CN108845330B - 一种基于环路频率测量的激光测距方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及脉冲激光测距技术。一种基于环路频率测量的激光测距方法，包括脉冲激光器、光电探测器、分束器、时间间隔分析仪，在测量过程中，脉冲激光器首先在初始触发信号的作用下发出激光脉冲，光电探测器接收到激光脉冲信号后将激光信号转换成电脉冲信号并且通过分束器分为相同的两束脉冲信号。具有光路结构简单，测量精度高，实用性强的特点，在光纤器件制造，大型工件形貌测量等领域方面具有潜在的应用价值。

Description

一种基于环路频率测量的激光测距方法
技术领域
本发明属于激光测距领域，涉及脉冲激光测距技术，具体是一种基于环路频率测量的激光测距系统。
背景技术
激光测距具有测程远、测量速度快、抗干扰能力强等特点，因而广泛应用于工程建设等领域。近年来，在光纤器件生产，大型工件形貌测量等领域对大量程、高精度的绝对距离测量提出了更高的要求。常见的激光测距方案包括飞行时间法和连续波相位法等。飞行时间法的测距精度与脉冲飞行时间测量精度直接相关，然而实际系统中时间测量精度受限于由脉冲畸变以及光电探测器热噪声等引起的时间抖动，使得该方法的测距精度通常仅能达到厘米量级。连续波激光测距通常基于对目标回波相位探测，可得到优于脉冲飞行时间法的测距精度，但测量速度慢，结构也更加复杂。
针对飞行时间法中系统时间抖动的问题，研究人员采取了各种方法提高测量精度，比如使用时间抖动更小的探测器，采用光梳稳频技术等。虽然测量精度有了明显的提升，但测量过程中使用了超导及光梳技术，这使得上述方案的实用性受到了极大的限制。随着人们对测距精度要求的不断提高，现有测距仪已经无法满足需求，基于上述理由，有必要发明一种便捷的高精度的激光测距方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种高精度的激光测距方法。
本发明所采用的技术方案是：一种基于环路频率测量的激光测距方法，包括脉冲激光器、被测光纤，光电探测器、分束器、时间间隔分析仪，在测量过程中，脉冲激光器首先在初始触发信号的作用下发出激光信号，光电探测器接收到激光信号后将激光信号转换成电脉冲信号并且通过分束器分为两束脉冲信号，一束电脉冲信号作为脉冲激光器下次发出激光信号的触发信号，另一束电脉冲信号由时间间隔分析仪探测并记录每个脉冲的到达时间，通过对脉冲到达时间进行傅里叶分析获得脉冲重复频率，激光信号从脉冲激光器发出到达光电探测器所走过的距离
Figure BDA0001636846740000021
测量精度
Figure BDA0001636846740000022
其中，c为光速，n折射率，τ为光电探测器和脉冲激光器之间的电信号延时，N为谐波次数，T为测量时间。
作为一种优选方式：光电探测器与分束器之间有脉冲信号放大器。
本发明的有益效果是：将对时间的测量转化为对频率的测量，同时利用频谱的高次谐波效应，实现了高精度的激光测距。
附图说明
图1是本发明所采用的装置结构示意图；
图2是本发明测量精度、测量距离、测量时间关系图；
图3是数值模拟基波信号频谱；
图4是数值模拟10次谐波频谱；
图5是实验测量的基波信号频谱；
图6是实验测量的10次谐波频谱；
图7是实验测量的100次谐波频谱；
图8是实验测量的系统时间抖动统计分布；
图9是数值模拟时间抖动对10次谐波频谱的影响，测量时间T＝1s。
具体实施方式
本实施例所采用的装置如图1所示，脉冲激光器(ID300)发出激光脉冲信号经过被测光纤(用于代替实际测量的距离)，到达光电探测器(DET08CFC)，光电探测器接收到激光信号转换成脉冲信号后，由分束器分成两路，一束作为脉冲激光器下一次发出激光信号的触发信号，从而形成由脉冲激光器，被测光纤，光电探测器构成的闭合环路，另一束由时间间隔分析仪(GT658，时间分辨率75ps)探测并记录每个脉冲到达时间，通过对脉冲到达时间进行傅里叶分析获得脉冲重复频率。为了得到更好的效果，在光电探测器与分束器之间安装脉冲信号放大器。
本发明将传统激光测距中对时间的测量转化为对频率的测量，由于时间抖动在频域内表现为随机的白噪声分布，因此对特征谱线的影响十分有限，利用频谱的这一特性就能够获得更高的频率测量精度。同时利用频谱的高次谐波效应可以将精度进一步的提高。由于将光电探测器接收到的脉冲信号作为脉冲激光器下一次发出激光信号的触发信号，从而构成了由激光器，被测光纤和光电探测器组成的闭合环路，从而将距离的测量转变为对脉冲重复频率的测量。
假设脉冲重复频率为f，则被测光纤长度可表示为
Figure BDA0001636846740000031
其中c为光速，n＝1.48为光纤折射率，τ＝10.9ns为光电探测器和脉冲激光器之间的电信号延时。
假设频率测量的不确定度(即特征谱线半高宽)为Δf，则可得环路距离测量精度为
Figure BDA0001636846740000041
其中Δf＝1/T，T为测量时间。由公式(1)和(2)可得，测量精度ΔL与测量距离L、测量时间T的关系为：
Figure BDA0001636846740000042
由上式可得测量精度与测量时间，以及测量距离的关系如图2，从图中可以看出，对于相同的测量时间，测量距离越短，测量精度越高；对于相同的测量距离，测量时间越长，测量精度越高。
从公式(2)中可以看出，测量精度是脉冲重复频率f以及特征谱线半高宽Δf的函数。特征谱线半高宽由测量时间决定,脉冲重复频率由被测光纤长度决定。但是，由离散傅里叶变换理论可知，对一系列的脉冲信号进行离散傅里叶变换时会伴随有高次谐波，并且高次谐波的谱线半高宽仍与基波信号保持一致，因此，通过计算高次谐波能够进一步提高测量精度。为了验证这一想法，我们首先通过蒙特卡洛方法进行了数值模拟。如图3所示，当设置被测光纤长度相差20μm时，通过基波信号频谱无法明显区分两条光纤的长度。当考虑10次谐波时，如图4所示，我们可以发现频谱可以明显区分两条光纤。数值模拟过程中设置系统时间抖动为200ps。采用N次谐波计算被测光纤长度时，公式如下
Figure BDA0001636846740000051
本实施例中对长度为200米的光纤进行了测量，并对结果进行了频谱分析，测量结果如图5和图6所示。我们可以清晰地看出，随着测量时间的增加，Δf逐渐变小，即测量精度在不断提高，这与之前的理论分析一致。当测量时间设为T＝1s时，对应的特征谱线半高宽Δf＝1Hz。如图5所示为基波信号，脉冲重复频率为f＝1002447±1Hz，根据公式(1)和(2)，可知被测光纤长度为L＝199.9983±0.0002m。在图6中我们以10次谐波为例，展示了高次谐波对于精度提高的作用，其特征谱线位于10024475±1Hz，根据公式(4)及公式(2)，被测光纤长度为L＝199.99833±0.00002m。
分析实施例数据可知，测量基频得到的精度为200μm，但当使用10次谐波时，测量精度提升到了20μm。理论上，可以通过高次谐波效应将精度无限提高，但实施例中我们发现高次谐波对时间抖动更加敏感，随着谐波次数的增加，高次谐波幅度越来越小，而噪声却不会减小，频谱会发生畸变，如图7所示，从而使得精度的进一步提高受到限制。
系统时间抖动的存在也是限制飞行时间法激光测距精度进一步提高的一个重要因素。本实施例中，如图8所示，时间抖动ΔT＝200ps，同等条件下飞行时间法的测量精度为4cm，而我们实施例中精度达到了20μm，实现了三个数量级的提升。事实上，我们的方案可以承受更大的时间抖动并且保持测量精度不变，如图9所示，这里我们假设时间抖动ΔT服从高斯分布，采用蒙特卡洛方法对频谱进行数值模拟。结果表明，当时间抖动ΔT达到几十纳秒时，我们仍然可以获得较好的频谱信号，但是我们也可以看到随着时间抖动的增加，特征谱线的幅度明显降低，可以预见随着时间抖动的进一步增加特征谱线将淹没在噪声中。

Claims (2)

1.一种基于环路频率测量的激光测距方法，其特征在于：包括脉冲激光器、光电探测器、分束器、时间间隔分析仪，在测量过程中，脉冲激光器首先在初始触发信号的作用下发出激光脉冲，光电探测器接收到激光脉冲信号后将激光信号转换成电脉冲信号并且通过分束器分为相同的两束脉冲信号，一束电脉冲信号作为脉冲激光器下次发出激光信号的触发信号，另一束电脉冲信号由时间间隔分析仪探测并记录每个脉冲到达时间，通过对脉冲到达时间进行傅里叶分析获得脉冲重复频率，激光信号从脉冲激光器发出到达光电探测器所走过的距离
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，测量精度
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，其中，c为光速，n为折射率，τ为光电探测器和脉冲激光器之间的电信号延时，N为谐波次数，T为测量时间，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为脉冲重复频率；所述激光器，被测光纤和所述光电探测器组成闭合环路。
2.根据权利要求1所述的一种基于环路频率测量的激光测距方法，其特征在于：光电探测器与分束器之间有脉冲信号放大器。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN110888142B (zh) * 2019-11-15 2023-05-30 山西大学 基于mems激光雷达测量技术的航天器隐藏目标点测量方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103712689A (zh) * 2014-01-02 2014-04-09 上海朗研光电科技有限公司 基于光学频率梳的连续激光器光谱线宽测量装置
CN106059676A (zh) * 2016-05-12 2016-10-26 山西大学 基于单光子探测的多通道频率编码信息传输系统
CN205787512U (zh) * 2016-06-02 2016-12-07 山西大学 一种光通信波段连续变量量子纠缠源产生装置
CN107144828A (zh) * 2017-06-20 2017-09-08 成都信息工程大学 一种滑窗dft用于相干激光测风雷达谱分析方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103712689A (zh) * 2014-01-02 2014-04-09 上海朗研光电科技有限公司 基于光学频率梳的连续激光器光谱线宽测量装置
CN106059676A (zh) * 2016-05-12 2016-10-26 山西大学 基于单光子探测的多通道频率编码信息传输系统
CN205787512U (zh) * 2016-06-02 2016-12-07 山西大学 一种光通信波段连续变量量子纠缠源产生装置
CN107144828A (zh) * 2017-06-20 2017-09-08 成都信息工程大学 一种滑窗dft用于相干激光测风雷达谱分析方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Experimental quantum secure direct communication with single photons;Jian-Yong Hu等;《Light:Science & Applications》;20160531(第5期);第1-5页 *
大动态范围高精度激光测距关键技术研究;程鹏飞;《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(博士)工程科技Ⅱ辑》;20150215(第02期);第2.1节 *

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