CN108845333B - 一种抑制振动效应的调频连续波激光测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制振动效应的调频连续波激光测距方法，利用两个对称频率段的调频连续波信号，在测量干涉系统中产生两个信号的测量拍频信号，在辅助干涉系统中产生两个信号的辅助拍频信号，利用两个辅助拍频信号生成一个新的等光频重采样信号，对两个测量拍频信号同时进行等光频重采样，然后对测量拍频信号进行处理产生一个新的信号，对此信号进行chirp‑z变换精确求得其频率，此频率对应于消除振动影响的待测目标的真实距离值。本发明无需引入额外信号测量振动位移，在不需要测量振动位移的前提下仅需两个马赫曾德干涉仪便可实现测量不受振动影响的真实距离值的功能，算法较为简便且可行性较强。

Description

一种抑制振动效应的调频连续波激光测距方法

技术领域

本发明涉及调频连续波激光测距领域，特别涉及一种抑制振动效应的调频连续波激光测距方法。

背景技术

调频连续波激光测距系统在时间上对出射激光的频率进行线性或三角波调制从而得到待测目标点的距离值，相比于传统的激光测距方法，如激光脉冲法和激光相位法，具有测距精度高、测距分辨率高、不需要合作目标、没有距离盲区和系统整体结构简单等优势，在许多领域都有着重要的应用前景。从上个世纪八十年代开始，调频连续波激光测距技术开始被大量应用于军事激光雷达的设计，而在民用方面的应用却较少。但在一般环境中很难保证充分隔离振动，振动会引起光程差的改变，并在测量拍频信号引入多普勒频移，使得测量精度大幅降低。

一些方法已经被应用来解决该问题。例如刘国栋等人用卡尔曼滤波器进行动态绝对距离测量，降低环境振动对测量的影响；路程等人用单频激光器加两个声光调制器来测量测量干涉系统的光程差的变化，从而校正测量信号；Schneider等人开发了一个带有两个同时在频率上向上和向下调谐的激光二极管的装置。但这些方法，或软件编写极其繁琐或硬件复杂且昂贵。

发明内容

针对现有测量振动位移或消除振动影响的调频连续波激光测距方法的不足，本发明提出一种抑制振动效应的调频连续波激光测距方法，利用同时产生的两个不同频率段的频率扫描信号，获取两个测量拍频信号和两个辅助拍频信号，辅助拍频信号的拍频频率是已知的，利用两个辅助拍频信号产生等光频重采样信号，将等光频重采样过后的两个测量拍频信号进行处理，解算消除振动影响的待测目标的真实距离。本发明无需引入额外信号测量振动位移，在不需要测量振动位移的前提下仅需两个马赫曾德干涉仪便可实现测量不受振动影响的真实距离值的功能，数据处理过程简单且方法可行性较强。

本发明所采用的技术方案是：一种抑制振动效应的调频连续波激光测距方法，利用可调谐激光器、固定激光器、光子晶体光纤、光纤光栅产生不同频率段的频率扫描信号，测量干涉系统产生两个信号的测量拍频信号，辅助干涉系统产生两个信号的辅助拍频信号，对两个测量拍频信号和两个辅助拍频信号进行处理，最终获得消除振动影响的待测目标的真实距离值。

进一步的，一种抑制振动效应的调频连续波激光测距方法，具体包括以下步骤：

测距信号的产生：

1-1步骤、可调谐激光器产生频率扫描信号；固定激光器产生固定频率的光信号；将频率扫描信号和固定频率的光信号形成的组合光输入光子晶体光纤，通过所述光子晶体光纤中的非线性效应产生在频率上与频率扫描信号关于固定激光器频率中心对称的镜像频率扫描信号；光纤光栅的输出包含频率扫描信号以及镜像频率扫描信号；将频率扫描信号和镜像频率扫描信号形成的组合光同时送入测量干涉系统和辅助干涉系统；

1-2步骤、进入测量干涉系统的频率扫描信号和镜像频率扫描信号经过第二分束器分为C路和D路，C路和D路的输入均为含有频率扫描信号和镜像频率扫描信号的组合光信号；其中，C路激光经过光环形器、准直透镜，由反射镜反射后，原路返回进入所述光环形器，再进入第二耦合器；D路激光与C路激光在第二耦合器汇合，频率扫描信号和镜像频率扫描信号在第二耦合器分别发生干涉，并由第一粗波分复用器分开，在第一光电探测器和第二光电探测器分别产生第一测量拍频信号和第二测量拍频信号；

1-3步骤、进入辅助干涉系统的频率扫描信号和镜像频率扫描信号经过第三分束器分为E路和F路，E路和F路的输入均为含有频率扫描信号和镜像频率扫描信号的组合光信号；E路激光经过长度恒定且已知光程差的延时光纤后进入第三耦合器与F路激光汇合，频率扫描信号和镜像频率扫描信号在第三耦合器分别发生干涉，并由第二粗波分复用器分开，在第三光电探测器和第四光电探测器分别产生第一辅助拍频信号和第二辅助拍频信号；

其中，E路和F路形成了参考干涉光路，C路和D路形成了测量光路；

同步数据采集：

同步数据采集系统对测量干涉系统产生的第一测量拍频信号和第二测量拍频信号以及辅助干涉系统产生的第一辅助拍频信号和第二辅助拍频信号进行同步采样，步骤如下：

2-1、同步数据采集系统的初始化，设置采样时间t、采样频率f；

2-2、数据采集，采集过程中对同步数据采集系统采集到第一测量拍频信号、第二测量拍频信号和第一辅助拍频信号、第二辅助拍频信号进行错误检测判断，如果没有错误则进行下一步骤，否则重新执行2-2步骤；

数据处理：

由于需对第一测量拍频信号和第二测量拍频信号进行同步处理，且可调谐激光器输出的光频率并非是完全线性调制的，所以需对第一测量拍频信号和第二测量拍频信号进行同步等光频重采样，且所述参考干涉光路的光程差大于所述测量光路的光程差两倍以上，使得辅助干涉系统的辅助拍频信号的频率是测量干涉系统的测量拍频信号的频率的2倍以上，具体包括以下步骤：

3-1步骤、将经过同步数据采集系统的第一辅助拍频信号和第二辅助拍频信号相乘，并高通滤波，得到一个等光频重采样信号；

3-2步骤、将3-1步骤得到的等光频重采样信号对第一测量拍频信号和第二测量拍频信号分别进行等光频重采样；

3-3步骤、将等光频重采样过后的第一测量拍频信号和第二测量拍频信号相乘，然后通过高通滤波，得到一个新信号，利用chirp-z变换精确求得所得新信号的频率，所述新信号的频率对应了消除振动影响的待测真实距离值。

本发明的有益效果是：

为消除振动对调频连续波激光测距系统的影响，仅需将两个测量拍频信号相乘并高通滤波便可获取包含真实测距信息的测距信号，无需测量出振动位移和补偿测量拍频信号，极大地降低了算法的复杂性和减少了数据处理的时间。同时为消除可调谐激光器的调频非线性误差，需要对两个测量拍频信号进行同步处理，本发明利用同时产生的两个辅助拍频信号，将其相乘并高通滤波便可产生适用于两个测量拍频信号的重采样信号，无需引入不同的重采样信号对测量拍频信号分别重采样(且这种方式是难以实现同步重采样的)，进一步降低了算法的复杂度。在可调谐激光器带宽为10nm、1m测距范围内对振动频率为2Hz，振幅为100μm的测量目标进行，采用本方法解算得到的距离值与非振动环境下测量得到的距离值之差小于60μm，测量标准差在40μm以内。若不采用本方法，直接对单个拍频信号进行FFT，测量距离之差达到了13.95mm，证明本方法是一种有效抑制振动效应的调频连续波激光测距方法。

附图说明

图1为本发明一种抑制振动效应的调频连续波激光测距方法的流程图；

图2为本发明所用的抑制振动效应的调频连续波激光测距装置的结构示意图；

图3为本发明测距原理的示意图(单个发射调制激光与接收到的调制激光光频随时间变化的规律)；

图4为本发明测距原理的示意图(本发明的发射激光信号)；

图5为振动环境下与非振动环境下对第一测量拍频信号S1和第二测量拍频信号S2单独进行FFT的测距结果对比；

图5a为非振动环境下第一测量拍频信号S1频谱图；

图5b为非振动环境下第二测量拍频信号S2频谱图；

图5c为振动环境下第一测量拍频信号S1频谱图；

图5d为振动环境下第二测量拍频信号S2频谱图；

图6为振动环境下与非振动环境下将重采样后的第一测量拍频信号和第二测量拍频信号相乘并高通滤波得到的信号S5的频谱的对比图；

图6a为非振动环境下S5信号频谱图；

图6b为振动环境下S5信号频谱图。

附图标注：1、固定激光器；2、可调谐激光器；3、第一耦合器；4、偏振控制器；5、掺铒光纤放大器；6、光子晶体光纤；7、光纤光栅；8、第二分束器；9、光环形器；10、准直透镜；11、反射镜；12、第一光电探测器；13、第二光电探测器；14、第三光电探测器；15、第四光电探测器；16、第一粗波分复用器；17、第二耦合器；18、第三分束器；19、延时光纤；20、第三耦合器；21、第二粗波分复用器；22、同步数据采集系统；23、数据处理系统；24、第一分束器；25、测量干涉系统；26、辅助干涉系统；

S1、第一测量拍频信号；S2、第二测量拍频信号；S3、第一辅助拍频信号；S4、第二辅助拍频信号；S5、重采样后的第一测量拍频信号和第二测量拍频信号相乘并高通滤波得到的信号。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

本发明所用的抑制振动效应的调频连续波激光测距装置如附图2所示，包括并列连接至第一耦合器3输入端的可调谐激光器2和固定激光器1，所述第一耦合器3的输出端依次连接有偏振控制器4和掺铒光纤放大器5，所述掺铒光纤放大器5的输出端通过光子晶体光纤6连接至光纤光栅7的输入端。所述可调谐激光器2用于产生频率扫描信号；所述固定激光器1用于产生固定频率的光信号；所述偏振控制器4用于使所述可调谐激光器2和所述固定激光器1输出的光的偏振态基本一致，最大化光子晶体光纤6的非线性效应；将已调节偏振态的组合光输入20m长的光子晶体光纤6，通过所述光子晶体光纤6中的非线性效应产生在频率上与频率扫描信号关于固定激光器频率中心对称的镜像频率扫描信号；其中，所述可调谐激光器2与所述固定激光器1输出的光频率的分离是满足相干长度条件的；所述光纤光栅7的输出包含所述频率扫描信号及所述镜像频率扫描信号；所述光纤光栅7的输出经过第一分束器24分为A路和B路，所述A路进入测量干涉系统25，所述B路进入辅助干涉系统26。

所述测量干涉系统25用于对被测目标镜进行探测，产生两个测量拍频信号。所述测量干涉系统25包括与所述第一分束器24的输出端相连接的第二分束器8，所述第二分束器8的输出端分为C路和D路。C路和D路的输入均为含有频率扫描信号和镜像频率扫描信号的组合光信号。所述D路上依次连接有第二耦合器17、第一粗波分复用器16，所述第一粗波分复用器16的输出端并列连接有第一光电探测器12和第二光电探测器13，所述第一光电探测器12和第二光电探测器13的输出端共同连接至所述同步数据采集系统22的输入端。所述C路上包括光环形器9、准直透镜10和反射镜11，所述反射镜11设置在所述准直透镜10的前端，所述光环形器9采用带有第一、第二、第三端口，用来将光循环地从第一端口传输到第二端口，从第二端口传输到第三端口的3端口光环形器，所述光环形器9的第一端口与所述第二分束器8相连接，第二端口与所述准直透镜相10连接，第三端口连接至所述第二耦合器17的另一输入端。所述第二耦合器17能发生所述频率扫描信号和所述镜像频率扫描信号的分别干涉。所述第一粗波分复用器16用于将所述频率扫描信号和所述镜像频率扫描信号分开。所述第一光电探测器12和第二光电探测器13分别用于探测所述频率扫描信号和所述镜像频率扫描信号分别发生干涉后所形成的第一测量拍频信号S1和第二测量拍频信号S2。

所述辅助干涉系统产生两个辅助拍频信号，利用所述两个辅助拍频信号消除所述可调谐激光器2的光频调制的非线性。所述辅助干涉系统26包括与所述第一分束器24的输出端相连接的第三分束器18，所述第三分束器18的输出端分为E路和F路。E路和F路的输入均为含有频率扫描信号和镜像频率扫描信号的组合光信号。所述F路上依次连接有第三耦合器20、第二粗波分复用器21，所述第二粗波分复用器21的输出端并列连接有第三光电探测器14和第四光电探测器15，所述第三光电探测器14和第四光电探测器15的输出端共同连接至所述同步数据采集系统22的输入端。所述E路上连接有长度恒定且已知光程差的延时光纤19，所述延时光纤19的输出端连接至所述第三耦合器20的另一输入端。所述第三耦合器20能发生所述频率扫描信号和所述镜像频率扫描信号的分别干涉。所述第二粗波分复用器21用于将所述频率扫描信号和所述镜像频率扫描信号分开。所述第三光电探测器14和第四光电探测器15分别用于探测所述频率扫描信号和所述镜像频率扫描信号分别发生干涉后所形成的第一辅助拍频信号S3和第二辅助拍频信号S4。

所述测量干涉系统25和所述辅助干涉系统26的输出端共同连接至同步数据采集系统22的输入端，所述同步数据采集系统22的输出端连接至数据处理系统23。

本发明一种抑制振动效应的调频连续波激光测距方法，利用可调谐激光器2、固定激光器1、光子晶体光纤6、光纤光栅7产生不同频率段的频率扫描信号，测量干涉系统25产生两个信号的测量拍频信号，辅助干涉系统26产生两个信号的辅助拍频信号，对两个测量拍频信号和两个辅助拍频信号进行处理，最终获得消除振动影响的待测目标的真实距离值。其具体实现的步骤如下：

按照图2所示搭建实验装置，然后如图1所示，抑制振动效应的调频连续波激光测距装置所有设备接通电源后预热，装置进行初始化，包括设置纳米位移台的振动频率和振动幅度、激光器的扫描带宽及扫描速度、示波器的采样频率及采样时间。

设备预热及初始化以后，开始进行抑制振动效应的调频连续波激光测距，具体步骤如下：

测距信号的产生

1-1步骤、可调谐激光器2产生频率扫描信号；固定激光器1产生固定频率的光信号；将频率扫描信号和固定频率的光信号形成的组合光输入光子晶体光纤6，通过所述光子晶体光纤6中的非线性效应产生在频率上与频率扫描信号关于固定激光器1频率中心对称的镜像频率扫描信号；光纤光栅7的输出包含频率扫描信号以及镜像频率扫描信号；将频率扫描信号和镜像频率扫描信号形成的组合光同时送入测量干涉系统25和辅助干涉系统26。

1-2步骤、进入测量干涉系统25的频率扫描信号和镜像频率扫描信号经过第二分束器8分为C路和D路，C路和D路的输入均为含有频率扫描信号和镜像频率扫描信号的组合光信号。其中，C路激光经过光环形器9、准直透镜10，由反射镜11反射后，原路返回进入所述光环形器9，再进入第二耦合器17；D路激光与C路激光在第二耦合器17汇合，频率扫描信号和镜像频率扫描信号在第二耦合器17分别发生干涉，并由第一粗波分复用器16分开，在第一光电探测器12和第二光电探测器13分别产生第一测量拍频信号S1和第二测量拍频信号S2。

1-3步骤、进入辅助干涉系统26的频率扫描信号和镜像频率扫描信号经过第三分束器18分为E路和F路，E路和F路的输入均为含有频率扫描信号和镜像频率扫描信号的组合光信号。E路激光经过长度恒定且已知光程差的延时光纤19后进入第三耦合器20与F路激光汇合，频率扫描信号和镜像频率扫描信号在第三耦合器20分别发生干涉，并由第二粗波分复用器21分开，在第三光电探测器14和第四光电探测器15分别产生第一辅助拍频信号S3和第二辅助拍频信号S4。

其中，E路和F路形成了参考干涉光路，C路和D路形成了测量光路。

同步数据采集

同步数据采集系统22对测量干涉系统25产生的第一测量拍频信号S1和第二测量拍频信号S2以及辅助干涉系统26产生的第一辅助拍频信号S3和第二辅助拍频信号S4进行同步采样，步骤如下：

2-1、同步数据采集系统22的初始化，设置采样时间t、采样频率f；

2-2、数据采集，采集过程中对同步数据采集系统22采集到第一测量拍频信号S1、第二测量拍频信号S2和第一辅助拍频信号S3、第二辅助拍频信号S4进行错误检测判断，如果没有错误则进行下一步骤，否则重新执行2-2步骤。

数据处理

由于必须要对第一测量拍频信号S1和第二测量拍频信号S2进行同步处理，且可调谐激光器2输出的光频率并非是完全线性调制的，所以需对第一测量拍频信号S1和第二测量拍频信号S2进行同步等光频重采样，且所述参考干涉光路的光程差大于所述测量光路的光程差两倍以上，使得辅助干涉系统26的辅助拍频信号的频率是测量干涉系统25的测量拍频信号的频率的2倍以上，具体包括以下步骤：

3-1步骤、将经过同步数据采集系统22的第一辅助拍频信号S3和第二辅助拍频信号S4相乘，并高通滤波，得到一个等光频重采样信号；

3-2步骤、将3-1步骤得到的等光频重采样信号对第一测量拍频信号S1和第二测量拍频信号S2分别进行等光频重采样；

3-3步骤、将等光频重采样过后的第一测量拍频信号S1和第二测量拍频信号S2相乘，然后通过高通滤波，得到一个新信号S5，利用chirp-z变换精确求得所得新信号S5的频率，所述新信号S5的频率对应了消除振动影响的待测真实距离值。

图3-4示出了本发明的测距原理，图3示出了单个发射调制激光与接收到的调制激光光频随时间变化的规律，其中，在测量光路中，实线表示D路激光也即发射激光，虚线表示C路激光也即接收激光，B₀为调制范围，τ为C路激光与D路激光到达光电探测器的时间差，f_beat为发射光与接收光直接的频率差，T_m为调频周期，f₁-f₂是可调谐激光器2的输出频率范围。由f_beat可以直接计算出被测目标的距离。图4示出了本发明的发射激光信号，f₀为固定激光器1的发射信号的频率，可调谐激光器2发射信号为频率f₁到f₂的频率扫描信号，而新生成的另一信号为频率f₃到f₄的频率扫描信号，两个扫描信号的频率是关于f₀对称的(图中f₁和f₀之间与f₃和f₀之间的差值均为Δf)，将两个信号产生的测量拍频信号分别经过等光频重采样，然后相乘并高通滤波，利用chirp-z变换精确求得所得信号的频率，而此频率对应了消除振动效应的待测真实距离值。

应用实例：

被测目标反射镜11放置在距离测距系统约1m的地方，且被置于纳米位移台上，控制纳米位移台产生频率为2Hz，振幅为100μm的正弦振动，设置可调谐激光器2的带宽为10nm(1546.7nm-1556.7nm)，固定激光器1发射的激光频率为1543.7nm，按照本发明的测距方法，光纤光栅7的输出包含1546.7nm-1556.7nm的频率扫描信号和1540.7nm-1530.7nm的频率扫描信号，此组合光通过第一分束器24分为A、B两路，其中，A路进入测量干涉系统25，B路进入辅助干涉系统26，辅助干涉系统26用于消除可调谐激光器2的光频调制的非线性，在振动环境下与非振动环境下对重采样后的第一测量拍频信号S1和第二测量拍频信号S2单独进行FFT，结果如图5，可以看出振动环境下两个拍频信号的频率相对于非振动环境向相反的方向移动，且频谱展宽，这是多普勒效应引起的，非振动环境下图5a峰值频率对应0.999996m的待测距离，图5b峰值频率对应0.999989m的待测距离，振动环境下测得距离与实际距离最小相差13.95mm，测量误差极大；将重采样过后的第一测量拍频信号S1和第二测量拍频信号S2相乘，并高通滤波得到新信号S5，利用chirp-z变换精确求得S5的频率f_a，此频率对应了消除振动效应的待测真实距离值；然后将被测目标镜置于隔振环境下，利用相同的测距装置和方法测得信号频率为f_b，此频率对应了非振动环境下的待测距离值；图6表示利用本方法在振动环境下与非振动环境下解算得到的两次测距值，分别对应于1.000028m和1.000049m。通过上述实例验证了本发明可以在不测量振动位移的前提下，通过比较简单的系统和方法实现消除振动影响的调频连续波测距。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，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，并不是限制性的，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和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种抑制振动效应的调频连续波激光测距方法，其特征在于，利用可调谐激光器、固定激光器、光子晶体光纤、光纤光栅产生不同频率段的频率扫描信号，测量干涉系统产生两个信号的测量拍频信号，辅助干涉系统产生两个信号的辅助拍频信号，对两个测量拍频信号和两个辅助拍频信号进行处理，最终获得消除振动影响的待测目标的真实距离值，具体包括以下步骤：

测距信号的产生：

1-1步骤、可调谐激光器产生频率扫描信号；固定激光器产生固定频率的光信号；将频率扫描信号和固定频率的光信号形成的组合光输入光子晶体光纤，通过所述光子晶体光纤中的非线性效应产生在频率上与频率扫描信号关于固定激光器频率中心对称的镜像频率扫描信号；光纤光栅的输出包含频率扫描信号以及镜像频率扫描信号；将频率扫描信号和镜像频率扫描信号形成的组合光同时送入测量干涉系统和辅助干涉系统；

1-2步骤、进入测量干涉系统的频率扫描信号和镜像频率扫描信号经过第二分束器分为C路和D路，C路和D路的输入均为含有频率扫描信号和镜像频率扫描信号的组合光信号；其中，C路激光经过光环形器、准直透镜，由反射镜反射后，原路返回进入所述光环形器，再进入第二耦合器；D路激光与C路激光在第二耦合器汇合，频率扫描信号和镜像频率扫描信号在第二耦合器分别发生干涉，并由第一粗波分复用器分开，在第一光电探测器和第二光电探测器分别产生第一测量拍频信号和第二测量拍频信号；

1-3步骤、进入辅助干涉系统的频率扫描信号和镜像频率扫描信号经过第三分束器分为E路和F路，E路和F路的输入均为含有频率扫描信号和镜像频率扫描信号的组合光信号；E路激光经过长度恒定且已知光程差的延时光纤后进入第三耦合器与F路激光汇合，频率扫描信号和镜像频率扫描信号在第三耦合器分别发生干涉，并由第二粗波分复用器分开，在第三光电探测器和第四光电探测器分别产生第一辅助拍频信号和第二辅助拍频信号；

其中，E路和F路形成了参考干涉光路，C路和D路形成了测量光路；

同步数据采集：

同步数据采集系统对测量干涉系统产生的第一测量拍频信号和第二测量拍频信号以及辅助干涉系统产生的第一辅助拍频信号和第二辅助拍频信号进行同步采样，步骤如下：

2-1、同步数据采集系统的初始化，设置采样时间t、采样频率f；

2-2、数据采集，采集过程中对同步数据采集系统采集到第一测量拍频信号、第二测量拍频信号和第一辅助拍频信号、第二辅助拍频信号进行错误检测判断，如果没有错误则进行下一步骤，否则重新执行2-2步骤；

数据处理：

由于需对第一测量拍频信号和第二测量拍频信号进行同步处理，且可调谐激光器输出的光频率并非是完全线性调制的，所以需对第一测量拍频信号和第二测量拍频信号进行同步等光频重采样，且所述参考干涉光路的光程差大于所述测量光路的光程差两倍以上，使得辅助干涉系统的辅助拍频信号的频率是测量干涉系统的测量拍频信号的频率的2倍以上，具体包括以下步骤：

3-1步骤、将经过同步数据采集系统的第一辅助拍频信号和第二辅助拍频信号相乘，并高通滤波，得到一个等光频重采样信号；

3-2步骤、将3-1步骤得到的等光频重采样信号对第一测量拍频信号和第二测量拍频信号分别进行等光频重采样；

3-3步骤、将等光频重采样过后的第一测量拍频信号和第二测量拍频信号相乘，然后通过高通滤波，得到一个新信号，利用chirp-z变换精确求得所得新信号的频率，所述新信号的频率对应了消除振动影响的待测真实距离值。

Images