CN111562564B - 一种调频连续波激光测距非线性校正装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种调频连续波激光测距非线性校正装置，包括：激光器，接收一外部输入电流，并输出当前检测光信号至平衡探测器模块，平衡探测器模块，接收所述当前检测光信号并形成相干光，根据输出差分电流信号至所述处理模块，处理模块，根据获取的差分电流信号，计算的所述相干光频率的非线性系数得到所述输入电流的函数关系式，输出一补偿电流信号至调整模块，调整模块，对接收的补偿电流信号进行线性调整，输出三角波补偿电流信号反馈至所述激光器，用以对所述激光器的输入电流进行电流补偿。相应的，本发明还公开了一种调频连续波激光测距非线性校正方法。通过本发明实现高精度的激光测距。
Description
技术领域
本发明涉及激光测距技术领域，尤其涉及一种调频连续波激光测距非线性校正装置及方法。
背景技术
调频连续波激光测距可实现高精度测距测量，其在激光雷达测距和测速中具有非常好的前景。调频连续波是一种通过测量发射光信号与回波信号相干得到的拍频信号的频域响应来获取被测目标位置、速度等参量的技术，其核心模式一个需要频率线性调制的激光源。
调频连续波激光测距系统可采用线性调频信号和非线性调频信号两种方式。对于线性调频方式，利用周期性的三角波调制信号对连续波可调谐激光器进行线性调制，使得激光器输出的光信号的光频按照调制周期的规律变化，得到线性调频信号。调频连续波激光雷达的恒定功率可以保证电路输出稳定，并且相干检测在抗噪性和可测速方面具有明显优势。但是激光器的工作状态受温度、驱动和工作时长的影响比较明显，造成波长、电流-频率的调制效率、电流-频率线性度的不稳定输出，从而导致激光测距的精度和准确度不能满足需求。
发明内容
鉴于此，本发明提供一种调频连续波激光测距非线性校正装置及方法，实时调整激光器的线性调频指标，实现高精度的激光测距。
为实现上述目的，本发明提供了一种调频连续波激光测距非线性校正装置，所述装置包括激光器、平衡探测器模块、处理模块和调整模块，其中，
所述激光器，用于接收一外部输入电流，并输出当前检测光信号至所述平衡探测器模块；
所述平衡探测器模块，用于接收所述当前检测光信号并形成相干光，并输出差分电流信号至所述处理模块；
所述处理模块，用于根据获取的差分电流信号，计算所述相干光的频率和频谱，根据计算的所述相干光频率的非线性系数得到所述输入电流的函数关系式，输出一补偿电流信号至所述调整模块；
所述调整模块，用于对接收的补偿电流信号进行线性调整，输出三角波补偿电流信号反馈至所述激光器，用以对所述激光器的输入电流进行电流补偿。
优选的，所述平衡探测器模块包括分光器、延时光纤和平衡探测器，其中，所述当前检测光信号经所述分光器后，一路经所述延时光纤输入至所述平衡探测器的第一输入端，另一路直接输入至所述平衡探测器的第二输入端，所述平衡探测器将输入的两路光信号形成相干光，并输出差分电流信号至所述处理模块。
优选的，所述处理模块包括第一计算单元，根据所述平衡探测器形成的干涉光，计算所述干涉光的频率，所述频率的计算公式为式(1)；
f＝γnL/c (1)；
其中，L为所述平衡探测器的臂长差，n为所述平衡探测器的折射率，γ为频率调制速率。
优选的，所述处理模块包括第二计算单元，根据所述激光器的电流与频率的关系，所述当前检测光的频率的函数关系式满足式(2)；
ω＝ω0+ω1I+ω2I2+ω3I3 (2)；
其中，I为所述激光器的外部输入电流，ω0为所述激光器的开机频率，ω1、ω2、ω3为多项式的系数。
优选的，所述处理模块包括第三计算单元，所述激光器输出光频率与时间所满足的关系式为
令
并根据所述频率与时间的关系式计算得到所述相干光的拍频的关系式为
其中，ΔT＝nL/c，ΔT为两束相干光的时间差；
对所述相干光的拍频函数关系式做傅里叶变化后得到所述相干光的频谱和中心频率，并计算得到所述多项式系数ω1、ω2、ω3的值。
优选的，所述处理模块包括第四计算单元，根据所述计算得到的多项式系数，计算得到所述输入电流与时间的非线性函数关系式，并根据所述输入电流的非线性关系式，输出所述补偿电流信号。
优选的，所述装置还包括一测量模块，所述测量模块包括鉴频器、差分运放器和控制单元，其中，
所述鉴频器的一输入端与所述平衡探测器与相连接，其另一输入端输入一参考光信号，其输出端连接至所述差分运放器；
所述差分运放器的另一输入端输入参考三角波信号，其输出端与所述激光器相连接；
所述控制单元根据所述差分运放器输出的电流信号，拟合出所述激光器的电流与频率所述满足的多项式关系的系数。
优选，所述调整模块包括加法器、积分器和翻转器，其中，所述加法器的一输入端连接至所述处理模块，另一输入端外接一直流偏置电流信号，所述加法器的输出端与所述积分器的输入端连接；
所述积分器的输出端与所述激光器的一输入端连接；
所述翻转器的一端与所述直流偏置电路信号连接，另一端与所述积分器的输出端相连接。
为实现上述目的，本发明提供了一种调频连续波激光测距非线性校正方法，所述方法包括：
S1、激光器接收一外部输入电流，并输出当前检测光信号至平衡探测器模块；
S2、所述平衡探测器模块接收所述当前检测光信号并形成相干光，输出差分电流信号至处理模块；
S3、所述处理模块根据获取的差分电流信号，计算所述相干光的频率和频谱，根据计算的所述相干光频率的非线性系数得到所述输入电流的函数关系式，输出一补偿电流信号至所述调整模块；
S4、所述调整模块对接收的补偿电流信号进行线性调整，输出三角波补偿电流信号反馈至所述激光器，用以对所述激光器的输入电流进行电流补偿。
优选的，所述步骤S3包括：
根据所述平衡探测器形成的相干光，计算所述相干光的频率；
根据所述激光器的电流与频率所述满足的多项式关系，以及所述激光器的输出光的频率满足线性关系式，计算得到所述相干光的拍频函数关系式；
对所述相干光的拍频函数关系式做傅里叶变化后得到所述相干光的频谱和中心频率，并计算得到所述多项式关系的系数；
根据所述计算得到的多项式系数，计算得到所述输入电流与时间的非线性函数关系式，并根据所述输入电流的非线性关系式，输出所述补偿电流信号。
与现有技术相比，本发明提供一种调频连续波激光测距非线性校正装置及方法，所带来的有益效果为：基于本发明的在线检测电路，通过对激光器的输入电流进行补偿，实时调整激光器输入电流，进而控制激光器的波长、电流-频率调制效率及电流-频率线性度，使得激光器的电流-频率输出线性稳定，以及使得激光器的线性调频指标得到满足，从而实现了高精度、高准确度的激光测距和雷达测速。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的调频连续波激光测距非线性校正装置的系统示意图。
图2是根据本发明的一个实施例的调频连续波激光测距非线性校正方法的流程示意图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述，但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
如图1所示的本发明的一个实施例，本发明提供一种调频连续波激光测距非线性校正装置，所述装置包括激光器10、平衡探测器模块11、处理模块12和调整模块13，其中，
所述激光器10，用于接收一外部输入电流，并输出当前检测光信号至所述平衡探测器模块11；
所述平衡探测器模块11，用于接收所述当前检测光信号并形成相干光，并输出差分电流信号至所述处理模块12；
所述处理模块12，用于根据获取的差分电流信号，计算所述相干光的频率和频谱，根据计算的所述相干光频率的非线性系数得到所述输入电流的函数关系式，输出一补偿电流信号至所述调整模块13；
所述调整模块13，用于对接收的补偿电流信号进行线性调整，输出三角波补偿电流信号反馈至所述激光器10，用以对所述激光器的输入电流进行电流补偿。
所述激光器的驱动为电流控制，比如波长控制电流、增益电流、放大电流和温控电流等。所述激光器接收一外部输入电流，在所述外部输入电流的控制下，所述激光器输出光信号，将所述激光器当前输出的一部分光信号作为检测光。所述激光器将所述检测光输出至所述平衡探测器模块。
所述平衡探测器模块接收所述当前检测光信号并形成相干光，并输出差分电流信号至所述处理模块。具体地，所述平衡探测器模块包括分光器、延时光纤和平衡探测器，所述当前检测光信号经所述分光器后，一路当前检测光信号经所述延时光纤输入至所述平衡探测器的第一输入端，另一路当前检测光信号直接输入至所述平衡探测器的第二输入端，所述平衡探测器将输入的两路光信号形成相干光，并输出差分电流信号至所述处理模块。所述平衡探测器的输出电流随着激光器波长的改变而改变，即其输出电流与激光器的波长有着对应的曲线光系。所述平衡探测器为非平衡马赫曾德干涉器。马赫曾德干涉器的分和波器件可以为MMI、直接耦合、Y形分支等，也可以是芯片集成，或者可以是光纤分立系统。
所述处理模块根据获取的差分电流信号，根据获取的差分电流信号，计算所述相干光的频率和频谱，根据计算的所述相干光频率的非线性系数得到所述输入电流的函数关系式，输出一补偿电流信号至所述调整模块。通过得到所述激光器的输入电流的非线性函数关系，来输出补偿电流信号到所述激光器，对所述激光器的输入电流进行补偿，使所述激光器的输入电流呈稳定线性关系，从而使得激光器的线性调频指标得到满足。
根据本发明的一具体实施例，所述处理模块包括第一计算单元，根据所述平衡探测器形成的干涉光，计算所述干涉光的频率，所述频率的计算公式为式(1)；
f＝γnL/c；
其中，L为所述平衡探测器的臂长差，n为所述平衡探测器的折射率，γ为频率调制速率。γ可根据经验设置，比如，当激光器扫描周期为10us，调频区间为5～10Ghz时，通过计算得到γ为0.5～1GHz/s，设定该值为γ的经典值。
根据本发明的一具体实施例，所述处理模块包括第二计算单元，根据所述激光器的电流与频率的关系，所述当前检测光的频率的函数关系式满足式(2)；
ω＝ω0+ω1I+ω2I2+ω3I3 (2)；
其中，I为所述激光器的外部输入电流，ω0为所述激光器的开机频率，ω1、ω2、ω3为多项式的系数。
根据本发明的一具体实施例，所述处理模块包括第三计算单元，所述激光器输出光频率与时间所满足的关系式为
令
并根据所述频率与时间的关系式计算得到所述相干光的拍频的关系式为Aω1ΔT+2A2ω2ΔTt+3A3ω3ΔT(t2-ΔTt)；
其中，ΔT＝nL/c，ΔT为两束相干光的时间差；
对所述相干光的拍频函数关系式做傅里叶变化后得到所述相干光的频谱和中心频率，对应的中心频率为Aω1ΔT，并计算得到所述多项式系数ω1、ω2、ω3的值。
根据本发明的一具体实施例，所述处理模块包括第四计算单元，由上述计算式得知所述输入电流与时间的函数关系式与所述多项式系数有关，根据所述计算得到的多项式系数，就可计算得到所述输入电流与时间的非线性函数关系式，并根据所述输入电流的非线性关系式，输出所述补偿电流信号，调整所述激光器的输入电流，使所述激光器的输入电流呈线性关系。
根据本发明的一具体实施例，所述装置还包括一测量模块。通过该测量模块模拟出所述多项式系数ω1、ω2、ω3的值。所述测量模块包括鉴频器、差分运放器和控制单元，其中，所述鉴频器的一输入端与所述平衡探测器与相连接，其另一输入端输入一参考频率，所述参考频率与所述激光器的输出光的参考频率一致，其输出端连接至所述差分运放器；所述差分运放器的另一输入端输入参考三角波信号，其输出端与所述激光器相连接；所述控制单元根据所述差分运放器输出的电流信号，拟合出所述激光器的电流与频率所述满足的多项式关系的系数。所述激光器输出的光分两路，一路经过延时光纤进入所述平衡探测器，一路直接进入所述平衡探测器，两束光在所述平衡探测器中形成相干光，所述相干光产生差分电流信号输入至所述鉴频器，所述鉴频器输入一外部参考光信号，将所述外部参考光信号与所述相干光信号进行差分计算得到差分信号，将所述差分信号输入至所述差分运放器，所述差分运放器将所述差分信号与一外部的参考三角波信号进行运算，使得所述差分运放器的输出为零时，获取所述激光器的输入电流，此时所述激光器的输出频率呈线性关系，根据测得所述激光器的输入电流，计算得到所述多项式的系数。
所述调整模块对接收的补偿电流信号进行线性调整，输出三角波补偿电流信号反馈至所述激光器，用以对所述外部输入电流进行电流补偿。所述调整模块包括加法器和积分器，所述加法器的一输入端连接至所述处理模块，另一输入端外接一直流偏置电流信号，所述加法器的输出端与所述积分器的输入端连接，所述积分器的输出端与所述激光器的一输入端连接。所述调整模块还包括一翻转器，所述翻转器的一端与所述直流偏置电路信号连接，另一端与所述积分器的输出端相连接。所述处理模块输出补偿电流信号至所述加法器，所述加法器外加一直流偏置电流，将所述补偿电流信号和直流偏置电流进行叠加，输入至所述积分器。该直流偏置电流值的设置根据实验分析所得，与所选择的激光器、积分器等器件型号相关。所述积分器的控制电压为所述补偿电流信号和直流偏置电流，通过该积分器产生三角波电流，该三角波电流反馈至激光器的输入端，三角波电流是一个微量的电流调整，实现激光器的调频效率控制和波长-电流飞线性度的扰动电流补偿，使得激光器的电流和频率呈线性比例。当所述积分器的输出电流大于预设值时，所述直流偏置电流值的改变为负值，形成三角波电流的下坡。通过该翻转器实现输出三角波电流的上啁啾调制和下啁啾调制，实现三角波电流的上调频和下调频，使得三角波的电流和频率成线性，以便于分离距离和速度带来的拍频响应。翻转器可以为回滞比较器。可通过比较器实现所述积分器的翻转。因为激光器的波长和电流在小范围内近似线性，通过积分器输出微量的补偿电流，使得激光器的输入电流不需要大动态范围变动，降低了对控制源和扰动补偿的精度要求。
如图2所示的本发明的一个实施例，本发明提供一种调频连续波激光测距非线性校正方法，所述方法包括：
S201、激光器接收一外部输入电流，并输出当前检测光信号至平衡探测器模块；
S202、所述平衡探测器模块接收所述当前检测光信号并形成相干光，输出差分电流信号至处理模块；
S203、所述处理模块根据获取的差分电流信号，计算所述相干光的频率和频谱，根据计算的所述相干光频率的非线性系数得到所述输入电流的函数关系式，输出一补偿电流信号至所述调整模块；
S204、所述调整模块对接收的补偿电流信号进行线性调整，输出三角波补偿电流信号反馈至所述激光器，用以对所述激光器的输入电流进行电流补偿。
所述激光器接收一外部输入电流，在所述外部输入电流的控制下，所述激光器输出光信号，将所述激光器当前输出的一部分光信号作为检测光。所述激光器将所述检测光输出至所述平衡探测器模块。所述当前检测光信号经分光器后，一路当前检测光信号经所述延时光纤输入至所述平衡探测器的第一输入端，另一路当前检测光信号直接输入至所述平衡探测器的第二输入端，所述平衡探测器将输入的两路光信号形成相干光，并输出差分电流信号至所述处理模块。所述平衡探测器的输出电流与激光器的波长有着对应的曲线光系。
所述处理模块所述处理模块根据获取的差分电流信号，计算所述相干光的频率和频谱，根据计算的所述相干光频率的非线性系数得到所述输入电流的函数关系式，输出一补偿电流信号至所述调整模块。具体地，根据所述平衡探测器形成的相干光，计算所述相干光的频率；根据所述激光器的电流与频率所述满足的多项式关系，以及所述激光器的输出光的频率满足线性关系式，计算得到所述相干光的拍频函数关系式；对所述相干光的拍频函数关系式做傅里叶变化后得到所述相干光的频谱和中心频率，并计算得到所述多项式关系的系数；根据所述计算得到的多项式系数，计算得到所述输入电流与时间的非线性函数关系式，并根据所述输入电流的非线性关系式，输出所述补偿电流信号。
所述调整模块对接收的补偿电流信号进行线性调整，输出三角波补偿电流信号反馈至所述激光器，用以对所述激光器的输入电流进行电流补偿。使所述激光器的输入电流呈线性关系，从而使得激光器的输出频率呈线性稳定关系。
尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施方式，但是本领域的普通技术人员将意识到，在不脱离由所附的权利要求书公开的本发明的范围和精神的情况下，各种改进、增加以及取代是可能的。
Claims (5)
1.一种调频连续波激光测距非线性校正装置，其特征在于，所述装置包括激光器、平衡探测器模块、处理模块和调整模块，其中；
所述激光器，用于接收一外部输入电流，并输出当前检测光信号至所述平衡探测器模块；
所述平衡探测器模块，用于接收所述当前检测光信号并形成相干光，并输出差分电流信号至所述处理模块；
所述处理模块，用于根据获取的差分电流信号，计算所述相干光的频率和频谱，根据计算的所述相干光频率的非线性系数得到所述输入电流的函数关系式，输出一补偿电流信号至所述调整模块；
所述调整模块，用于对接收的补偿电流信号进行线性调整，输出三角波补偿电流信号反馈至所述激光器，用以对所述激光器的输入电流进行电流补偿；所述处理模块具体包括第一计算单元、第二计算单元、第三计算单元和第四计算单元，其中，
所述第一计算单元，用于根据平衡探测器形成的干涉光，计算所述干涉光的频率，频率的计算公式为式(1)：
f＝γnL/c (1)；
其中，L为平衡探测器的臂长差，n为平衡探测器的折射率，γ为频率调制速率；
所述第二计算单元，用于根据激光器的电流与频率的关系，得到所述当前检测光的频率的函数关系式满足式(2)：
ω＝ω0+ω1I+ω2I2+ω3I3 (2)；
其中，I为激光器的外部输入电流，ω0为激光器的开机频率，ω1、ω2、ω3为多项式的系数；
所述第三计算单元，用于根据激光器输出的光的频率与时间所满足的关系式为
令
并根据光的频率与时间的关系式计算得到相干光的拍频函数关系式为Aω1ΔT+2A2ω2ΔTt+3A3ω3ΔT(2t-ΔT)t，对所述相干光的拍频函数关系式做傅里叶变化后得到所述相干光的频谱和中心频率，并计算得到多项式系数ω1、ω2、ω3的值，其中，ΔT＝nL/c，ΔT为两束相干光的时间差；
所述第四计算单元，用于根据计算得到的多项式系数，计算得到所述输入电流与时间的非线性函数关系式，并根据所述输入电流与时间的非线性函数关系式，输出所述补偿电流信号。
2.如权利要求1所述的调频连续波激光测距非线性校正装置，其特征在于，所述平衡探测器模块包括分光器、延时光纤和平衡探测器，其中，所述当前检测光信号经所述分光器后，一路经所述延时光纤输入至所述平衡探测器的第一输入端，另一路直接输入至所述平衡探测器的第二输入端，所述平衡探测器将输入的两路光信号形成相干光，并输出差分电流信号至所述处理模块。
3.如权利要求2所述的调频连续波激光测距非线性校正装置，其特征在于，所述装置还包括一测量模块，所述测量模块包括鉴频器、差分运放器和控制单元，其中，
所述鉴频器的一输入端与所述平衡探测器与相连接，其另一输入端输入参考光信号，其输出端连接至所述差分运放器；
所述差分运放器的另一输入端输入参考三角波信号，其输出端与所述激光器相连接；
所述控制单元根据所述差分运放器输出的电流信号，拟合出所述激光器的电流与频率满足的多项式关系的系数。
4.如权利要求2所述的调频连续波激光测距非线性校正装置，其特征在于，所述调整模块包括加法器、积分器和翻转器，其中，
所述加法器的一输入端连接至所述处理模块，另一输入端外接一直流偏置电流信号，所述加法器的输出端与所述积分器的输入端连接；
所述积分器的输出端与所述激光器的一输入端连接；
所述翻转器的一端与所述直流偏置电路信号连接，另一端与所述积分器的输出端相连接。
5.一种如权利要求1-4任一所述的调频连续波激光测距非线性校正装置的校正方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、激光器接收一外部输入电流，并输出当前检测光信号至平衡探测器模块；
S2、所述平衡探测器模块接收所述当前检测光信号并形成相干光，输出差分电流信号至处理模块；
S3、所述处理模块根据获取的差分电流信号，计算所述相干光的频率和频谱，根据计算的所述相干光频率的非线性系数得到所述输入电流的函数关系式，输出一补偿电流信号至所述调整模块；
S4、所述调整模块对接收的补偿电流信号进行线性调整，输出三角波补偿电流信号反馈至所述激光器，用以对所述激光器的输入电流进行电流补偿；
所述步骤S3具体包括：
根据平衡探测器形成的相干光，计算所述相干光的频率，频率的计算公式为式(1)：
f＝γnL/c (1)；
其中，L为平衡探测器的臂长差，n为平衡探测器的折射率，γ为频率调制速率；
激光器的电流与频率满足的多项式关系为：
ω＝ω0+ω1I+ω2I2+ω3I3 (2)，
其中，I为激光器的外部输入电流，ω0为激光器的开机频率，ω1、ω2、ω3为多项式的系数；
激光器的输出的光的频率满足线性关系式为
令
并根据光的频率与时间的关系式计算得到所述相干光的拍频函数关系式为Aω1ΔT+2A2ω2ΔTt+3A3ω3ΔT(t2-ΔTt)，
其中，ΔT＝nL/c，ΔT为两束相干光的时间差；
对所述相干光的拍频函数关系式做傅里叶变化后得到所述相干光的频谱和中心频率，并计算得到多项式系数ω1、ω2、ω3的值；
根据计算得到的多项式系数，计算得到所述输入电流与时间的非线性函数关系式，并根据输入电流与时间的非线性函数关系式，输出所述补偿电流信号。
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