CN111694008A - 一种扫频相干测距中激光跳模影响的消除方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种扫频相干测距中激光跳模影响的消除方法，本发明中调频激光分别进入辅助干涉仪和测量干涉仪，数据采集卡同时采样得到两路信号分别为IAux(t)和Im(t)。提取IAux(t)信号极大值和极小值对应的时刻点，并在这些时刻点处对Im(t)进行二次采样得到Im(n)，Im(n)信号明显存在畸变的位置即为激光跳模处。对Im(n)进行Hilbert变换提取信号的实时相位，在跳模处两端对相位一致的两个时刻点进行相位拼接并对相位拼接后的采样信号进行FFT变换，结合频谱峰值对应的频率和辅助干涉仪的光程差即可得到目标的距离信息。

Description

一种扫频相干测距中激光跳模影响的消除方法
技术领域
本发明涉及激光测距的技术领域，具体涉及一种扫频相干测距中激光跳模影响的消除方法。
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1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。
将辅助干涉路的拍频作为重采样的时钟，在辅助干涉信号的谷峰位置点(即极大值和极小值点)对测量干涉信号进行重采样来消除激光器扫频非线性对距离测量带来的影响，其重采样后的测量信号可以表示为：
Figure BDA0002528838430000011
其中τ0代表调频激光经过延时光纤的延时，τm为测量路激光打到目标往返的时间延时，n代表重采样点的序号。
外腔半导体激光器在大带宽扫频过程中，由于扫描机械器件的迟滞效应和腔内温度变化影响，往往会产生激光跳模现象。如图2所示，在激光跳模处，干涉信号IAux(t)出现很大的强度噪声，对信号幅度极值点的提取带来很大的影响。通常在实验中遇到激光跳模现象时，往往舍去此次测量结果。
如图3所示，在IAux(t)信号极值点处对测量干涉信号Im(t)进行二次采样会产生明显的信号畸变，对存在信号畸变的重采样信号进行FFT变换会严重影响其频率的计算精度，进而影响目标距离的计算。
发明内容
本发明的目的是为了解决基于重采样方法的扫频激光器跳模现象对目标距离测量的影响，本发明提供一种扫频相干测距中激光跳模影响的消除方法。
本发明采用的技术方案为：一种扫频相干测距中激光跳模影响的消除方法，所述测量系统包括调频激光器、第一耦合器1、第二耦合器2、第三耦合器3、第四耦合器4、第五耦合器5、第一探测器、第二探测器、环形器、数据采集卡、延时光纤。
第一耦合器1和第二耦合器2为功分比是90：10的耦合器；第三耦合器3、第四耦合器4和第五耦合器5均为3dB耦合器。
调频激光进入第一耦合器1分成两路。功分比为90的一路进入测量干涉仪，功分比为10的一路进入辅助干涉仪。
进入测量干涉仪的激光经第二耦合器2分成两路，功分比为90的一路经环形器打到待测目标上，回光与另一路激光在第四耦合器4相干，由第一探测器得到其干涉信号，最后被数据采集卡采集得到信号Im(t)。
进入辅助干涉仪的激光经第三耦合器3分成两路，一路经过延时光纤，另一路作为本振激光，两束激光在第五耦合器5相干，由第二探测器得到其干涉信号，最后由数据采集卡采集得到IAux(t)。
第二探测器2得到的外部时钟信号IAux(t),利用寻找极值算法找到它的极大值和极小值对应的时刻点，并按照先后顺序得到数组tn。
将第一探测器1得到的干涉信号Im(t)在tn的值取出，组成新的信号Im(n)，其中n表示数组tn中元素的序号。
Im(n)的信号存在明显畸变的地方即为激光跳模处，对Im(n)进行Hilbert变换提取信号的实时相位，在跳模处两端相位一致的两个时刻点进行相位拼接得到信号Irm(n)并对其进行FFT变换，结合频谱峰值对应的频率和辅助干涉仪的光程差即可得到目标的距离信息，
Figure BDA0002528838430000021
其中，c代表光速，
Figure BDA0002528838430000022
表示求导，
Figure BDA0002528838430000023
代表Irm(n)的相位，τ0代表调频激光经过延时光纤的延时。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明中调频激光分别进入辅助干涉仪和测量干涉仪，数据采集卡同时采样得到两路信号分别为IAux(t)和Im(t)。提取IAux(t)信号极大值和极小值对应的时刻点，并在这些时刻点处对Im(t)进行二次采样得到Im(n)，Im(n)信号明显存在畸变的位置即为激光跳模处。对Im(n)进行Hilbert变换提取信号的实时相位，在跳模处两端对相位一致的两个时刻点进行相位拼接并对相位拼接后的采样信号进行FFT变换，结合频谱峰值对应的频率和辅助干涉仪的光程差即可得到目标的距离信息。
附图说明
图1为基于重采样方法的扫频相干测距系统图。
图2为激光跳模处辅助干涉信号IAux(t)。
图3为激光跳模处重采样信号Im(n)。
图中：1为第一耦合器，2为第二耦合器，3为第三耦合器，4为第四耦合器，5为第五探测器。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
所述测量系统包括调频激光器、第一耦合器1、第二耦合器2、第三耦合器3、第四耦合器4、第五耦合器5、第一探测器、第二探测器、环形器、数据采集卡、延时光纤。
耦合器1和耦合器2为功分比是90：10的耦合器；耦合器3、耦合器4和耦合器5均为3dB耦合器。
外腔式激光器的调频激光进入耦合器1分成两路。功分比为90的一路进入测量干涉仪，功分比为10的一路进入辅助干涉仪。
进入测量干涉仪的激光经耦合器2分成两路，功分比为90的一路经环形器打到待测目标上，回光与另一路激光在耦合器4相干，由探测器1得到其干涉信号，最后被数据采集卡采集得到信号Im(t)。
进入辅助干涉仪的激光经耦合器3分成两路，一路经过延时光纤，另一路作为本振激光，两束激光在耦合器5相干，由探测器2得到其干涉信号，最后被数据采集卡采集得到IAux(t)。
探测器2得到的外部时钟信号IAux(t),利用寻找极值算法找到它的极大值和极小值对应的时刻点，并按照先后顺序得到数组tn。
将探测器1得到的干涉信号Im(t)在tn的值取出，组成新的信号Im(n)，其中n表示数组tn中元素的序号。
如图2所示，Im(n)的信号存在明显畸变的地方即为激光跳模处。对Im(n)进行Hilbert变换提取信号的实时相位，在跳模处两端对最接近的相位一致的两个时刻点进行相位拼接得到信号Irm(n)并对其进行FFT变换，结合频谱峰值对应的频率和辅助干涉仪的光程差即可得到目标的距离信息，
Figure BDA0002528838430000041
c代表光速，
Figure BDA0002528838430000042
表示求导，
Figure BDA0002528838430000043
代表Irm(n)的相位。τ0代表调频激光经过延时光纤的延时。

Claims (5)

1.一种扫频相干测距中激光跳模影响的消除方法，其特征在于：所述方法利用的测量系统包括调频激光器(ECDL)、第一耦合器(1)、第二耦合器(2)、第三耦合器(3)、第四耦合器(4)、第五耦合器(5)、第一探测器、第二探测器、环形器、数据采集卡、延时光纤；第一耦合器(1)和第二耦合器(2)为功分比是90：10的耦合器；第三耦合器(3)、第四耦合器(4)和第五耦合器(5)均为3dB耦合器；调频激光进入第一耦合器(1)分成两路；功分比为90的一路进入测量干涉仪，功分比为10的一路进入辅助干涉仪；进入测量干涉仪的激光经第二耦合器(2)分成两路，功分比为90的一路经环形器打到待测目标上，回光与另一路激光在第四耦合器(4)相干，由第一探测器得到其干涉信号，最后被数据采集卡采集得到信号Im(t)；进入辅助干涉仪的激光经第三耦合器(3)分成两路，一路经过延时光纤，另一路作为本振激光，两束激光在第五耦合器(5)相干，由第二探测器得到其干涉信号，最后被数据采集卡采集得到IAux(t)。
2.根据权利要求1所述的扫频相干测距中激光跳模影响的消除方法，其特征在于，对第二探测器(2)得到的外部时钟信号IAux(t)，利用寻找极值算法得到信号的极大值和极小值对应的时刻点，并按照先后顺序排列得到数组tn。
3.根据权利要求1所述的扫频相干测距中激光跳模影响的消除方法，其特征在于，将第一探测器得到的干涉信号Im(t)在tn的值取出，组成新的信号Im(n)，其中n表示数组tn中元素的序号。
4.根据权利要求1所述的扫频相干测距中激光跳模影响的消除方法，其特征在于，Im(n)的信号存在明显畸变的地方即为激光跳模处。
5.根据权利要求1所述的扫频相干测距中激光跳模影响的消除方法，其特征在于，对Im(n)进行Hilbert变换提取信号的实时相位，在跳模处两端对相位一致的两个时刻点进行相位拼接得到信号Irm(n)并对其进行FFT变换，结合频谱峰值对应的频率和辅助干涉仪的光程差即可得到目标的距离信息，
Figure FDA0002528838420000011
其中，c代表光速，
Figure FDA0002528838420000012
表示求导，
Figure FDA0002528838420000013
代表Irm(n)的相位，τ0代表调频激光经过延时光纤的延时。
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