CN111538027B - 一种用于高分辨率测量的激光测距装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于高分辨率测量的激光测距装置。可调谐激光器发出的激光信号经过分束器后被分为两路进入主光路和辅助光路，主光路中的信号通过变焦透镜照射目标后原路返回至光路，信号经过耦合器耦合后被探测器采集。进入辅助光路中的信号同样被探测器采集，两部分的信号存在光程差因此会产生干涉，数据采集卡将探测器中的信号以正弦形式输出。通过ESPRIT算法对该信号数据进行计算，实现被测目标的高分辨率测量。本发明解决现有激光测距时难以实现的高分辨率测量的问题。有益效果：利用ESPRIT算法对目标信号的数据进行计算，提高了该装置测量的分辨率。

Description

一种用于高分辨率测量的激光测距装置及方法

技术领域

本发明涉及光学测量领域，尤其是涉及一种用于高分辨率测量的激光测距装置及方法。

背景技术

随着现代精密测量技术发展，激光测距技术在精密测量、工业设计和制造中的各个领域，例如空间定位、尺寸测量、遥感测绘、模具设计制造与检测等，得到了越来越广泛的应用。随着精密加工制造技术的不断发展和进步，对激光测量技术的分辨率的要求也不断提高。激光测距的技术是基于调频连续波激光探测技术，该技术作为一种新型相干探测技术，采用线性调频信号调制激光，通过比较发射信号与经过目标点反射的回波信号形成稳定的拍频进行频谱分析可以获得距离。一般是采用傅里叶变换对频谱进行具体的分析，该方法的分辨率与调频带宽有关，但由于电流调谐半导体激光器通常调频带宽较小，难以进一步提高测量分辨率。为了在不增加调频带宽情况下提高测量分辨率，提出将高分辨率谱估计算法用于拍频信号处理，提高测距系统的分辨率。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于高分辨率测量的激光测距装置，能够提高现有激光测距技术中的测量精度和测量分辨率，在装置的光路中采用了主光路和辅助光路的设计方法，校正激光器的调频非线性，同时结合ESPRIT算法对目标信号进行进一步的处理，为提高激光测距测量时的分辨率提供了可行方法。

根据本发明的目的提出的一种用于高分辨率测量的激光测距装置，包括可调谐激光器(1)、第一分束器(2)、主光路、辅助光路、数据采集卡(13)和计算机(14)，所述主光路包括第二分束器(3)、环形器(4)、变焦透镜(5)、第一延迟单模光纤(6)、第一耦合器(7)和第一探测器(8)，所述辅助光路包括第三分束器(9)、第二延迟单模光纤(10)、第二耦合器(11)和第二探测器Ⅱ(12)，所述主光路和所述辅助光路的各光学器件之间通过光纤传输光信号，其中所述可调谐激光器(1)的输出信号经过所述第一分束器(2)，将至少90％的信号进入主光路，经过主光路中的第二分束器(3)后，将其中一路信号穿过所述环形器(4)和所述变焦透镜(5)后照射到外部目标，然后反射信号沿相同路径返回，返回后的反射信号与所述第二分束器分出的另一路信号在第一所述耦合器(7)中耦合，被所述第一探测器(8)检测到后转化为电信号输出并被所述数据采集卡(13)；进入辅助光路的信号被所述第三分束器(9)分为两束，一路通过所述第二延迟单模光纤(10)，另一路作用于本振，然后两束光经过所述第二耦合器(11)耦合，由所述第二探测器(12)检测后转化为电信号输出并被所述数据采集卡(13)记录，数据采集卡(13)将采集的数据传输到所述计算机(14)，所述计算机(14)对所述数据采集卡(13)采集的至少来自所述第一探测器(8)的信号利用ESPRIT算法进行处理，获得该信号的至少幅值和频率信息。

优选的，测量时，所述可调谐激光器(1)以1KHz的频率稳定地输出激光信号。

优选的，所述变焦透镜(5)设置在一转动装置上，根据所述外部目标的位置调整所述变焦透镜(5)的方向，使所述变焦透镜(5)面向该外部目标。

优选的，所述第一分束器(2)为99：1分束器，其中99％的信号经过该第一分束器(2)后进入主光路。

优选的，所述第二分束器(3)为99：1分束器，所述第三分束器(9)为50：50分束器。

优选的，所述主光路中的第一延迟单模光纤(6)和所述辅助光路中的第二延迟单模光纤(10)具有对光程的调节能力，所述第一耦合器(7)和所述第二耦合器(11)中各自耦合的两路光在不同光程影响下发生干涉现象，所述第一探测器(8)和第二探测器(12)将检测到的干涉信号转化为正弦形式信号输出并被所述数据采集卡(13)记录。

根据本发明的目的还提出了一种使用上述的激光测距装置的测距方法，包括步骤：

S1、周期性采集主光路的目标电压信号和辅助光路中的重采样电压信号，

S2、以所述重采样电压信号对所述目标电压信号进行重采样处理，获得一系列幅值按指数规律变化的正弦信号与白噪声的组合信号；

S3、将所述组合信号用ESPRIT算法进行处理，获得各信号分量的幅值和相位信息。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：利用ESPRIT算法对目标数据进行计算，大幅度提高了激光测距装置的分辨率。

附图说明

附图1是本发明的装置示意图；

附图2是频率为100.05Hz、120.50Hz和120.60Hz的正弦形式的信号与随机噪声信号叠加以后行成的信号的图；

附图3是对该信号的经过傅里叶变换以后的频谱图；

附图4是对该信号经过ESPRIT算法进行计算以后的茎状图；

附图5是对附图4进一步放大后的茎状图；

图中：1-可调谐激光器；2-第一分束器；3-第二分束器；4-环形器；5-变焦透镜；6-第一延迟单模光纤；7-第一耦合器Ⅰ；8-第一探测器Ⅰ；9-第三分束器；10-第二延迟单模光纤；11-第二耦合器；12-第三探测器；13-数据采集卡；14-计算机。

具体实施方式

下面通过实例，并结合附图，对本发明的方案作进一步具体的说明。

实施例1：

如图1所示，一种用于高分辨率测量的激光测距装置，它包括可调谐激光器1、第一分束器2、主光路、辅助光路、数据采集卡13和计算机14。图1中的细线表示光纤，带箭头的细线表示光线。图示中的各光学器件之间通过光纤传输光信号。

所述可调谐激光器1以1KHz的频率稳定地输出激光信号。所述主光路包括第二分束器3、环形器4、变焦透镜5、第一延迟单模光纤6、第一耦合器7和第一探测器8，其中所述可调谐激光器1的输出信号经过所述第一分束器2，将至少90％的信号进入主光路，在一种较优的实施例中，所述第一分束器2为99：1分束器，其中99％的信号经过该第一分束器2后进入主光路。经过主光路中的第二分束器3后，将其中一路信号穿过所述环形器4和所述变焦透镜5后照射到外部目标，所述变焦透镜5设置在一转动装置上，根据所述外部目标的位置调整所述变焦透镜5的方向，使所述变焦透镜5面向该外部目标。然后反射信号沿相同路径返回，返回后的反射信号与所述第二分束器分出的另一路信号在第一所述耦合器7中耦合，被所述第一探测器8检测到后转化为电信号输出并被所述数据采集卡13。

所述辅助光路包括第三分束器9、第二延迟单模光纤10、第二耦合器11和第二探测器12，进入辅助光路的信号被所述第三分束器9分为两束，一路通过所述第二延迟单模光纤10，另一路作用于本振，然后两束光经过所述第二耦合器11耦合，由所述第二探测器12检测后转化为电信号输出并被所述数据采集卡13记录，数据采集卡13将采集的数据传输到所述计算机14，所述计算机14对所述数据采集卡13采集的至少来自所述第一探测器8的信号利用ESPRIT算法进行处理，获得该信号的至少幅值和频率信息。

在一较优的实施方式中，所述第二分束器3为99：1分束器，所述第三分束器9为50：50分束器。

用于高分辨率测量的激光测距的测量方法：

可调谐激光器1发出的激光经过99：1分束器2得到两路激光，由于主光路和辅助光路中延迟单模光纤Ⅰ6和迟单模光纤Ⅱ10的存在，使得信号之间存在光程差，这导致信号最终在耦合器Ⅰ7和耦合器Ⅱ11中耦合时发生干涉。探测器Ⅰ8和探测器Ⅱ12将信号转化为正弦形式输出至数据采集卡13，并最终在计算机14上得到对应干涉信号。

利用ESPRIT算法对最终获得的信号数据进行计算，ESPRIT的原理如附图2所示。ESPRIT算法的原理是基于旋转不变性，对于一个有M个阵元的平面阵列结构，其元素被恒定位移矢量Δ分离。两个完全相同的子阵构成该阵列，阵元的数目均为M-1个。其中子阵1由前M-1个阵元组成，子阵2由后M-1个阵元组成。对于同一个信号而言，两个子阵的输出只有一个相位差φ_i，i＝1，2…N。

首先，周期性采集辅助光路中的重采样电压信号和主光路中的目标电压信号，对主光路被测目标的目标电压信号进行重采样处理，以减少目标电压信号中的非线性，然后得到的信号是一系列幅值按指数规律变化的正弦信号与白噪声的组合信号。这一阶段的信号仍然以矩阵的形式被带入ESPRIT算法中进行计算。

设信号x(n)可以表示为一系列幅值按指数规律变化的正弦信号与白噪声的组合，在采样时刻n，其表达式如下：

1)式中的T_s为采样周期，a_p，φ_p，ω_p，σ_p是第p个衰减分量的幅值、初始相位、角频率和衰减系数，衰减分量的频率用f_p表示，f_p＝ω_p/(2π)，w(n)是均值为0的白噪声。

令

则公式1)可写成：

定义x(n)＝[x(n),x(n+1),…,x(n+M-1)]^T，其中(M＞p)，则

公式中：

c＝[c₁,c₂,…,c_p]^T

Φ＝diag(z₁,z₂,…,z_p)

Γ_M＝[τ_M(z₁),τ_M(z₂),…,τ_M(z_p)]

w(n)＝[w(n),w(n+1),…,w(n+M-1)]^T

从公式3)可以看出z_p确定了信号中各个分量的角频率和衰减系数，即决定了Φ。因此可以通过Φ来间接求得各信号的频率等参数，Φ也被称为旋转算子。

规定S_a,S_b分别表示矩阵删除了第一行和最后一行后得到的新矩阵，则

S_b＝Γ_M-1Φⁿc＝J₁c 4)

S_a＝Γ_M-1Φⁿ⁺¹c＝J₂c 5)

J₂＝J₁Φ 6)

根据序列x(0)，x(1)，…，x(N-1)构造Hankel数据矩阵：

式中的L＞p，M＞p,L+M-1＝N。对矩阵X进行奇异值分解：

公式中的

表示奇异值分解，U^HU＝I,V^HV＝I,U∈C^L×L,V∈C^M×M,Σ∈R^L×M是一对角阵，各元素是矩阵X的奇异值ξ₁，ξ₂，…，ξ_p，…，ξ_max(L,M)的降序排列，V_s和V_n分别是信号子空间和噪声子空间。

当信号仅由p个复正弦信号分量叠加而成时,Hankel数据矩阵的秩为p，此时ξ₁＞ξ₂＞…＞ξ_p＝ξ_p+1＝ξ_p+2＝…＝ξ_max(L,M)＝0，但是当信号被噪声污染时,按照式(7)构造的矩阵式满秩的，奇异值不为0。为了从数据中估计出信号参数，有V＝[V_s,V_n]，V_s的列向量式对应于矩阵X的幅值最大的p个奇异值的特征向量，因为V_s和Γ_M的列向量张成同样的信号子空间，所以存在可逆矩阵T，使得Γ_M＝V_sT。

令V₁，V₂分别是V_s删除最后一行和第一行后得到的新矩阵，存在可逆矩阵Ψ，使得

V₂＝V₁Ψ 9)

由于噪声以及干扰误差等因素，用E₁,E₂分别表示V₁,V₂的误差，上述公式9)可以写成：

V₂+E₂＝(V₁+E₁)Ψ 10)

运用TLS的方法，求出Ψ的最优解使公式10成立，同时误差矩阵E₁和E₂的总体误差最小，这通过如下的步骤实现：

1.构造矩阵[V₁,V₂],并进行奇异值分解，

其中/>

2.

分成4个p×p的矩阵，即

则

3.求Ψ_tls的特征值λ_P(p＝1,2,...,p)。

4.考察N点采样信号，有公式

Y＝λc 12)

Y＝[x(0),x(1),…,x(N-1)]^T

c＝[c₁,c₂,…,c_p]^T

运用最小二乘法可得到12)的解

c＝(λ^Hλ)^-1λ^HY

信号中各个分量的幅值和相位分别是a_p＝2|c_p|，φ_p＝arg c_p。

附图2所示的信号是由频率为100.50Hz、120.50Hz和120.60Hz的正弦形式的三种信号，与随机噪声信号相叠加的信号图。

附图3所示的是对该信号进行傅里叶变换后得到该信号的频谱图，从附图3可知两峰值所在的坐标频率分别是100.5859Hz和120.6055Hz，这表明傅里叶变换可以很好的分辨出频率为100.50Hz与120.60Hz两种信号，但是无法区分频率为120.50Hz和120.60Hz的两种信号。

附图4和附图5所示的是利用ESPRIT算法对该信号进行计算，由于ESPRIT算法得到的结果只是信号的频率，因此计算的结果用茎状图表示。从附图4和附图5中可以明显的区分出频率为100.50Hz、120.50Hz和120.60Hz三种信号，分别对应的是100.4991Hz、120.4833Hz和120.6155Hz。

从上述对比可以明显的看出，在对信号数据进行处理时，ESPRIT算法与傅里叶变换相比，在提高分辨率这一方面有明显的优势，因此采用此方法可以大幅度的提高该激光测距装置的分辨率。

Claims (7)

1.一种用于高分辨率测量的激光测距装置，其特征在于：包括可调谐激光器(1)、第一分束器(2)、主光路、辅助光路、数据采集卡(13)和计算机(14)，

所述主光路包括第二分束器(3)、环形器(4)、变焦透镜(5)、第一延迟单模光纤(6)、第一耦合器(7)和第一探测器(8)，

所述辅助光路包括第三分束器(9)、第二延迟单模光纤(10)、第二耦合器(11)和第二探测器(12)，所述主光路和所述辅助光路的各光学器件之间通过光纤传输光信号，

其中所述可调谐激光器(1)的输出信号经过所述第一分束器(2)，将至少90％的信号进入主光路，经过主光路中的第二分束器(3)后，将其中一路信号穿过所述环形器(4)和所述变焦透镜(5)后照射到外部目标，然后反射信号沿相同路径返回，返回后的反射信号与所述第二分束器分出的另一路信号在第一耦合器(7)中耦合，被所述第一探测器(8)检测到后转化为电信号输出并被所述数据采集卡(13)；

进入辅助光路的信号被所述第三分束器(9)分为两束，一路通过所述第二延迟单模光纤(10)，另一路作用于本振，然后两束光经过所述第二耦合器(11)耦合，由所述第二探测器(12)检测后转化为电信号输出并被所述数据采集卡(13)记录，数据采集卡(13)将采集的数据传输到所述计算机(14)，

所述计算机(14)对所述数据采集卡(13)采集的至少来自所述第一探测器(8)的信号利用ESPRIT算法进行处理，获得该信号的至少幅值和频率信息；

利用所述ESPRIT算法对来自第一探测器(8)的信号进行处理，获得该信号的至少幅值和频率信息包括以下步骤：

S101、将第一探测器(8)的信号表示为衰减分量的幅值、初始相位、角频率和衰减系数的组合，所述组合表示为：

式中，

表示来自所述第一探测器(8)的信号，/>

，/>

；

表示第P个衰减分量的幅值，/>

表示第P个衰减分量的初始相位，/>

表示第P个衰减分量的角频率，/>

表示第P个衰减分量的衰减系数，Ts表示采样周期；

S102、通过旋转算子间接计算信号各频率参数，其中，所述旋转算子表示为：

φ=diag(z₁，z₂，…，z_p)；

S103、根据所述第一探测器(8)的信号构成Hankel矩阵，并对所述Hankel矩阵进行奇异值分解获得信号子空间V_s和噪声子空间V_n；

S104、通过所述信号子空间V_s和噪声子空间V_n构造矩阵V=[V_s，V_n]，令V₁，V₂分别是信号子空间删除最后一行和第一行后得到的新矩阵，存在可逆矩阵Ψ，运用总体最小二乘法，求出所述可逆矩阵Ψ的最优解，同时误差矩阵E₁和E₂的总体误差最小，则信号中各个分量的幅值和相位分别是a_p＝2|c_p|，φ_p＝arg c_p，通过解算出的所述相位，进而求得混合信号的拍频频率，实现高分辨率测距。

2.根据权利要求1所述的一种用于高分辨率测量的激光测距装置，其特征在于:

测量时，所述可调谐激光器(1)以1KHz的频率稳定地输出激光信号。

3.根据权利要求1所述的一种用于高分辨率测量的激光测距装置，其特征在于:

所述变焦透镜(5)设置在一转动装置上，根据所述外部目标的位置调整所述变焦透镜(5)的方向，使所述变焦透镜(5)面向该外部目标。

4.根据权利要求1所述的一种用于高分辨率测量的激光测距装置，其特征在于:

所述第一分束器(2)为99：1分束器，其中99％的信号经过该第一分束器(2)后进入主光路。

5.根据权利要求1所述的一种用于高分辨率测量的激光测距装置，其特征在于:

所述第二分束器(3)为99：1分束器，所述第三分束器(9)为50：50分束器。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的激光测距装置，其特征在于：

所述主光路中的第一延迟单模光纤(6)和所述辅助光路中的第二延迟单模光纤(10)具有对光程的调节能力，所述第一耦合器(7)和所述第二耦合器(11)中各自耦合的两路光在不同光程影响下发生干涉现象，所述第一探测器(8)和第二探测器(12)将检测到的干涉信号转化为正弦形式信号输出并被所述数据采集卡(13)记录。

7.一种使用如权利要求1-6任意一项所述的激光测距装置的测距方法，其特征在于：包括步骤：

S1、周期性采集主光路的目标电压信号和辅助光路中的重采样电压信号，

S2、以所述重采样电压信号对所述目标电压信号进行重采样处理，获得一系列幅值按指数规律变化的正弦信号与白噪声的组合信号；

S3、将所述组合信号用ESPRIT算法进行处理，获得各信号分量的幅值和相位信息。

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