CN111948664A - 基于色散系数调制的调频连续波激光雷达色散补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于色散系数调制的调频连续波激光雷达色散补偿方法。在调频连续波激光测距系统中为了消除激光调制非线性，往往采用双干涉光路，以辅助干涉仪的信号作为重采样时钟。但这两个干涉光路存在的色散失配现象会导致测距分辨率和精度的降低。本发明利用延时光纤端面反射的干涉信号在重采样过程中不受色散影响的特点，对其进行色散系数调制，并以其作为基准对目标反射的重采样信号再次进行等相位间隔的采样，由此消除两个干涉光路色散失配对距离测量带来的影响。此方法无需重复迭代补偿色散引入的相位误差，在初次确定色散调制系数后可以直接对其他测量结果进行色散补偿，极大的简化了色散补偿的效率和速度。

Description

基于色散系数调制的调频连续波激光雷达色散补偿方法
技术领域
本发明涉及属于高精度调频连续波激光雷达绝对距离测量的技术领域，具体涉及一种基于色散系数调制的调频连续波激光雷达色散补偿方法。
背景技术
调频激光激光雷达为了实现高精度和高分辨率的测量需要借助辅助干涉仪进行重采样来消除激光调制非线性的影响。但是光纤辅助干涉仪和目标测距干涉光路存在色散失配现象，使得测距效果下降。如图2所示，随着测量目标距离的增加，基于重采样方法得到的目标距离谱误差逐渐增大，分辨率逐渐下降。
发明内容
本发明的目的是为了解决光纤辅助干涉仪和目标测距干涉光路存在的色散失配问题，提供了一种高分辨率调频连续波激光雷达测距中基于色散系数调制的色散补偿方法。
本发明采用的技术方案为：一种基于色散系数调制的调频连续波激光雷达色散补偿方法，所述方法利用的测量系统包括调频激光器、50m延时光纤、10m延时光纤、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器4、第五耦合器、第一探测器、第二探测器、光纤环路器、准直器和数据采集卡，其中：
第一耦合器和第二耦合器为功分比是90：10的1*2的耦合器；第三耦合器、第四耦合器和第五耦合器均为3dB耦合器；
外腔式激光器的调频激光进入第一耦合器分成两路。90％的激光进入第二耦合器分成两路，一路作为本振激光，另一路通过环路器经一段10m延时光纤后打到待测目标，回光再通过环路器返回与本振激光在第三耦合器处相干，由第一探测器得到测距光路的干涉信号，剩下10％的激光经过第四耦合器分成两路，一路作为本振，一路经过50m的延时光纤，于第五耦合器相干并在第二探测器得到辅助干涉光路的信号。
以第二探测器得到的干涉信号的峰谷位置对应的时刻为重采样的时间点对第一探测器得到的干涉信号进行重采样，得到的重采样信号主要由两部分组成：延时光纤端面反射信号(不受色散影响)和目标反射信号(受色散影响)，其表达式可以表示为：
Figure BDA0002637160290000021
Figure BDA0002637160290000022
其中，Efiber和Em分别代表延时光纤端面反射和目标反射信号的幅值，τAux代表50m延时光纤对应的群延迟，τfiber代表10m延时光纤对应的群延迟，τair代表激光在空气中传播的群时延(代表激光打到目标上的往返时间)，N表示采样点序号，β2代表光纤色散系数，vg代表激光在单模光纤中的群速度。
利用线性带通滤波器得到延时光纤端面和目标对应的干涉信号。对目标干涉信号和延时光纤端面信号进行相位运算，得到Esub(N)：
Figure BDA0002637160290000023
对光纤端面对应的干涉信号进行色散系数调制得到信号EMf(N)：
Figure BDA0002637160290000024
利用峰值演化消畸的方法完成对光纤色散调制系数
Figure BDA0002637160290000025
的标定以方实现对其他测距过程的快速色散补偿。
经过色散系数调制后，此时Esub(N)和EMf(N)之间的相位具有比例关系，由于光纤端面对应的距离已知，我们可以利用EMf(N)作为Esub(N)的采样时钟，对其进行等相位间隔的重采样来消除辅助干涉仪和目标测量光路色散失配对目标距离测量的影响。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明不需要迭代计算补偿色散失配引入的相位，只需初次确定色散调制系数就可以快速实现色散失配补偿，极大提高了补偿的速度、降低了计算量。
附图说明
图1为本发明一种基于色散系数调制的调频连续波激光雷达色散补偿方法系统图；
图2为色散失配对不同距离目标测距影响的距离谱仿真图。
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。
本发明的目的是为了解决光纤辅助干涉仪和目标测距干涉光路存在的色散失配问题，提供了一种基于色散系数调制的调频连续波激光雷达色散补偿方法。
为了解决该问题，本发明采用的技术方案为：一种基于色散系数调制的调频连续波激光雷达色散补偿方法，所述方法实现系统包括调频激光器、50m延时光纤、10m延时光纤、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器、第一探测器、第二探测器、光纤环路器、准直器和数据采集卡，其中：
第一耦合器和第二耦合器为功分比是90：10的1*2的耦合器；第三耦合器、第四耦合器和第五耦合器均为3dB耦合器；
外腔式激光器的调频激光进入第一耦合器分成两路。90％的激光进入第二耦合器分成两路，一路作为本振激光，另一路通过环路器经一段10m延时光纤后打到待测目标，回光再通过环路器返回与本振激光于第三耦合器处相干，由第一探测器得到测距光路的干涉信号。剩下10％的激光经过第四耦合器分成两路，一路作为本振，一路经过50m的延时光纤，于第五耦合器相干并在第二探测器得到辅助干涉光路的信号。
以第二探测器得到的干涉信号的峰谷位置对应的时刻为重采样的时间点对第一探测器得到的干涉信号进行重采样，得到的重采样信号主要由两部分组成：不受色散影响的延时光纤端面反射信号和受色散影响的目标反射信号，其表达式可以表示为：
Figure BDA0002637160290000031
Figure BDA0002637160290000032
其中，Efiber和Em分别代表延时光纤端面反射和目标反射信号的幅值，τAux代表50m延时光纤对应的群延迟，τfiber代表10m延时光纤对应的群延迟，τair代表激光在空气中传播的群时延，N表示采样点序号，β2代表光纤色散系数，vg代表激光在单模光纤中的群速度。
利用线性带通滤波器得到延时光纤端面和目标对应的干涉信号。对目标干涉信号和延时光纤端面信号进行相位运算，得到Esub(N)：
Figure BDA0002637160290000041
对光纤端面对应的干涉信号进行色散系数调制得到信号EMf(N)：
Figure BDA0002637160290000042
色散调制系数的确定需要利用峰值演化消畸的方法完成对光纤色散参数
Figure BDA0002637160290000043
的标定以方便利用此方法对其他测距过程实现快速色散补偿。
经过色散系数调制后，此时Esub(N)和EMf(N)之间的相位具有比例关系，由于光纤端面对应的距离已知，我们可以利用EMf(N)作为Esub(N)的采样时钟，对其进行等相位间隔的重采样来消除辅助干涉仪和目标测量光路色散失配对目标距离测量的影响。

Claims (8)

1.一种基于色散系数调制的调频连续波激光雷达色散补偿方法，其特征在于：所述方法利用的测量系统包括调频激光器、50m延时光纤、10m延时光纤、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器、第五耦合器、第一探测器、第二探测器、光纤环路器、准直器和数据采集卡，其中：
第一耦合器和第二耦合器为功分比是90：10的1*2的耦合器；第三耦合器、第四耦合器和第五耦合器均为3dB耦合器；
外腔式激光器的调频激光进入第一耦合器分成两路，90％的激光进入第二耦合器分成两路，一路作为本振激光，另一路通过环路器经一段10m延时光纤后打到待测目标，回光再通过环路器返回与本振激光于第三耦合器处相干，由第一探测器得到测距光路的干涉信号，剩下10％的激光经过第四耦合器分成两路，一路作为本振，一路经过50m的延时光纤，于第五耦合器相干并在第二探测器得到辅助干涉光路的信号。
2.根据权利要求1所述的基于色散系数调制的调频连续波激光雷达色散补偿方法，其特征在于：第二探测器得到辅助干涉光路的信号，以其谷峰位置处对应的时间点作为对测距光路干涉信号的重采样时刻，实现等相位采样。
3.根据权利要求1所述的基于色散系数调制的调频连续波激光雷达色散补偿方法，其特征在于：以第二探测器得到的干涉信号的峰谷位置对应的时刻为重采样的时间点对第一探测器得到的干涉信号进行重采样，得到的重采样信号主要由两部分组成：不受色散影响的延时光纤端面反射信号和受色散影响的目标反射信号，其表达式可以表示为：
Figure FDA0002637160280000011
Figure FDA0002637160280000012
其中，Efiber和Em分别代表延时光纤端面反射和目标反射信号的幅值，τAux代表50m延时光纤对应的群延迟，τfiber代表10m延时光纤对应的群延迟，τair代表激光在空气中传播的群时延即代表激光打到目标上的往返时间，N表示采样点序号，β2代表光纤色散系数，vg代表激光在单模光纤中的群速度。
4.根据权利要求1所述的基于色散系数调制的调频连续波激光雷达色散补偿方法，其特征在于：利用线性带通滤波器得到延时光纤端面和目标对应的干涉信号。
5.根据权利要求1所述的基于色散系数调制的调频连续波激光雷达色散补偿方法，其特征在于：对目标干涉信号和延时光纤端面信号进行相位运算，得到Esub(N)：
Figure FDA0002637160280000021
6.根据权利要求1所述的基于色散系数调制的调频连续波激光雷达色散补偿方法，其特征在于：对光纤端面对应的干涉信号进行色散系数调制得到信号EMf(N)：
Figure FDA0002637160280000022
7.根据权利要求1所述的基于色散系数调制的调频连续波激光雷达色散补偿方法，其特征在于：利用峰值演化消畸的方法完成对光纤色散调制系数
Figure FDA0002637160280000023
的标定以方实现对其他测距过程的快速色散补偿。
8.根据权利要求1所述的基于色散系数调制的调频连续波激光雷达色散补偿方法，其特征在于：此时Esub(N)和EMf(N)之间的相位具有比例关系，由于光纤端面对应的距离已知，可以利用EMf(N)作为Esub(N)的采样时钟，对其进行等相位间隔重采样来消除色散对目标距离测量的影响。
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