CN110596718A - 一种基于激光外差探测的相位测距装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于激光外差探测的相位测距装置，包括红外光纤激光器、第一光纤耦合器、第一电光强度调制器、第二电光强度调制器、望远镜、光纤准直器、第二光纤耦合器、A/D采集电路和计算机，还包括用于产生中频正弦信号和超高频正弦信号的信号发生电路、第一自动增益控制电路、第二自动增益控制电路、光电探测器以及光电检测转化电路。利用该装置能够有效解决在超高频调制相位法测距中，由于光强变化和探测器相位不均匀性引起的相位波动问题，具有测量精度高的特点。本发明还公开了一种基于激光外差探测的相位测距的方法。

Description

一种基于激光外差探测的相位测距装置及方法
技术领域
本发明涉及激光测距技术，更具体地说，尤其涉及一种基于激光外差探测的相位测距装置；本发明还涉及一种基于激光外差探测的相位测距方法。
背景技术
激光相位法测距适宜于中短程距离的绝对测量，在许多领域都有着广泛的应用，但传统相位法测距的毫米级精度已经满足不了诸如巨型制造、目标三维精确识别等应用的需求。提高激光调制信号的频率是提高距离测量精度的最有效手段，但是当调制频率提高到吉赫兹量级以上时，照射到超高频探测的探测器上的光强度变化引起的相位波动以及光电探测器相位不均匀性引起的相位误差在整个测距误差中的占比大大提高，成为制约测距精度的主要因素。随着待测目标的位置、材料或者表面粗糙度的不同，返回到探测器的光强度则不同，从而引起APD倍增因子变化，并最终表现为超高频探测后电信号的相位产生了较大的起伏，即光强度变化引起的相位波动。接收光斑中心在探测器光敏面上移动时，引起对超高频电光强度调制信号探测后的电信号产生的相位变化，即光电探测器相位不均匀性。采用测量补偿的方法难以有效的消除这两种因素引起的相位波动。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于激光外差探测的相位测距装置，利用该装置能够有效解决在超高频调制相位法测距中，由于光强变化和探测器相位不均匀性引起的相位波动问题，具有测量精度高的特点。
本发明的另一目的在于提供一种基于激光外差探测的相位测距的方法。
本发明采用的前一技术方案如下：
一种基于激光外差探测的相位测距装置，包括红外光纤激光器、第一光纤耦合器、第一电光强度调制器、第二电光强度调制器、望远镜、光纤准直器、第二光纤耦合器、A/D采集电路和计算机，所述红外光纤激光器的光路输出端与第一光纤耦合器的光路输入端连接，所述第一光纤耦合器的两个光路输出端分别与第一电光强度调制器的光路输入端和第二电光强度调制器的光路输入端连接，所述第一电光强度调制器的光路输出端与望远镜的光路入口连接，所述的光纤准直器与望远镜的返回光路出口连接，所述第二电光强度调制器的光路输出端以及光纤准直器的光路输出端均与第二光纤耦合器的光路输入端连接，还包括用于产生中频正弦信号和超高频正弦信号的信号发生电路、第一自动增益控制电路、第二自动增益控制电路、光电探测器以及光电检测转化电路，所述信号发生电路的第一超高频正弦信号输出端通过第一自动增益控制电路与第一电光强度调制器连接，所述信号发生电路的第二超高频正弦信号输出端通过第二自动增益控制电路与第二电光强度调制器连接，所述信号发生电路的中频正弦信号输出端与A/D采集电路连接，所述的光电探测器和光电检测转化电路依次设置在第二光纤耦合器和A/D采集电路之间，所述的A/D采集电路与计算机连接。
本发明采用的后一技术方案如下：
一种基于激光外差探测的相位测距的方法，是将红外激光分路为测量光束和参考光束，将测量光束进行调制后射向被测目标，由被测目标返回的光束与调制后的参考光束合束得合光束，再将合光束转化成电压信号得外差探测信号，将外差探测信号和一参考信号同步采集转化并进行处理计算后获得待测距离。
进一步的，包括以下步骤：
(1)将红外激光经第一光纤耦合器分路为测量光束和参考光束，利用信号发生电路同时产生两个超高频正弦信号和中频正弦信号得主振信号和本振信号以及中频参考信号；
(2)将主振信号放大后加载到第一电光强度调制器对测量光束强调制后射向被测目标并返回得测量返回光束，将本振信号放大后加载到第二电光强度调制器对参考光束强度调制后得调制参考光束；
(3)测量返回光束和调制参考光束经第二光纤耦合器合束后经光电探测器和光电检测转化电路转化成电压信号得外差探测信号；
(4)将外差探测信号和步骤(1)所得的中频参考信号同步输入A/D采集电路1后计算出待测距离。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
1.在信号发生电路由同一恒温晶振分别经过小数分频锁相环同时产生主振信号和本振信号，同时该恒温晶振也驱动直接数字频率器件产生中频参考信号，这样即能保证调制信号和中频正弦信号的频率准确性，又无需混频电路，不会出现因电路混频而产生的高频信号串扰，从而减弱了高频信号串扰引起的距离周期误差。
2.探测器的相位不均匀性在高频探测时才显著，而中低频探测时不均性误差大大减小。本发明采用响应频率较低的光电探测器进行光纤外差探测，以光纤外差后中频探测代替传统的高频探测后再电路混频处理，避免了高频探测器因相位不均匀性产生很大相位误差的问题。
3.测量光束经待测距离返回后光强度较小，外差探测的光强度主要取决于调制参考光束的光强，从而使光强相对变化率较小，大大减小了因探测光强波动引起的相位波动。
4.对外差探测信号和中频参考信号同步双通道数据采样，再计算它们之间的相位差，提高了相位差计算精度。
附图说明
图1是本发明的结构框图；
图2是本发明的信号发生电路的结构框图。
图3是本发明的光电检测转换电路的结构框图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步的详细说明，但不构成对本发明的任何限制。
参照图1至3所示，本发明的一种基于激光外差探测的相位测距装置，其中，包括红外光纤激光器1、第一光纤耦合器2、第一电光强度调制器3、第二电光强度调制器4、望远镜8、光纤准直器10、第二光纤耦合器11、A/D采集电路14和计算机15，所述红外光纤激光器1的光路输出端与第一光纤耦合器2的光路输入端连接，所述第一光纤耦合器2的两个光路输出端分别与第一电光强度调制器3的光路输入端和第二电光强度调制器4的光路输入端连接，所述第一电光强度调制器3的光路输出端与望远镜8的光路入口连接，所述的光纤准直器10与望远镜8的返回光路出口连接，所述第二电光强度调制器4的光路输出端以及光纤准直器10的光路输出端均与第二光纤耦合器11的光路输入端连接。还包括用于产生中频正弦信号和超高频正弦信号的信号发生电路5、第一自动增益控制电路6、第二自动增益控制电路7、光电探测器12以及光电检测转化电路13，所述信号发生电路5的第一超高频正弦信号输出端通过第一自动增益控制电路6与第一电光强度调制器3连接，所述信号发生电路5的第二超高频正弦信号输出端通过第二自动增益控制电路7与第二电光强度调制器4连接，所述信号发生电路5的中频正弦信号输出端与A/D采集电路14连接，所述的光电探测器12和光电检测转化电路13依次设置在第二光纤耦合器11和A/D采集电路14之间，所述的A/D采集电路14与计算机15连接。
红外光纤激光器1发出波长为1550nm的激光经光纤导入第一光纤耦合器2，第一光纤耦合器2将光束分为两路：一路为测量光束，经光纤导入第一电光强度调制器3调制，另一路为参考光束，经光纤导入第二电光强度调制器4调制。第一电光强度调制器3和第二电光强度调制器4均为调制带宽优于20GHz的马赫增德尔调制器。调制后的测量光束经光纤导入望远镜8中进行准直后射向被测目标9，经被测目标9反射后又进入望远镜8，经望远镜8缩束后导入光纤准直器10，再经光纤导入第二光纤耦合器11，调制后的参考光束经光纤也进入第二光纤耦合器11。两光束在进入第二光纤耦合器11中合束后由光纤导入光电探测器12，将外差信号转变为电流信号，该信号的相位中含有与待测距离成正比的相位延迟，而多余的附加相位在标定后可以消除。
在传统激光相位法测距中，采用对调制后从待测距离返回后的测量光束直接光电探测。准确测量相位差是激光相位法高精度测距的保证，提高激光调制频率是提高激光相位法测距精度最有效的手段。由于探测信号中不可避免的存在光电白噪声，相位差测量精度不可能超过Cramer-Rao界限。因此，为进一步提高测距精度，不得不提高调制频率。但是当调制频率高于吉赫兹量级以上时，由于被测距离的变化，被测目标材料的变化或者粗糙度变化等，导致返回到光电探测器的光强度出现较大的变化，而探测光强度的变化会导致APD探测器倍增因子的变化，从而会引起探测后电信号相位可能出现几度甚至几十度的起伏，即光强度变化引起的很大的相位波动。另外，对测量光束直接光电探测时，即使距离相同，由于被测目标不同或者其姿态变化，引起接收光斑中心在探测器光敏面上移动时，引起对超高频电光强度调制信号探测后的电信号产生较大相位变化，即显著的光电探测器相位不均匀性。光强度变化引起的相位波动以及光电探测器相位不均匀性是制约超高频激光相位法测距精度的两个主要因素。
本发明的一种基于激光外差探测的相位测距装置是将经待测目标后返回的测量返回光束和经过调制的参考光束导入第二光纤耦合器11，然后采用外差探测，可以使用响应频率很低的光电探测器12，并且光斑中心在带尾纤的光电探测器12光敏面上的位置基本固定，从而大大降低了光电探测器12相位不均匀性引起的测距误差。虽然经待测目标后返回的测量返回光束的强度会有变化，但是其光强远小于参考光束的光强度，因此，外差探测的光强度基本维持不变，从而大大减小了强度变化引起的相位波动。光电探测器12输出的信号经光电检测转化电路13进行电流电压转换、放大和滤波后，与信号发生电路5产生的中频正弦信号一起经双通道的A/D采集电路14同步转换为数字信号，最后在计算机15中对两列数字信号进行处理，通过移相相关算法计算相位差，消除了附加相位以及校正温度引起的相位变化后，计算出待测距离。
所述的信号发生电路5包括恒温晶振16、第一小数分频锁相环18、第二小数分频锁相环21、直接数字频率合成器24、第一低通滤波器20、第二低通滤波器23、第一带通滤波器26、控制器17和多个低噪声放大器19，所述的控制器17别与第一小数分频锁相环18、第二小数分频锁相环21、直接数字频率合成器24连接，所述恒温晶振16的信号输出端分别与第一小数分频锁相环18的信号输入端、第二小数分频锁相环21的信号输入端、直接数字频率合成器24的信号输入端连接，所述的第一小数分频锁相环18的信号输出端通过低噪声放大器19与第一低通滤波器20的信号输入端连接，所述第一低通滤波器20的信号输出端与第一自动增益控制电路6的信号输入端连接，所述第二小数分频锁相环21的信号输出端通过低噪声放大器19与第二低通滤波器23的信号输入端连接，所述第二低通滤波器23的信号输出端与第二自动增益控制电路7的信号输入端连接，所述直接数字频率合成器24的信号输出端通过低噪声放大器19与第一带通滤波器26的信号输入端连接，第一带通滤波器26的信号输出端与A/D采集电路14的信号输入端连接。超高频正弦信号发生电路5产生的主振信号f1经第一自动增益控制电路6放大后加载到第一电光强度调制器3上，产生的本振信号f2经第二自动增益控制电路7放大后加载到第二电光强度调制器4上，分别对测量光束和参考光束实现强度调制。主振信号f1和本振信号f2的频率均在14.6～15GHz，主振信号f1和本振信号f2的频率相差2MHz。主振信号f1和本振信号f2分别由第一小数分频锁相环18和第二小数分频锁相环21产生，高精度的恒温晶振16为这两个锁相环提供时钟信号，控制器17同步改写第一小数分频锁相环18和第二小数分频锁相环21的频率控制字，使第一小数分频锁相环18和第二小数分频锁相环21分时输出5对频率在14.6～15GHz的超高频正弦信号，但是这两个超高频正弦信号的差频始终为2MHz。主振信号f1和本振信号f2分别经过一个低噪声放大器19放大后，分别经第一低通滤波器20和第二低通滤波器23滤除高频谐波，频率为2MHz的中频参考信号f3由直接数字频率合成器24产生，采用与第一小数分频锁相环18和第二小数分频锁相环21相同的时钟源，以保证外差探测信号和中频参考信号频率f3完全一致。中频参考信号f3经一个低噪声放大器19放大，并经第一带通滤波器26滤波后输出到双通道的A/D采集电路14上。
所述的光电检测转化电路13包括依次设置的升压供电模块27、APD探测器28、电流电压转换模块29、可调增益放大模块30以及第二带通滤波器31。升压供电模块27为APD探测器28提供高稳定度的电源，APD探测器28输出的电流信号经电流电压转换模块29转换为电压信号，该信号由可调增益放大模块30放大，再经带第二带通滤波器31滤波后输出到A/D采集电路14上。
所述的A/D采集电路14为双通道的A/D采集电路14。所述的望远镜8与被探测的目标物体处于同一光路上。
本发明的一种基于激光外差探测的相位测距的方法，是将红外激光分路为测量光束和参考光束，将测量光束进行调制后射向被测目标，由被测目标返回的光束与调制后的参考光束合束得合光束，再将合光束转化成电压信号得外差探测信号，将外差探测信号和一参考信号同步采集转化并进行处理计算后获得待测距离。
具体包括以下步骤：
(1)将红外激光经第一光纤耦合器2分路为测量光束和参考光束，利用信号发生电路5同时产生两个超高频正弦信号和中频正弦信号得主振信号f1和本振信号f2以及中频参考信号f3。其中，所述的主振信号和本振信号的频率均在14.6～15GHz，主振信号f1和本振信号f2的频率相差2MHz。所述中频参考信号f3的频率为2MHz。
(2)将主振信号f1放大后加载到第一电光强度调制器3对测量光束强调制后射向被测目标并返回得测量返回光束，将本振信号f2放大后加载到第二电光强度调制器4对参考光束强度调制后得调制参考光束；
(3)测量返回光束和调制参考光束经第二光纤耦合器测量返回光束和参考光束经第二光纤耦合器11合束后经光电探测器12和光电检测转化电路13转化成电压信号得外差探测信号；
(4)将外差探测信号和步骤(1)所得的中频参考信号f3同步输入A/D采集电路14后计算出待测距离。
本发明的一种基于激光外差探测的相位测距的方法通过将经待测目标后返回的测量返回光束和经过调制的参考光束导入第二光纤耦合器11，采用外差探测，并使用响应频率很低的光电探测器12，且合束后的光束的光斑中心在光电探测器12光敏面上的位置基本固定，从而大大降低了光电探测器12相位不均匀性所产生的相位误差。光电探测器12输出的信号经光电检测转化电路13进行电流电压转换、放大和滤波后，与信号发生电路5产生的中频正弦信号一起经双通道的A/D采集电路14同步转换为数字信号，通过移相相关算法计算相位差，消除了附加相位以及校正温度引起的相位变化后，计算出待测距离的精确度更高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡在本发明的精神和原则范围内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于激光外差探测的相位测距装置，其特征在于，包括红外光纤激光器(1)、第一光纤耦合器(2)、第一电光强度调制器(3)、第二电光强度调制器(4)、望远镜(8)、光纤准直器(10)、第二光纤耦合器(11)、A/D采集电路(14)和计算机(15)，所述红外光纤激光器(1)的光路输出端与第一光纤耦合器(2)的光路输入端连接，所述第一光纤耦合器(2)的两个光路输出端分别与第一电光强度调制器(3)的光路输入端和第二电光强度调制器(4)的光路输入端连接，所述第一电光强度调制器(3)的光路输出端与望远镜(8)的光路入口连接，所述的光纤准直器(10)与望远镜(8)的返回光路出口连接，所述第二电光强度调制器(4)的光路输出端以及光纤准直器(10)的光路输出端均与第二光纤耦合器(11)的光路输入端连接，还包括用于产生中频正弦信号和超高频正弦信号的信号发生电路(5)、第一自动增益控制电路(6)、第二自动增益控制电路(7)、光电探测器(12)以及光电检测转化电路(13)，所述信号发生电路(5)的第一超高频正弦信号输出端通过第一自动增益控制电路(6)与第一电光强度调制器(3)连接，所述信号发生电路(5)的第二超高频正弦信号输出端通过第二自动增益控制电路(7)与第二电光强度调制器(4)连接，所述信号发生电路(5)的中频正弦信号输出端与A/D采集电路(14)连接，所述的光电探测器(12)和光电检测转化电路(13)依次设置在第二光纤耦合器(11)和A/D采集电路(14)之间，所述的A/D采集电路(14)与计算机(15)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光外差探测的相位测距装置，其特征在于，所述的信号发生电路(5)包括恒温晶振(16)、第一小数分频锁相环(18)、第二小数分频锁相环(21)、直接数字频率合成器(24)、第一低通滤波器(20)、第二低通滤波器(23)、第一带通滤波器(26)、控制器(17)和多个低噪声放大器(19)，所述的控制器(17)分别与第一小数分频锁相环(18)、第二小数分频锁相环(21)、直接数字频率合成器(24)连接，所述恒温晶振(16)的信号输出端分别与第一小数分频锁相环(18)的信号输入端、第二小数分频锁相环(21)的信号输入端、直接数字频率合成器(24)的信号输入端连接，所述的第一小数分频锁相环(18)的信号输出端通过低噪声放大器(19)与第一低通滤波器(20)的信号输入端连接，所述第一低通滤波器(20)的信号输出端与第一自动增益控制电路(6)的信号输入端连接，所述第二小数分频锁相环(21)的信号输出端通过低噪声放大器(19)与第二低通滤波器(23)的信号输入端连接，所述第二低通滤波器(23)的信号输出端与第二自动增益控制电路(7)的信号输入端连接，所述直接数字频率合成器(24)的信号输出端通过低噪声放大器(19)与第一带通滤波器(26)的信号输入端连接，第一带通滤波器(26)的信号输出端与A/D采集电路(14)的信号输入端连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光外差探测的相位测距装置，其特征在于，所述的光电检测转化电路(13)包括依次设置的升压供电模块(27)、APD探测器(28)、电流电压转换模块(29)、可调增益放大模块(30)以及第二带通滤波器(31)。
4.根据权利要求1所述的一种基于激光外差探测的相位测距装置，其特征在于，所述的A/D采集电路(14)为双通道的A/D采集电路(14)。
5.根据权利要求1所述的一种基于激光外差探测的相位测距装置，其特征在于，所述的望远镜(8)与被探测的目标物体处于同一光路上。
6.根据权利要求1所述的一种基于激光外差探测的相位测距的方法，其特征在于，是将红外激光分路为测量光束和参考光束，将测量光束进行调制后射向被测目标，由被测目标返回的光束与调制后的参考光束合束得合光束，再将合光束转化成电压信号得外差探测信号，将外差探测信号和一参考信号同步采集转化并进行处理计算后获得待测距离。
7.根据权利要求6所述的一种基于激光外差探测的相位测距的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将红外激光经第一光纤耦合器(2)分路为测量光束和参考光束，利用信号发生电路(5)同时产生两个超高频正弦信号和中频正弦信号得主振信号、本振信号以及中频参考信号；
(2)将主振信号放大后加载到第一电光强度调制器(3)对测量光束强调制后射向被测目标并返回得测量返回光束，将本振信号放大后加载到第二电光强度调制器(4)对参考光束强度调制后得调制参考光束；
(3)测量返回光束和调制参考光束经第二光纤耦合器(11)合束后经光电探测器(12)和光电检测转化电路(13)转化成电压信号得外差探测信号；
(4)将外差探测信号和步骤(1)所得的中频参考信号同步输入A/D采集电路(14)后计算出待测距离。
8.根据权利要求7所述的一种基于激光外差探测的相位测距的方法，其特征在于，在所述的步骤(1)中，所述的主振信号和本振信号的频率均在14.6～15GHz，主振信号和本振信号的频率相差2MHz。
9.根据权利要求7所述的一种基于激光外差探测的相位测距的方法，其特征在于，在所述的步骤(1)中，所述中频参考信号的频率为2MHz。
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