CN110988896A - 基于激光载波调制的相位测距装置及方法 - Google Patents

基于激光载波调制的相位测距装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于激光载波调制的相位测距方法和装置。对发射信号进行正弦相位调制，对接收信号进行相干解调，利用I、Q两路信号解出中频信号的相位，再利用得到的相位信号计算目标速度和距离。从而实现测速测距。本发明具有调制解调方式简单，能同时实现测速和测距的优点。

Description

基于激光载波调制的相位测距装置及方法
技术领域
本发明涉及激光测距领域，特别是一种基于激光载波相位调制的相位测距的方法及应用该方法的装置。
背景技术
现有激光测距技术中采用连续波的方案主要有基于调频连续波(FMCW)的测距方式和基于幅度调制的方式。FMCW技术中对发射激光采用啁啾调制，回波信号和本振信号相干解调，得到和距离有关的单频信号，信号的频率和目标距离成正比。FMCW技术优势在于激光器工作在宽脉宽、低峰值功率状态下，可大大提高脉冲重复探测频率，提高空间分辨率，但是FMCW技术中调制比较复杂。基于幅度调制的相位测距技术中，对发射的激光进行幅度调制，通过测量回波信号和发射信号的相位差来获得目标的距离信息。由于测相精度很高，该技术的测距精度很高。由于采用幅度调制和直探方式，基于幅度调制的相位测距技术适合中距离测距，只能对静态目标测距，不能获得目标的速度信息。
发明内容
基于上述问题点，本发明提出一种基于激光载波相位调制的相位测距的方法。对发射信号进行正弦相位调制，对接收信号相干解调，利用I、Q两路信号解出中频信号的相位，再利用得到的相位信号计算目标速度和距离信号，从而实现测速测距。相比于FMCW技术该技术调制解调方式简单，且能同时实现测速和测距。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于激光载波调制的相位测距装置，包括激光光源、光纤分束器、电光调制器、环形器收发望远镜、主振信号源、2×490°光学桥接器、第一平衡探测器、第二平衡探测器、模数转换器、数字信号处理单元。
所述的激光光源的输出端与所述的光纤分束器的输入端相连，所述光纤分束器的第一输出端和电光调制器的第一输入端相连第二输出端和2×490°光学桥接器的第一输入端相连。所述的电光调制器的输出端和环形器的输入端相连，所述的环形器的输入/输出端和收发望远镜相连。所述的环形器输出端和2×490°光学桥接器相连，所述的主振信号源的输出分成两路，一路连接到电光调制器的第二输入端，另一路连接到模数转换器的第一输入端，所述的2×490°光学桥接器的第一输出端和第二输出端连接到第一平衡探测器，的第三输出端和第四输出端连接到第二平衡探测器，所述的第一平衡探测器和模数转换器的第二输入端相连，所述的第二平衡探测器和模数转换器的第三输入端相连。所述的模数转换器和数字信号处理单元相连。
所述的激光光源产生的激光经过分束器分成两束，一路进入到所述的电光调制器利用所述的主振信号源产生的射频信号进行相位调制，被调制的激光经过相位调制后，经过所述的环形器，再通过所述收发望远镜发射到目标面，望远镜接收到目标的回波再通过所述收发望远镜耦合到光纤中，通过所述环形器输入到所述的2×490°光学桥接器中，从桥接器中输出四路相差90°的信号，输出的四路相位为0°、180°和90°、270°分别输入到两路探测器中通过两个探测器分别输出I、Q两路信号，输出的I、Q两路信号输入到所述的数模转换器中，将采集到的信号再通过所述的数字信号处理单元来计算速度和距离。
所述的基于激光载波调制的相位测距装置，其特征在于所述的激光光源波长为1550nm的激光器。
所述的基于激光载波调制的相位测距装置，其特征在于所述的该主振信号源(6)输出的信号为正弦信号。
利用所述的基于激光载波调制的相位测距装置，实现相位测距的方法，该方法包括如下步骤：
步骤一、将数模转换器采集到的信号输入到所述的数字信号处理单元中进行处理。截取长度为N0的信号计算速度和距离，首先将I、Q两路信号复数化，得到复数信号I(n,k)＝iI[(nN0+k)/Fs]+jiQ[(nN0+k)/Fs]，其中Fs为采样率，N0Fs为一个计算周期，该周期的长度为射频信号周期的整数倍。然后计算该复数信号的相位，然后利用解缠绕算法得到相位变化信号
Figure BDA0002274352400000021
相位变化由目标运动和相位调制引起，其中目标运动引起的相位变化为
Figure BDA0002274352400000022
其中，νm(n)为目标运动速度，相位调制器的调制引起的相位变化为
Figure BDA0002274352400000023
其中fo为光频，ωRF为RF信号角频率。
步骤二，
Figure BDA0002274352400000024
在射频信号的整数倍周期内的和为零。对计算得到长度为N0的
Figure BDA0002274352400000025
求和得到目标的速度νm(n)。
步骤三、将
Figure BDA0002274352400000026
减去由于目标运动引起的相位变
Figure BDA0002274352400000027
化，得到
Figure BDA0002274352400000028
比较
Figure BDA0002274352400000031
和采得的主振信号源信号的相位差来计算目标的距离rm(n)。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、对发射激光采用相位调制，采用相干探测的方式，相比于传统的幅度调制相位测距方式具有灵敏度高，能同时实现测速的优点。
2、利用2×490°桥接器对信号进行解调，可以同时获得目标的速度和距离信息。
附图说明
图1为本发明基于激光载波相位调制的相位测距装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
一种基于激光载波调制的相位测距装置，包括激光光源1、光纤分束器2、电光调制器3、环形器4、收发望远镜5、主振信号源6、2×490°光学桥接器7、第一平衡探测器8、第二平衡探测器9、模数转换器10、数字信号处理单元11。
所述的激光光源1的输出端与所述的光纤分束器2的输入端相连，所述光纤分束器2的第一输出端和电光调制器3的第一输入端相连第二输出端和2×490°光学桥接器7的第一输入端相连。所述的电光调制器3的输出端和环形器4的输入端相连，所述的环形器4的输入/输出端和收发望远镜5相连，所述的环形器4输出端和2×490°光学桥接器7相连，所述的主振信号源的输出分成两路，一路连接到电光调制器3的第二输入端，另一路连接到模数转换器10的第一输入端。所述的2×490°光学桥接器7的第一输出端和第二输出端连接到第一平衡探测器8，的第三输出端和第四输出端连接到第二平衡探测器9。所述的第一平衡探测器8和模数转换器9的第二输入端相连，所述的第二平衡探测器9和模数转换器的第三输入端相连。所述的模数转换器9和数字信号处理单元11相连。
所述的激光光源1产生的激光经过分束器2分成两束，一路进入到所述的电光调制器3利用所述的主振信号源6产生的射频信号进行相位调制，被调制的激光经过相位调制后，经过所述的环形器4，再通过所述收发望远镜5发射到目标面，望远镜接收到目标的回波再通过所述收发望远镜5耦合到光纤中，通过所述环形器4输入到所述的2×490°光学桥接器7中，从桥接器中输出四路相差90°的信号，输出的四路相位为0°、180°和90°、270°分别输入到两路探测器中通过两个探测器分别输出I、Q两路信号，输出的I、Q两路信号输入到所述的数模转换器9中，将采集到的信号再通过所述的数字信号处理单元11来计算速度和距离。
本发明的工作原理如下：激光器的输出的激光的光场可以表示为
Figure BDA0002274352400000041
其中A0幅度，ω和
Figure BDA0002274352400000042
为角频率和初始相位，为经过1:γ的分束器后分成两路，一路作为信号光，另一路作为本振光。其中信号光经过主振信号源产生的信号驱动的相位调制器后，通过环形器再从望远镜照射到目标面，目标面回波通过望远镜接收后再通过环形器进入到2×490°光学桥接器。进入到光学桥接器的本振光可以表示为
Figure BDA0002274352400000043
lLO激光器到2×490°光学桥接器本振光输入端的光程，主振信号源产生的信号可以表示为
Figure BDA0002274352400000044
其中ARF为射频(RF)信号的幅度，ωRF为RF信号的角频率，
Figure BDA0002274352400000045
为信号的初始相位。相位调制器产生的相位变化为
Figure BDA0002274352400000046
其中lRF1信号从主振信号源传输到相位调制器的传输线长度，经过相位调制器的激光场为。
Figure BDA0002274352400000047
其中ls为从激光器到相位调制器的光纤所产生的光程。进入到2×490°光学桥接器中的信号光可以表示为
Figure BDA0002274352400000048
其中lt,ld,lr为激光从相位调制器输出到收发光纤端面的光程和收发光纤端面到目标面和从目标面返回激光到收发光纤的光程，以及收发光纤端面到光学桥接器的输入端的光程。
ld＝2s
其中s为目标面到望远镜的距离，本振光和信号光在桥接器中混频，输出的四路信号通过一对平衡探测器探测，两个平衡探测器的差分信号
Figure BDA0002274352400000051
Figure BDA0002274352400000052
其中
Figure BDA0002274352400000053
为信号和本振光之间的相位差，可以表示为
Figure BDA0002274352400000054
由于相位差中包含了目标的速度和距离信息，在一个测量周期内可以认为目标基本为匀速运动，而目标距离变化引起的射频信号相位变化可以忽略。
rt(t0+τ)＝r(t0)+τv
目标的速度可以利用相位调制器产生的相位变化在整数倍周期内的积分为零的特点估计目标的速度。
Figure BDA0002274352400000055
再将相位变化减去目标运动引起的相位变化得到相位调制器引起的相位变化，再比较相位调制器引起的相位变化和主振信号的相位差来估计目标的距离。
速度和距离的计算具体实施步骤如下：
步骤一、将数模转换器采集到的I、Q两路信号和相位调制器的输入的信号，输入到所述的数字信号处理单元11中进行处理。截取长度为N0iI[(nN0+k)/Fs]，iQ[(nN0+k)/Fs]和VRF[(nN0+k)/Fs]的信号计算速度和距离。其中，Fs为采样率，N0Fs为一个计算周期，该周期的长度为射频信号周期的整数倍。首先将I、Q两路信号复数化，得到复数信号I(n,k)＝iI[(nN0+k)/Fs]+jiQ[(nN0+k)/Fs]，其中Fs为采样率，N0Fs为一个计算周期，该周期的长度为射频信号周期的整数倍。
Figure BDA0002274352400000056
其中Fs为采样率。考虑到测量时间很短，目标的距离可以认为是
Figure BDA0002274352400000061
然后计算该复数信号的相位，然后利用解缠绕算法得到相位变化信号
Figure BDA0002274352400000062
Figure BDA0002274352400000063
为本振光和信号光的差频信号的相位变化。相位变化由目标运动和相位调制引起，其中目标运动引起的相位变化为
Figure BDA0002274352400000064
其中，νm(n)为目标运动速度，相位调制器的调制引起的相位变化为
Figure BDA0002274352400000065
其中fo为光频，ωRF为RF信号角频率。
步骤二，
Figure BDA0002274352400000066
在射频信号的整数倍周期内的和为零。对计算得到长度为N0的
Figure BDA0002274352400000067
求和得到目标的速度νm(n)。
Figure BDA0002274352400000068
步骤三、将
Figure BDA0002274352400000069
减去由于目标运动引起的相位变
Figure BDA00022743524000000610
化，得到
Figure BDA00022743524000000611
比较
Figure BDA00022743524000000612
和采得的主振信号源信号的相位差来计算目标的距离rm(n)。
Figure BDA00022743524000000613
VRF[(nN0+k)/Fs]和
Figure BDA00022743524000000614
的相位差为
Figure BDA00022743524000000615
Figure BDA00022743524000000616

Claims (4)

1.一种基于激光载波调制的相位测距装置，其特征在于，包括激光光源(1)、光纤分束器(2)、电光调制器(3)、环形器(4)、收发望远镜(5)、主振信号源(6)、2×490°光学桥接器(7)、第一平衡探测器(8)、第二平衡探测器(9)、模数转换器(10)、和数字信号处理单元(11)；
所述的激光光源(1)的输出端与所述的光纤分束器(2)的输入端相连，所述光纤分束器(2)的第一输出端和电光调制器(3)的第一输入端相连，所述光纤分束器(2)的第二输出端和2×490°光学桥接器(7)的第一输入端相连，所述的电光调制器(3)的输出端和环形器(4)的第一端口相连，该环形器(4)的第二端口和收发望远镜(5)相连，该环形器(4)的第三端口和2×490°光学桥接器(7)的第二输入端相连；
所述的主振信号源(6)的第一输出端与电光调制器(3)的第二输入端相连，该主振信号源(6)的第二输出端与模数转换器(10)的第一输入端相连，所述的2×490°光学桥接器(7)的第一输出端和第二输出端连接到第一平衡探测器(8)的输入端，该2×4 90°光学桥接器(7)的第三输出端和第四输出端连接到第二平衡探测器(9)的输入端，所述的第一平衡探测器(8)的输出端和模数转换器(10)的第二输入端相连，所述的第二平衡探测器(9)的输出端和模数转换器(10)的第三输入端相连，该模数转换器(10)的输出端和数字信号处理单元(11)输入端相连；
所述的激光光源(1)产生的激光经过分束器(2)分成两束，一路进入到所述的电光调制器(3)，并利用所述的主振信号源(6)产生的射频信号进行相位调制，被调制的激光经过相位调制后，经过所述的环形器(4)，再通过所述收发望远镜(5)发射到目标面后被反射，所述收发望远镜(5)收到目标的回波并耦合到光纤中，通过所述环形器(4)输入到所述的2×490°光学桥接器(7)中，并输出四路相差90°的信号。其中，相位为0°和180°的信号输入到第一平衡探测器(8)中，并输出I路信号，相位为90°和270°的信号输入到第二平衡探测器(9)中并输出Q路信号，所述的两路I信号和Q信号经所述的数模转换器(10)输入到所述的数字信号处理单元(11)中处理得到目标速度和距离。
2.根据权利要求1所述的基于激光载波调制的相位测距装置，其特征在于所述的激光光源(1)波长为1550nm的激光器。
3.根据权利要求1所述的基于激光载波调制的相位测距装置，其特征在于所述的该主振信号源(6)输出的信号为正弦信号。
4.利用权利要求1所述的基于激光载波调制的相位测距装置，利用数字信号处理单元实现相位测距的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一、将数模转换器采集到的信号输入到所述的数字信号处理单元(11)中进行处理；截取长度为N0的信号计算速度和距离，首先将I、Q两路信号复数化，得到复数信号I(n,k)＝iI[(nN0+k)/Fs]+jiQ[(nN0+k)/Fs]，其中Fs为采样率，N0Fs为一个计算周期，该周期的长度为射频信号周期的整数倍；然后计算该复数信号的相位，然后利用解缠绕算法得到相位变化信号
Figure FDA0002274352390000021
Figure FDA0002274352390000022
为本振光和信号光的差频信号的相位变化，该相位变化由目标运动和相位调制引起，其中目标运动引起的相位变化为
Figure FDA0002274352390000023
其中，νm(n)为目标运动速度，相位调制器的调制引起的相位变化为
Figure FDA0002274352390000024
其中fo为光频，ωRF为RF信号角频率；
步骤二、对计算得到长度为N0的
Figure FDA0002274352390000025
求和得到目标的速度νm(n)；
步骤三、将
Figure FDA0002274352390000028
减去由于目标运动引起的相位变
Figure FDA0002274352390000026
化，得到
Figure FDA0002274352390000027
比较
Figure FDA0002274352390000029
和采得的主振信号源信号的相位差得到目标的距离rm(n)。
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