CN108873007B - 一种抑制振动效应的调频连续波激光测距装置 - Google Patents

一种抑制振动效应的调频连续波激光测距装置 Download PDF

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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装置，包括可调谐激光器、固定激光器、光子晶体光纤、光纤光栅、测量干涉系统、辅助干涉系统、同步数据采集系统、数据处理系统；通过可调谐激光器、固定激光器、光子晶体光纤、光纤光栅产生了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，同步数据采集系统对测量拍频信号和辅助拍频信号进行同步采样。本发明能同时产生测量信号和等光频重采样信号，减少了两个激光器的输出光功率的损耗，同时，利用两个马赫曾德干涉仪，在不需要解算振动位移的情况下，解算消除振动影响的待测目标的真实距离值，化了系统的硬件部分。

Description

一种抑制振动效应的调频连续波激光测距装置
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装置。
背景技术
调频连续波激光测距技术具有无测距盲区、测距精度高、可用于无合作目标等优点，因而在物体形貌重构、工业产品装配、计量等领域发挥着重要作用。
调频连续波激光测距技术通常存在不同的方法来估计距离。例如依赖相位信息来进行高精度测量，但相位对环境的变化非常敏感，不适用于普通的工业环境。而依赖于频率测量的方法往往没有依赖相位信息测量的精度高，但更具有灵活性，因此更适用于工业场景。
然而，实际中振动使目标产生位移，从而在测量信号拍频中引入多普勒频移，特别是在工业环境中，不能始终保证充分隔离振动，这会导致大的测量误差。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种抑制振动效应的调频连续波激光测距装置。利用较低成本的器件及较为简单的系统装置获得消除振动影响的待测真实距离，且依赖频率测量的方法，更适应工业环境和更具灵活性。
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装置，包括并列连接至第一耦合器输入端的可调谐激光器和固定激光器，所述第一耦合器的输出端依次连接有偏振控制器和掺铒光纤放大器，所述掺铒光纤放大器的输出端通过光子晶体光纤连接至光纤光栅的输入端，所述光纤光栅的输出经过第一分束器分为A路和B路，所述A路进入测量干涉系统，所述B路进入辅助干涉系统，所述测量干涉系统和所述辅助干涉系统的输出端共同连接至同步数据采集系统的输入端，所述同步数据采集系统的输出端连接至数据处理系统；
所述可调谐激光器用于产生频率扫描信号；
所述固定激光器用于产生固定频率的光信号；
所述偏振控制器用于使所述可调谐激光器和所述固定激光器输出的光的偏振态基本一致，最大化光子晶体光纤的非线性效应；
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；
所述光纤光栅的输出包含所述频率扫描信号及所述镜像频率扫描信号；
所述测量干涉系统用于对被测目标镜进行探测，产生两个测量拍频信号；
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的光频调制的非线性；
所述同步数据采集系统用于对所述测量干涉系统产生的测量拍频信号以及所述辅助干涉系统产生的辅助拍频信号进行同步采样。
进一步的，所述测量干涉系统包括与所述第一分束器的输出端相连接的第二分束器，所述第二分束器的输出端分为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、第一粗波分复用器，所述第一粗波分复用器的输出端并列连接有第一光电探测器和第二光电探测器，所述第一光电探测器和第二光电探测器的输出端共同连接至所述同步数据采集系统的输入端；
所述C路上包括光环形器、准直透镜和反射镜，所述反射镜设置在所述准直透镜的前端，所述光环形器采用带有第一、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，所述光环形器的第一端口与所述第二分束器相连接，第二端口与所述准直透镜相连接，第三端口连接至所述第二耦合器的另一输入端；所述C路激光经过所述光环形器、准直透镜，由所述反射镜反射后，原路返回进入所述光环形器，再进入所述第二耦合器，D路激光与C路激光在所述第二耦合器汇合；
所述第二耦合器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和第二光电探测器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和第二测量拍频信号。
进一步的，所述辅助干涉系统包括与所述第一分束器的输出端相连接的第三分束器，所述第三分束器的输出端分为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、第二粗波分复用器，所述第二粗波分复用器的输出端并列连接有第三光电探测器和第四光电探测器，所述第三光电探测器和第四光电探测器的输出端共同连接至所述同步数据采集系统的输入端；
所述E路上连接有长度恒定且已知光程差的延时光纤，所述延时光纤的输出端连接至所述第三耦合器的另一输入端；所述E路激光经过所述延时光纤后进入第三耦合器与所述F路激光汇合；
所述第三耦合器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和第四光电探测器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和第二辅助拍频信号。
进一步的，所述可调谐激光器与所述固定激光器输出的光频率的分离满足相干长度条件。
本发明的有益效果是：本发明能同时产生测量信号和等光频重采样信号，减少了两个激光器的输出光功率的损耗，目前为解决环境振动对调频连续波测距造成的影响，大多采用两个可调谐激光器的系统，本发明仅需一个可调谐激光器和一个单频激光器，便可消除振动影响，具有较强的经济实用性。同时本发明仅利用两个马赫曾德干涉仪，在不需要解算振动位移的情况下，直接解算消除振动影响的待测目标的真实距离值，极大地简化了系统的硬件部分。
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装置示意图；
图2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3为本发明测距原理的示意图(本发明的发射激光信号)；
图4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4a为非振动环境下第一测量拍频信号S1频谱图；
图4b为非振动环境下第二测量拍频信号S2频谱图；
图4c为振动环境下第一测量拍频信号S1频谱图；
图4d为振动环境下第二测量拍频信号S2频谱图；
图5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5a为非振动环境下S5信号频谱图；
图5b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：
如附图1所示，一种抑制振动效应的调频连续波激光测距装置，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1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。进入所述测量干涉系统25的激光经过第二分束器8分为C路和D路。其中，所述C路激光经过所述光环形器9、准直透镜10，由所述反射镜11反射后，原路返回进入所述光环形器9，再进入所述第二耦合器17，D路激光与C路激光在所述第二耦合器17汇合；由于进入所述测量干涉系统25的光信号包含两个频率段的信号，故在第二耦合器17能发生两种信号的分别干涉；第一粗波分复用器16用于将上述处在不同频率段的两种信号分开，故在第一光电探测器12和第二光电探测器13上能分别检测到第一测量拍频信号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。进入所述辅助干涉系统26的激光经过所述第三分束器18分为E路和F路，所述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；同理由于进入所述辅助干涉系统26的光信号包含两个频率段的信号，故在第三耦合器20能发生两种信号的分别干涉；第二粗波分复用器21用于将上述处在不同频率段的两种信号分开，故在第三光电探测器14和第四光电探测器15上能分别检测到第一辅助拍频信号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。
所述同步数据采集系统22用于对所述测量干涉系统25产生的第一测量拍频信号S1和第二测量拍频信号S2以及所述辅助干涉系统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。
所述数据处理系统23，包括对所述辅助干涉系统26产生的第一辅助拍频信号S3和第二辅助拍频信号S4进行处理产生等光频重采样信号，采用等光频重采样信号对所述测量干涉系统25产生的第一测量拍频信号S1和第二测量拍频信号S2同时进行等光频重采样，然后对等光频重采样后的所述第一测量拍频信号S1和第二测量拍频信号S2进行处理得到一个新信号S5，根据所得新信号S5的频率值计算抑制振动效应的真实距离值。
图2-3示出了本发明的测距原理，图2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，fbeat为发射光与接收光直接的频率差，Tm为调频周期，f1-f2是可调谐激光器2的输出频率范围。由fbeat可以直接计算出被测目标的距离。图3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：
如图1所示，被测目标反射镜11距离测距系统约1m，且被测目标反射镜11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的扫描范围为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，光纤光栅7的输出包含两个频率段的频率扫描信号，此组合光分别进入测量干涉系统25和辅助干涉系统26，在测量干涉系统25产生两个测量拍频信号，在辅助干涉系统26产生两个辅助拍频信号。利用辅助干涉系统26的两个辅助拍频信号产生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，消除可调谐激光器2光频调制的非线性后，不加任何处理，直接对第一测量拍频信号S1和第二测量拍频信号S2进行FFT，所得结果如图4c和图4d所示，频谱展宽且产生相反方向的频移，这是多普勒效应引起的，图4a和图4b为非振动环境下单独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进行FFT的结果，峰值频率分别对应0.999996m和0.999989m的待测距离，由此可知，振动环境下普通的调频连续波激光测距方法是无法得到正确测距值的；接下来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，并高通滤波得到信号S5，在非振动环境下对S5信号进行FFT所得频谱如图5a所示，在振动环境下对S5信号进行FFT所得频谱如图5b所示，通过解算，两次的测距值分别对应于1.000028m和1.000049m。通过上述实例验证了本发明能够实现消除振动影响的调频连续波激光测距。
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 (3)

1.一种抑制振动效应的调频连续波激光测距装置，其特征在于，包括并列连接至第一耦合器输入端的可调谐激光器和固定激光器，所述第一耦合器的输出端依次连接有偏振控制器和掺铒光纤放大器，所述掺铒光纤放大器的输出端通过光子晶体光纤连接至光纤光栅的输入端，所述光纤光栅的输出经过第一分束器分为A路和B路，所述A路进入测量干涉系统，所述B路进入辅助干涉系统，所述测量干涉系统和所述辅助干涉系统的输出端共同连接至同步数据采集系统的输入端，所述同步数据采集系统的输出端连接至数据处理系统；
所述可调谐激光器用于产生频率扫描信号；
所述固定激光器用于产生固定频率的光信号；
所述偏振控制器用于使所述可调谐激光器和所述固定激光器输出的光的偏振态基本一致，最大化光子晶体光纤的非线性效应；
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；
所述光纤光栅的输出包含所述频率扫描信号及所述镜像频率扫描信号；
所述测量干涉系统用于对被测目标镜进行探测，产生两个测量拍频信号；
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的光频调制的非线性；
所述同步数据采集系统用于对所述测量干涉系统产生的测量拍频信号以及所述辅助干涉系统产生的辅助拍频信号进行同步采样；
其中，所述辅助干涉系统包括与所述第一分束器的输出端相连接的第三分束器，所述第三分束器的输出端分为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、第二粗波分复用器，所述第二粗波分复用器的输出端并列连接有第三光电探测器和第四光电探测器，所述第三光电探测器和第四光电探测器的输出端共同连接至所述同步数据采集系统的输入端；
所述E路上连接有长度恒定且已知光程差的延时光纤，所述延时光纤的输出端连接至所述第三耦合器的另一输入端；所述E路激光经过所述延时光纤后进入第三耦合器与所述F路激光汇合；
所述第三耦合器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和第四光电探测器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和第二辅助拍频信号。
2.根据权利要求1所述的一种抑制振动效应的调频连续波激光测距装置，其特征在于，所述测量干涉系统包括与所述第一分束器的输出端相连接的第二分束器，所述第二分束器的输出端分为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、第一粗波分复用器，所述第一粗波分复用器的输出端并列连接有第一光电探测器和第二光电探测器，所述第一光电探测器和第二光电探测器的输出端共同连接至所述同步数据采集系统的输入端；
所述C路上包括光环形器、准直透镜和反射镜，所述反射镜设置在所述准直透镜的前端，所述光环形器采用带有第一、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，所述光环形器的第一端口与所述第二分束器相连接，第二端口与所述准直透镜相连接，第三端口连接至所述第二耦合器的另一输入端；所述C路激光经过所述光环形器、准直透镜，由所述反射镜反射后，原路返回进入所述光环形器，再进入所述第二耦合器，D路激光与C路激光在所述第二耦合器汇合；
所述第二耦合器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和第二光电探测器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和第二测量拍频信号。
3.根据权利要求1所述的一种抑制振动效应的调频连续波激光测距装置，其特征在于，所述可调谐激光器与所述固定激光器输出的光频率的分离满足相干长度条件。
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