CN110716208A - 一种基于声光调制器的扫频干涉动态绝对距离测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于声光调制器的扫频干涉动态绝对距离测量系统，解决了FSI绝对距离测量中目标振动对距离测量的影响。系统由调频激光和单频激光共光路分别对目标的距离和振动进行测量，对距离测量路振动带来的多普勒频率进行了补偿。所述方法利用探测器1的信号作为重采样时钟，为了提高相位运算信号的信噪比，消除单频激光测振系统载频与采样时钟不同步的问题，引入了一个声光调制器，以探测器2的拍频作为其驱动信号，使测振信号载频与重采样时钟同步变化，因而提高了距离测量的精度。根据探测器3采集的测距和测振信号和探测器4的拍频，得到目标的绝对距离：
Figure DDA0002238373820000011

Description

一种基于声光调制器的扫频干涉动态绝对距离测量系统
技术领域
本发明涉及一种基于声光调制器的扫频干涉动态绝对距离测量系统，属于绝对距离动态测量领域。
背景技术
调频激光实现高精度和高分辨率绝对距离测量技术是跟外腔半导体激光器的发展密切相关的。随着激光器调制带宽的不断增大，其频率调制难以做到理想的线性，因此在对干涉拍频进行傅里叶变换时会导致距离谱展宽，不能得到准确的目标距离。为了克服频率调制非线性带来的影响，如图2所示，利用辅助干涉路拍频作为重采样时钟是一种常用方法。
利用辅助干涉路的拍频作为重采样的时钟以消除激光器扫频非线性对距离测量带来的影响，若目标是静止的，则其重采样后的测量信号可以表示为：
Figure BDA0002238373800000011
其中Am0代表测量路拍频信号的幅值，τm0代表测量干涉路测量静止目标的时延，f1代表调频的起始频率，τ1代表200m延时光纤的群时延。
测量环境会引起目标的微弱振动，此时测量得到的距离会存在上千倍于目标真实振动偏移的误差。经过重采样后测量路拍频可以表示为：
其中Am代表测量路拍频的信号幅值，Δτm(n)代表每个采样点目标振动引入的延迟变化量。
式中第一项代表目标的动态绝对距离，第二项是目标振动引入的多普勒频移影响。为了更好表现振动对测量系统的影响，我们对目标存在振动情况下的测距系统进行了仿真，如图2所示，设目标距离为4m,振动幅度分别为0um、0.1um、0.3um、0.5um、0.7um、0.9um，振动频率为2Hz的情况下进行仿真，如图2所示，当目标存在微弱振动时，目标距离铺展宽严重，难以提取出目标距离。且振动幅度越大，距离测量效果越差。
采用单频激光器来对调频激光距离测量中的多普勒误差进行补偿，若没有加入声光移频器则无法判断目标的速度方向，在相位运算中会对补偿相位的方向造成模糊。
由于采用的外部时钟是非线性时钟，若采用两个固定移频的声光移频器，在非线性时钟下会造成测振信号的信噪比下降，从而影响目标真实距离的提取。
发明内容
本发明的目的是为了解决目标振动条件下基于扫频相干绝对距离测量精度低的问题，本发明提供一种基于声光调制器的扫频干涉动态绝对距离测量系统。
为了解决该问题，本发明采用的技术方案为：一种基于声光调制器的扫频干涉动态绝对距离测量系统，所述测量系统包括调频激光器、单频激光器、10m延时光纤、200m延时光纤、声光移频器1、声光移频器2、声光调制器、耦合器1、耦合器2、耦合器3、耦合器4、耦合器5、耦合器6、耦合器7、功分器1、功分器2、功分器3、功分器4、合束器1、合束器2、探测器1、探测器2、探测器3、探测器4、光纤环路器、准直器和数据采集卡，其中：
耦合器1为功分比是96：2：2的1*3的耦合器；
耦合器2是功分比为95：5的耦合器；耦合器3是功分比为95：5的耦合器。
耦合器4、耦合器5、耦合器6和耦合器7均为3dB耦合器。
外腔式激光器的调频激光进入耦合器1分成三路。功分比为2的一路调频激光进入功分器4，产生的两路一路作为本振，一路经过200m的延时光纤，经耦合器7在探测器1得到整个系统的外部时钟信号。
另一路功分比为2的调频激光进入功分器1，产生的2路，一路经过声光移频器1，一路经过10m的延时光纤，经耦合器4在探测器2上得到的信号作为声光调制器的驱动信号。功分比为96的调频激光作为激光距离测量路。
单频激光器输出的激光经过耦合器2分成两路，功分比为5的光经过声光调制器作为测振本振路，功分比为95的光经过声光移频器2作为测量目标多普勒频移路。
功分器3和功分器2对经过声光移频器2和声光调制器的两路分路，一组经耦合器5在探测器4上得到测振载频信号，一组与调频激光共光路测量目标振动。
耦合器3输出的95路光与功分器3输出的一路光经合束器2合束后进入环路器，经准直器准直后入射到目标，并由环路器接收目标返回激光。
耦合器3输出的另一路光与功分器2输出的另一路光经合束器1进行合束，合束器1合束后的光与环路器接收的光经耦合器6合束后入射至探测器3。
探测器1得到的外部时钟信号为：
Ilock(t)＝Aclockcos(2πf1τ1+2πΔf(t)τ1)
其中Aclock表示探测器1得到信号的幅值，f1表示调频起始频率，Δf(t)是频率随时间变化的函数，τ1为200m延时光纤的时延。
Figure BDA0002238373800000031
其中φ1(t)表示1号辅助干涉仪的瞬时相位，n表示重采样点对应的序号。
所述探测器2得到的拍频信号：
Figure BDA0002238373800000032
其中，A2代表探测器2得到拍频信号的幅值，τ2代表10m延时光纤对应的时延，faom代表声光移频器1和声光移频器2的移频量。
探测器2的拍频信号作为声光调制器的驱动信号以控制声光调制器的移频量，所述探测器4得到的拍频信号：
其中，A4代表探测器4得到拍频信号的幅值。
探测器3接收来自调频激光器和单频激光器各自相干得到的拍频信号，通过滤波可得，调频连续波的测距信号：
Figure BDA0002238373800000034
其中，Im代表测量干涉仪信号的幅值，其中第一项包含了目标的距离信息，第二项是目标振动引入的多普勒频移相位。Δτm(n)表示各采样点对应的测量路时延变化。f1代表调频激光器的起始频率。
探测器3接收来自调频激光器和单频激光其各自相干得到的拍频信号，通过滤波可得，单频激光测距信号：
其中，Id代表单频激光测振信号的幅值，f0代表单频激光器的频率，f1和f0看作近似相等。
所述的基于声光调制器的扫频干涉绝对动态距离测量系统的测量方法，获得的动态绝对距离Rm为：
其中，c代表光速，
Figure BDA0002238373800000043
代表求导，
Figure BDA0002238373800000044
和
Figure BDA0002238373800000045
分别代表外腔激光器和单频激光器共光路探测器3上得到拍频信号的相位。是探测器4得到拍频信号的相位。
本发明的有益效果在于，利用测振系统消除调频激光拍频中目标振动对绝对距离测量的影响，为了消除测振中低频噪声的干扰并且判别目标振动的方向，加入声光调制器，使测振信号的载频与作为采样始终的探测器1的拍频同步，在相位运算中进一步提高了包含距离相位信号的信噪比，从而提高了测量精度。
附图说明
图1为静止目标绝对距离测量系统的光路结构示意图；
图2为目标振动对绝对距离测量影响的距离谱仿真图；
图3为动态绝对距离测量系统的光路结构示意图。
具体实施方式
为消除目标振动对扫频相干绝对距离测量的影响，一种基于声光调制器的扫频干涉动态绝对距离测量系统，所述测量系统包括调频激光器、单频激光器、10m延时光纤、200m延时光纤、声光移频器1、声光移频器2、声光调制器、耦合器1、耦合器2、耦合器3、耦合器4、耦合器5、耦合器6、耦合器7、功分器1、功分器2、功分器3、功分器4、合束器1、合束器2、探测器1、探测器2、探测器3、探测器4、光纤环路器、准直器、数据采集卡。
耦合器1为功分比是96：2：2的1*3的耦合器；
耦合器2是功分比为95：5的耦合器；耦合器3是功分比为95：5的耦合器。
耦合器4、耦合器5、耦合器6和耦合器7均为3dB耦合器。
外腔式激光器的调频激光进入耦合器1分成三路。功分比为2的一路调频激光进入功分器4，产生的2路一路作为本振，一路经过200m的延时光纤，经耦合器7在探测器1得到整个系统的外部时钟信号。
另一路功分比为2的调频激光进入功分器1，产生的2路，一路经过声光移频器1，一路经过10m的延时光纤，经耦合器4在探测器2上得到的信号作为声光调制器的驱动信号。功分比为96的调频激光作为激光距离测量路。
单频激光器输出的激光经过耦合器2分成两路，功分比为5的光经过声光调制器作为测振本振路，功分比为95的光经过声光移频器2作为测量目标多普勒频移路。
功分器3和功分器2对经过声光移频器2和声光调制器的两路分路，一组经耦合器5在探测器4上得到测振载频信号，一组与调频激光共光路测量目标振动。
耦合器3输出的95路光与功分器3输出的一路光经合束器2合束后进入环路器，经准直器准直后入射到目标，并由环路器接收目标返回激光。
耦合器3输出的另一路光与功分器2输出的另一路光经合束器1进行合束，合束器1合束后的光与环路器接收的光经耦合器6合束后入射至探测器3。
外腔激光器和单频激光器的激光频率不能重叠，这样可以避免共光路时两束激光相干产生能被探测器3响应的无用信号，声光调制器引入测振载波信号可以使单频激光测速的多普勒频率与调频激光的距离测量信号在距离谱上分开。
Iclock(t)＝Aclockcos(2πf1τ1+2πΔf(t)τ1)
其中Aclock表示探测器1得到外部时钟信号的幅值，f1表示调频起始频率，Δf(t)是频率随时间变化的函数，τ1为辅助干涉仪1的时延。
在外部时钟拍频信号的谷峰位置对应的时间点处对探测器3和探测器4的信号进行信号重采样。
其中φ1(t)表示辅助干涉仪1的瞬时相位，n表示重采样点对应的序号。
所述探测器2得到的拍频信号：
Figure BDA0002238373800000061
其中A2代表探测器2得到拍频信号的幅值，τ2代表辅助干涉仪2的延时，faom代表声光移频器1的移频量。
探测器2的拍频信号作为声光调制器的驱动信号以控制声光调制器的移频量，探测器4得到的拍频信号：
其中A4代表探测器4得到拍频信号的幅值。
探测器3接收来自调频激光器和单频激光其各自相干得到的拍频信号，通过滤波可得，调频激光的测距信号：
Figure BDA0002238373800000063
其中Im代表调频激光测距信号的幅值，其中第一项包含了目标的距离信息，第二项是目标振动引入的多普勒频移相位。Δτm(n)表示各采样点对应的延迟变化。f1代表调频激光器的起始频率。
探测器3接收来自调频激光器和单频激光其各自相干得到的拍频信号，通过滤波可得，单频激光测振信号：
Figure BDA0002238373800000064
其中Id代表单频激光测振信号的幅值，f0代表单频激光器的频率，f1和f0看作近似相等。
所述的基于声光调制器的扫频干涉绝对动态距离测量系统的测量方法，获得的绝对距离Rm为：
Figure BDA0002238373800000065
其中c代表光速，
Figure BDA0002238373800000066
代表求导，
Figure BDA0002238373800000067
和
Figure BDA0002238373800000068
分别代表外腔激光器和单频激光器共光路得到拍频信号的相位。
Figure BDA0002238373800000069
是探测器4得到拍频信号的相位。

Claims (8)

1.一种基于声光调制器的扫频干涉动态绝对距离测量系统，其特征在于：所述测量系统包括调频激光器、单频激光器、10m延时光纤、200m延时光纤、声光移频器1、声光移频器2、声光调制器、耦合器1、耦合器2、耦合器3、耦合器4、耦合器5、耦合器6、耦合器7、功分器1、功分器2、功分器3、功分器4、合束器1、合束器2、探测器1、探测器2、探测器3、探测器4、光纤环路器、准直器、数据采集卡，其中：
耦合器1为功分比是96：2：2的1*3的耦合器；耦合器2为功分比是95：5的耦合器；耦合器3为功分比是95：5的耦合器；耦合器4、耦合器5、耦合器6和耦合器7均为3dB耦合器；
外腔式激光器的调频激光进入耦合器1分成三路，功分比为2的一路调频激光进入功分器4，产生的2路一路作为本振，一路经过200m的延时光纤，经耦合器7在探测器1得到整个系统的外部时钟信号。另一路功分比为2的调频激光进入功分器1，产生的两路，一路经过声光移频器1，一路经过10m的延时光纤，经耦合器4在探测器2上得到的信号作为声光调制器的驱动信号。功分比为96的调频激光作为激光距离测量路；
单频激光器输出的激光经过耦合器2分成两路，功分比为5的光经过声光调制器作为测振本振路，功分比为95的光经过声光移频器2作为测量目标多普勒频移路。功分器3和功分器2对经过声光移频器2和声光调制器的两路分路，一组经耦合器5在探测器4上得到测振载频信号，一组与调频激光共光路测量目标振动。
耦合器3输出的95路光与功分器3输出的一路光经合束器2合束后进入环路器，经准直器准直后入射到目标，并由环路器接收目标返回激光。
耦合器3输出的另一路光与功分器2输出的另一路光经合束器1进行合束，合束器1合束后的光与环路器接收的光经耦合器6合束后入射至探测器3。
2.根据权利要求1所述的基于声光调制器的扫频干涉绝对动态距离测量系统，其特征在于：探测器1得到的外部时钟信号，以其谷峰位置处对应的时间点作为对其他路信号采样的时间点，以实现等相位采样。
3.根据权利要求1所述的基于声光调制器的扫频干涉绝对动态距离测量系统，其特征在于：探测器2得到的拍频信号：
Figure FDA0002238373790000021
其中，A2代表探测器2得到拍频信号的幅值，τ1代表200m延时光纤对应的群延迟，τ2代表10m延时光纤对应的群延迟，faom代表声光移频器1的移频量，n表示采样点序号，它是由探测器1拍频信号谷峰位置处对应的时间点组成并依次排序重新编号。
4.根据权利要求1所述的基于声光调制器的扫频干涉绝对动态距离测量系统，其特征在于：以探测器2的拍频信号作为声光调制器的驱动信号来控制声光调制器的移频量。
5.根据权利要求1所述的基于声光调制器的扫频干涉绝对动态距离测量的系统，其特征在于，探测器4得到的拍频信号：
Figure FDA0002238373790000022
其中，A4代表探测器4到拍频信号的幅值。
6.根据权利要求1所述的基于声光调制器的扫频干涉绝对动态距离测量的系统，其特征在于，探测器3得到的测距拍频信号：
Figure FDA0002238373790000023
其中，Im代表测量干涉仪信号的幅值，其中第一项包含了目标的动态距离信息，第二项是目标振动引入的多普勒频移相位，△τm(n)表示各采样点对应的测量路时延变化，f1代表调频激光器的起始频率。
7.根据权利要求1所述的基于声光调制器的扫频干涉绝对动态距离测量的系统，其特征在于，探测器3得到的测振信号：
Figure FDA0002238373790000024
其中，Id代表单频激光测振信号的幅值，f0代表单频激光器的频率，f1和f0看作近似相等。
8.根据权利要求1所述的基于声光调制器的扫频干涉绝对动态距离测量的系统，其特征在于：通过对探测器1、探测器2和探测器3探测到的信号进行相位运算，获得的动态绝对距离Rm为：
Figure FDA0002238373790000025
其中，c代表光速，
Figure FDA0002238373790000031
表示求导，
Figure FDA0002238373790000032
和
Figure FDA0002238373790000033
分别代表外腔激光器和单频激光器拍频信号的相位，
Figure FDA0002238373790000034
是探测器4得到拍频信号的相位变化量。
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