中加载调制信号的相位差,即为L为测目标的绝对距离;λL、λH由公式(1)可求得。公式(3)具体到未调制,高频测量可表示为:其中:LH为高频测量的被测目标的距离;为未调制光的相位差;kH为高频测量的相位角循环周期的整数倍;λH为高频测量的模糊距离。由于f(测量中所选取的微波信号频率)高,那么λH小,即λH<L,导致kH>0。这样,在被测目标较远时有两个未知量,kH 为测量量,在步骤3中得到。只剩下kH待定。高频测量,测量频率高精度高,如果kH不确定那测量范围就限制在λH内。但是,要实现高精度大范围测量,就要要确定kH
公式(3)具体到调制后,低频测量可表示为:其中:LL为低频测量的被测目标的距离;为加载调制信号的相位差;LL为低频测量的相位角循环周期的整数倍;λL为低频测量的模糊距离。由于f(测量中加载的调制频率)小,那么λL大,即λL>L,在一个相位变化周期捏kL=0,即可表示为此时被测目标较远时有只有一个未知量 为测量和计算可得。即可求得低频测量的绝对距离LL。低频测量的测量频率低范围大,但精度低。所以,不能采用低频的距离测量结果。然而,对同一被测物,高频测量得到的被测目标的距离LH和低频测量的被测目标的距离LL应该是相等的,即有从而得到kH。将kH代入得到的kH值,即为被测目标的绝对距离L。

Claims (6)

1.一种基于相位法与合成波长法的绝对距离测量系统,包括:飞秒激光器(1)、偏振分束棱镜Ⅰ(5)、声光调制器(7)、0°反射镜(10)、偏振分束棱镜Ⅱ(13)、光电探测器1(14)、目标反射镜(16)、光电探测器Ⅱ(18)、相位计(19),其特征在于:所述飞秒激光器(1)输出激光经偏振分束棱镜Ⅰ(5)反射后,经声光调制器(7)后被0°反射镜(10)反射原路返回,反射光透过偏振分束棱镜Ⅰ(5)射入偏振分束棱镜Ⅱ(13)分成两束,一束为参考臂光路,穿过偏振分束棱镜Ⅱ(13)被光电探测器Ⅰ(14)接收,另一束为测量臂光路,被偏振分束棱镜Ⅱ(13)反射,经目标反射镜(16)后穿过偏振分束棱镜Ⅱ(13),被光电探测器Ⅱ(18)接收,所述光电探测器Ⅰ(14)与光电探测器Ⅱ(18)分别与相位计(19)电连接,相位计(19)电连接计算机(20)。
2.根据权利要求1所述的一种基于相位法与合成波长法的绝对距离测量系统,其特征在于:所述声光调制器(7)与0°反射镜(10)之间设有透镜Ⅱ(8)。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于相位法与合成波长法的绝对距离测量系统,其特征在于:透镜Ⅱ(8)与0°反射镜(10)之间设有四分之一波片Ⅰ(9)。
4.根据权利要求1或3所述的一种基于相位法与合成波长法的绝对距离测量系统,其特征在于:飞秒激光器(1)与偏振分束棱镜Ⅰ(5)之间设有半波片Ⅰ(4)。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种基于相位法与合成波长法的绝对距离测量系统,其特征在于:偏振分束棱镜Ⅰ(5)与偏振分束棱镜Ⅱ(13)之间设有半波片Ⅱ(12)。
6.根据权利要求1所述的一种基于相位法与合成波长法的绝对距离测量系统的测量方法,其特征在于:所述方法包括,步骤1:将飞秒激光器(1)的重复频率与载波相位频率锁定,确定测量零点;步骤2:依据距离测量的非模糊范围,确定加载调制信号频率;步骤3:飞秒激光器(1)发出的光通过无调制信号的声光调制器(7),经0°反射镜(10)反射原路返回,通过相位法得到未调制光的相位差;步骤4:在声光调制器(7)上加调制信号,产生合成波,飞秒激光器(1)发出的光通过声光调制器(7),经0°反射镜(10)反射原路返回,通过相位法得到频率调制光的相位差;步骤5:通过未调制光的相位差与频率调制光的相位差计算得到被测目标的绝对距离。
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