CN110646805B - 一种基于虚拟扫频光源的调频连续波激光测距系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于虚拟扫频光源的调频连续波激光测距系统，其中扫频激光器发出的激光被分成两路，一路进入所述测距干涉仪以形成干涉光谱信号，另一路被分成两部分，一部分进入参考干涉仪以形成参考干涉信号，另一部分进入光源频率检测单元；光源频率检测单元的输出信号作为采集卡的触发信号，采集卡根据触发信号对干涉光谱信号和参考干涉信号进行同步采集，计算机对采集到的干涉光谱信号进行信号处理得到虚拟干涉条纹信号，利用参考干涉信号对虚拟干涉条纹信号进行重新采样，获得等间隔频率的重采样测量信号，对重采样测量信号消除系统色散，进行快速傅里叶变换，并计算距离。本发明实现成本低、速度快、距离长、高精度的激光测距。

Description

一种基于虚拟扫频光源的调频连续波激光测距系统

技术领域

本发明涉及调频连续波激光测距技术领域，特别是涉及一种基于虚拟扫频光源的调频连续波激光测距系统。

背景技术

调频连续波激光测距技术具有分辨率高的优点，在高精度的测量、制造领域有较广泛的应用。调频连续波激光测距采用频率调制公式方式，相比于激光相位测量方法，调制带宽更大，可以获得极高的距离分辨率。此外，调频连续波激光测距采用的是差频测量方式，其抗噪声信号的能力极强，实现无合作目标测量，提高了测量效率，正是由于这些优点，该测距技术在光通信、医学成像以及高精度制造、测量领域具有广泛的应用。

扫频激光器(扫频激光器或扫波长激光器)是调频连续波激光测距系统的核心部分，光源扫频带宽决定测量距离分辨率。由于制造技术、机电控制技术等客观条件限制，扫频激光器存在相干距离短、调频非线性、调谐带宽较窄、调谐速度慢、价格成本较高等缺点，获得价格低、相干距离远、调谐范围大、调谐速度快的扫频激光器是调频连续波激光器测距的关键，目前仅少数国家掌握相关技术：DFB结构光源、多通道DFB拼接光源、MEMS-VCSEL光源以及光纤调制激光器等，如美国Thorlabs公司的MEMS-VCSEL扫频光源单价超过￥25万。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于虚拟扫频光源的调频连续波激光测距系统，实现成本低、速度快、距离长、高精度的激光测距。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于虚拟扫频光源的调频连续波激光测距系统，包括扫频激光器、测距干涉仪、参考干涉仪、光源频率检测单元、采集卡和计算机，所述扫频激光器发出的激光被分成两路，一路进入所述测距干涉仪以形成干涉光谱信号，另一路被分成两部分，一部分进入所述参考干涉仪以形成参考干涉信号，另一部分进入所述光源频率检测单元；所述光源频率检测单元的输出信号作为所述采集卡的触发信号，所述采集卡根据触发信号对干涉光谱信号和参考干涉信号进行同步采集，所述计算机对采集到的干涉光谱信号进行信号处理得到虚拟干涉条纹信号，利用参考干涉信号对虚拟干涉条纹信号进行重新采样，获得等间隔频率的重采样测量信号，对重采样测量信号消除系统色散，进行快速傅里叶变换，并计算距离。

所述测量干涉仪包括第一光纤耦合器、光纤环行器、光纤准直器和第二光纤耦合器；所述第一光纤耦合器将进入的光分为两部分，一部分进入所述光纤环形器的第一端，另一部分进入所述第二光纤耦合器的第二输入端；所述光纤环行器的第二端出射光进入所述光纤准直器，经光纤准直器的透射光照射在被测样品上，被测样品的反射光返回进入光纤准直器，经光纤环行器的第三端进入第二光纤耦合器的第一输入端；所述第二光纤耦合器的输出端与平衡探测器相连。

所述光源频率检测单元包括准直器、扩束镜、分光镜、第一探测器、F-P腔和第二探测器；所述准直器对进入的光进行准直，经准直后的光进入所述扩束镜进行扩束，扩束后的光经所述分光镜，经所述分光镜的反射光进入所述第一探测器，经所述分光镜的透射光经过所述F-P腔后进入第二探测器；所述F-P腔的透射峰位于所述扫频激光器的扫频曲线上升沿部分或者扫频周期前半部分。

所述计算机对采集到的干涉光谱信号进行信号处理得到虚拟干涉条纹信号的具体方式如下：选取扫频光源上升沿或者周期信号前半部分对应的干涉光谱信号f(t)，在f(t)的时域图中，对f(t)做n个等间隔时间τ提前和n个等间隔时间τ延迟后，获得新的虚拟干涉条纹函数：f(t+nτ)、...、f(t+2τ)、f(t+τ)、f(t-τ)、f(t-2τ)、...、f(t-nτ)，n为整数，提前及延迟的虚拟干涉条纹信号为有限点的函数，2n+1个虚拟干涉条纹函数组成扫描时间为(2n+1)τ的虚拟干涉条纹信号f₁(t)，f₁(t)＝f(t+nτ)+...+f(t+τ)+f(t)+f(t-τ)+...+f(t-nτ)。

所述选取扫频光源上升沿或者周期信号前半部分对应的干涉光谱信号f(t)时满足以下条件：a)截取起始点、结束点位于干涉光谱信号的极值点或者过零点；b)截取的条纹数量为整数；c)截取的条纹数量远大于1个。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明利用一个低成本扫频光源发出的相干光经干涉仪后产生扫频干涉条纹信号，该干涉条纹经过多次虚拟移频后，组成新的干涉条纹信号，在不增加扫频激光器成本的情况下，使用一个扫频范围小的激光器，达到高重复速度、高分辨率、高重复精度，本发明的测距系统重复精度不受光源带宽及算法决定，而是受系统的信噪比决定。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是本发明中光源频率检测单元结构示意图；

图3是典型的F-P腔透射谱线图；

图4是本发明实施方式中系统产生的干涉条纹信号示意图；

图5是本发明实施方式中信号f(t)的时域图；

图6是本发明实施方式中信号f₁(t)的时域图；

图7是本发明实施方式中信号f(t)和信号f₁(t)的傅里叶变换结果图；

图8是本发明实施方式中采集卡采集到的干涉条纹信号示意图；

图9是本发明实施方式中得到的虚拟干涉条纹信号示意图；

图10是本发明实施方式中的重采样测量信号图；

图11是本发明实施方式中的重采样测量信号的傅里叶变换结果图；

图12是本发明实施方式中的测距结果图；

图13是本发明实施方式中的距离重复精度与虚拟光源个数的关系图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种基于虚拟扫频光源的调频连续波激光测距系统，如图1所示，包括扫频激光器1、测距干涉仪13、参考干涉仪9、光源频率检测单元5、采集卡7和计算机8，所述扫频激光器1通过控制器2的控制下发出扫频激光，该扫频激光通过光纤耦合器3被分成两路，一路进入所述测距干涉仪13以形成干涉光谱信号，另一路通过光纤耦合器4被分成两部分，一部分进入所述参考干涉仪9以形成参考干涉信号，另一部分进入所述光源频率检测单元5；所述光源频率检测单元5的输出信号作为所述采集卡7的触发信号，所述采集卡7根据触发信号对干涉光谱信号和参考干涉信号进行同步采集，所述计算机8对采集到的干涉光谱信号进行信号处理得到虚拟干涉条纹信号，利用参考干涉信号对虚拟干涉条纹信号进行重新采样，获得等间隔频率的重采样测量信号，对重采样测量信号消除系统色散，进行快速傅里叶变换，并计算距离。

光纤耦合器4的第一输出端输出的光进入基于PID算法的光源频率检测单元5；所述光源频率检测单元可以对扫频激光器1的频率点进行鉴定，用于采集卡7的信号触发。所述光纤耦合器4的第二输出端输出的光通过光纤耦合器10进入参考干涉仪9；所述参考干涉仪9能提供光程差为nΔl的参考信号，该参考信号通过光纤耦合器11经平衡探测器12探测后，进入采集卡7采集和计算机8进行数据采集和数据处理。本实施方式中的参考干涉仪9采用级联马赫曾德干涉仪。

光纤耦合器3的第二输出端进入测量干涉仪13。所述测量干涉仪13包括光纤耦合器14、光纤环行器15、光纤准直器16、被测物17及光纤耦合器18；光纤环行器15的第二端出射光进入光纤准直器16，经光纤准直器16的透射光后照射在被测样品17上，被测物17的反射光进入光纤准直器16，经光纤环行器15的第三端进入光纤耦合器18的第一输入端。所述的测量干涉光谱信号探测装置为平衡探测器19，平衡探测器19探测的信号经数据采集卡7和计算机8进行数据采集和数据处理。

如图2所示，所述光源频率检测单元5包括准直器20、扩束镜21、分光镜22、探测器23、F-P腔24和探测器25；所述准直器20对进入的光进行准直，经准直后的光进入所述扩束镜21进行扩束，扩束后的光经所述分光镜22，经所述分光镜22的反射光进入所述探测器23，经所述分光镜22的透射光经过所述F-P腔24后进入探测器25；探测器23和探测器25的信号直接进入算法电路板6，算法电路板6的输出信号作为采集卡7的触发信号。

图3所示的是典型的F-P腔透射谱线。本实施方式中扫频激光器1的单色性足够好，其相干距离大于100米，且扫频速度超过100kHz。使用F-P腔检测扫频光源波长时：F-P腔的FSR大于扫频光源的扫频带宽ΔB；F-P腔放置于半导体控温系统上，控温系统采用比例积分微分算法控制电路；F-P腔的频率稳定性优于1MHz，不确定度优于10MHz。探测器22和探测器25用于消除光源调谐时功率波动带来的影响。通过调节F-P腔的工作温度，使其透射峰位于扫频激光器扫频曲线上升沿部分或者扫频周期前半部分，如图4所示，A是测量干涉仪产生的测量干涉条纹，B是参考干涉仪产生的参考干涉条纹，C是F-P腔产生的trig，D是扫频激光器的扫频电信号。

通过对参考干涉仪的光谱干涉条纹进行傅立叶变换和加窗滤波处理，可以得到光程差为n₀Δl的干涉信号的空间谱，再经过逆傅立叶变换得到自由光谱区

的参考干涉条纹B。具体过程如下：

考虑来自距离z处的反射率为R的干涉条纹，单侧轴向探测的干涉光谱信号的可表达式为：

其中，S(k)代表扫频光源的光谱密度函数，k(t)代表随时间变化的波数，一般情况下它并不是时间的线性函数。z代表样品深度坐标并且z＝0时对应参考臂样品臂的光程差为0。δz(t)代表深度z处的次分辨光程变化。

级联马赫曾德干涉仪干涉光谱信号的分析可基于单模光纤耦合器的散射矩阵，S₂为级联马赫曾德干涉仪中2×2光纤耦合器的散射矩阵，若2×2宽带光纤耦合器的分光比为1：1，则S₂可表示为：

对于一个简单的双延迟线系统，其传输矩阵可表示为(忽略了共同的相位因子exp(-ikn₀l₁)，n₀为光纤折射率)：

假设从光纤耦合器10进入到级联马赫曾德干涉仪的输入光场为

该输入光场在干涉仪中干涉后由2×2光纤耦合器11输出的光用符号

和

表示，由S₂和H_delay写出输出光场

和

的表达式为：

其中：l₁、l₂是马赫曾德干涉仪的两个臂长，公式(4)中忽略了共同项exp(-ikn₀l₁)、exp(-ikn₀l₂)。

平衡探测器12探测的光强信号可表示为：

对应的光功率传递函数为：

令Δl＝l₁-l₂，则

则光纤耦合器11的端口传递函数：

由公式(8)可得：在波长λ₁、λ₂处取得峰值时，则：

参考马赫曾德干涉仪实现固定频率差

间隔。

本实施方式中计算机对采集的干涉光谱信号和参考干涉信号进行处理，包括基于扫频光源的信号虚拟频移、基于虚拟扫频干涉条纹信号的拼接、基于等频率间隔的信号重采样、消除系统色散、快速傅里叶变换及距离计算。具体实施步骤如下：

调频连续波激光测距的距离分辨率：

其中，ΔB为扫频激光器的扫频带宽。

设扫频光源1的扫频周期为T_s，则扫频频率为f_s＝1/T_s，扫频带宽为ΔB的光源发出的相干光，经光程差为n₀Δl的参考干涉仪，使用采集卡记录其干涉条纹信号，一个扫频周期T_s产生的条纹数量

条纹之间的频率间隔为ω，设f(t)是选取扫频光源上升沿或者周期信号前半部分对应的干涉条纹信号，如图5所示，其傅里叶变换：

该干涉条纹信号f(t)是有限点的函数，设其采样时间τ≤T_s，当扫频光源扫描频率f_s足够大时，有ωτ≤ωT_s＝ω/f_s＜＜1。

在f(t)干涉条纹时域图中，对f(t)做n个等间隔时间τ提前和n个等间隔时间τ延迟后，获得新的虚拟条纹函数：f(t+nτ)、...、f(t+2τ)、f(t+τ)、f(t-τ)、f(t-2τ)、...、f(t-nτ)，n为整数，提前及延时的虚拟条纹信号也是有限点的函数，2n+1个函数组成扫描时间为(2n+1)τ的新干涉条纹信号f₁(t)：

f₁(t)＝f(t+nτ)+...+f(t+τ)+f(t)+f(t-τ)+...+f(t-nτ) (14)

f(t)是扫频带宽ΔB的激光器经过光程差n₀Δl的干涉仪产生的干涉光谱，则f₁(t)是扫频带宽(2n+1)ΔB的激光器经过光程差n₀Δl的干涉仪产生的干涉光谱，如图6所示，通过虚拟光源实现扫频激光器带宽增大。

虚拟函数f₁(t)的傅里叶变换为：

则由傅里叶变换的时移特性，可知：

F₁(ω)＝F(ω)(e^-jnωτ+...e^-jωτ+1+e^jωτ+...+e^jnωτ) (16)

F₁(ω)＝F(ω)(1+2cos(ωτ)+...+2cos(nωτ)) (18)

由于ωτ＜＜1，且虚拟信号个数2n+1是有限值，则：

由平均功率理论，函数f(t)的平均功率：

周期信号的平均功率等于信号的直流及各次谐波的功率之和。

虚拟函数f₁(t)是函数f(t)的周期函数，则f₁(t)的平均功率：

函数f(t)的平均功率与虚拟函数f₁(t)的平均功率相同，虚拟函数f₁(t)的采样时间是函数f(t)的2n+1倍，所以虚拟函数f₁(t)的能量Q₁(t)是函数f(t)的能量Q(t)的2n+1，在谱域分析函数f(t)和虚拟函数f₁(t)的能量，可知：

式(23)、(24)中Δω、Δω₁和分别是函数f(t)和函数f₁(t)在谱域中的带宽。

有：

由公式(20)、(26)可知,虚拟函数f₁(t)与函数f(t)的频率相同，都为ω；虚拟函数f₁(t)的谱域幅度为|(2n+1)F(ω)|，是函数f(t)的谱域幅度的2n+1倍；虚拟函数f₁(t)的频谱宽度相对于函数f(t)，压缩2n+1倍，其定位精度提高2n+1倍。

当n＝2时，模拟f(t)与虚拟f₁(t)傅里叶的变换结果，如图7所示，结果显示，使用虚拟光源f₁(t)和光源f(t)的测距：信噪比提高、距离分辨率提高、频率定位精度提高，且测距重复频率与f(t)扫频频率相同，即不降低测量速度。

下面通过一个实施例来进一步说明本发明。

该实施例中，扫频光源中心波长1550nm(也可使用其他波长)，扫频频率100kHz，扫频驱动信号为锯齿波，光源扫频带宽大于12.5GHz，光源相干距离大于100米；测量距离约为0.6米的物体，设置参考臂光程差5米，采集卡7采样速率大于100M/S，采集到的一个周期的干涉条纹，如图8所示。

该条纹信号传输到计算机8，截取扫描周期上升沿或前半周期对应的测量干涉条纹信号，截取条件满足：1)截取起始点、结束点位于测量干涉条纹的极值点或者过零点；2)截取的条纹数量满足整数；3)截取的条纹数量尽可能多，其数量远大于1个。

参考干涉仪信号根据截取信息做相同的处理，虚拟出4个移频光源信号，获得虚拟干涉条纹信号，如图9所示，其中，A’为虚拟干涉条纹信号，B’为虚拟干涉条纹信号对应的截取的参考干涉信号。

由图9可知，扫频光源存在非线性，使用参考干涉信号对测量信号重新采样，获得等间隔频率的重采样测量信号(见图10)。对重采样的测量信号开汉宁窗、补偿色散、进行快速傅里叶变换，获取其点扩散函数(见图11)。

进行150次重复测量，并记录测距结果，结果如图12所示。距离重复精度与虚拟光源个数的关系如图13所示。结果显示：测量距离0.6米时，重复精度小于400nm，优于10^-6，本发明可以使用一个价格低廉、扫描范围小、扫描速度快、相干距离远的扫描光源，通过虚拟光源技术，在不影响测量速度的情况下，实现扫描光源的扫描范围变大，理论上扫描范围可以实现无穷大，进而测距的分辨率提高，实现了成本低、速度快、距离长、高精度的激光测距，有很高的实用价值。

Claims (4)

1.一种基于虚拟扫频光源的调频连续波激光测距系统，包括扫频激光器、测距干涉仪、参考干涉仪、光源频率检测单元、采集卡和计算机，其特征在于，所述扫频激光器发出的激光被分成两路，一路进入所述测距干涉仪以形成干涉光谱信号，另一路被分成两部分，一部分进入所述参考干涉仪以形成参考干涉信号，另一部分进入所述光源频率检测单元；所述光源频率检测单元的输出信号作为所述采集卡的触发信号，所述采集卡根据触发信号对干涉光谱信号和参考干涉信号进行同步采集，所述计算机对采集到的干涉光谱信号进行信号处理得到虚拟干涉条纹信号，利用参考干涉信号对虚拟干涉条纹信号进行重新采样，获得等间隔频率的重采样测量信号，对重采样测量信号消除系统色散，进行快速傅里叶变换，并计算距离；所述计算机对采集到的干涉光谱信号进行信号处理得到虚拟干涉条纹信号的具体方式如下：选取扫频光源上升沿或者周期信号前半部分对应的干涉光谱信号f(t)，在f(t)的时域图中，对f(t)做n个等间隔时间τ提前和n个等间隔时间τ延迟后，获得新的虚拟干涉条纹函数：f(t+nτ)、...、f(t+2τ)、f(t+τ)、f(t-τ)、f(t-2τ)、...、f(t-nτ)，n为整数，提前及延迟的虚拟干涉条纹信号为有限点的函数，2n+1个虚拟干涉条纹函数组成扫描时间为(2n+1)τ的虚拟干涉条纹信号f₁(t)，f₁(t)＝f(t+nτ)+...+f(t+τ)+f(t)+f(t-τ)+...+f(t-nτ)。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟扫频光源的调频连续波激光测距系统，其特征在于，所述测量干涉仪包括第一光纤耦合器、光纤环行器、光纤准直器和第二光纤耦合器；所述第一光纤耦合器将进入的光分为两部分，一部分进入所述光纤环形器的第一端，另一部分进入所述第二光纤耦合器的第二输入端；所述光纤环行器的第二端出射光进入所述光纤准直器，经光纤准直器的透射光照射在被测样品上，被测样品的反射光返回进入光纤准直器，经光纤环行器的第三端进入第二光纤耦合器的第一输入端；所述第二光纤耦合器的输出端与平衡探测器相连。

3.根据权利要求1所述的基于虚拟扫频光源的调频连续波激光测距系统，其特征在于，所述光源频率检测单元包括准直器、扩束镜、分光镜、第一探测器、F-P腔和第二探测器；所述准直器对进入的光进行准直，经准直后的光进入所述扩束镜进行扩束，扩束后的光经所述分光镜，经所述分光镜的反射光进入所述第一探测器，经所述分光镜的透射光经过所述F-P腔后进入第二探测器；所述F-P腔的透射峰位于所述扫频激光器的扫频曲线上升沿部分或者扫频周期前半部分。

4.根据权利要求1所述的基于虚拟扫频光源的调频连续波激光测距系统，其特征在于，所述选取扫频光源上升沿或者周期信号前半部分对应的干涉光谱信号f(t)时满足以下条件：a)截取起始点、结束点位于干涉光谱信号的极值点或者过零点；b)截取的条纹数量为整数；c)截取的条纹数量远大于1个。

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