CN112180390B - 一种测距装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测距装置，包括光源、偏振控制器、第一电光调制器、第二电光调制器、光环形器、耦合器、1/4波片、反射器、检偏器、光电探测器、低通滤波器、信号源、第一自动增益放大器、第二自动增益放大器、测量控制单元。本发明还公开了一种用于测距的方法，利用信号源输出频率连续变化的正弦信号，同时控制第一电光调制器和第二电光调制器对测量光进行调制，测得解调波形参数计算待测距离。本发明结构简单，环境适应性强，可有效抑制调制器非互易非平坦的电学特性引起的测量误差，并且可同时实现大动态范围高精度绝对距离测量。

Description

一种测距装置和方法
技术领域
本发明涉及绝对测距技术领域，特别是一种测距装置和方法。
背景技术
大尺寸空间绝对精密测距是我国大型装备制造中的一项关键技术。传统的绝对距离测量法包括脉冲飞行时间法、鉴相法、多波长干涉法、调频连续波测量法等。其中，脉冲飞行时间法和传统鉴相法的测量精度无法满足精密测距的精度要求；多波长干涉法和调频连续波测距法对测量光的稳定性要求很高，抗干扰性差，无法满足工业现场测量的需求。鉴相法是将激光进行强度调制，通过将测量光路和参考光路比相来实现绝对距离测量，但这种方法的鉴相精度受到电路精度限制，且采用参考光路会引入周期性误差等其他问题，因此测量精度难以提高。
瑞士莱卡公司提出的基于菲索齿轮测光速的测距装置用单个调制器将出射波和回波的相位差信息转化为光强信息，通过计算零相差点对应的频率值解算距离信息，具有较高的测量精度。但是这种方法对空间光路中光线的准直有极高的要求，且所用空间光调制器受到驱动电压和调制带宽的限制，稳定性较低，使得测量范围受到限制，且无法克服调制器非互易性和非平坦的电学特性引起的测量误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种测距装置和方法，本发明的装置结构简单，不需要高相干高稳定性光源；该方法操作简单，可消除环境干扰，克服调制器非互易性和非平坦的电学特性引起的测量误差，实现大动态范围高精度测距。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
根据本发明提出的一种测距装置，包括光源、偏振控制器、第一电光调制器、第二电光调制器、光环形器、耦合器、1/4波片、反射器、检偏器、光电探测器、低通滤波器、信号源、第一自动增益放大器、第二自动增益放大器和测量控制单元；其中，
光源，用于输出直流线偏振光至偏振控制器；
偏振控制器，用于控制直流线偏振光的偏振态，输出偏振光至第一电光调制器；
第一电光调制器，用于根据放大后的第一路高频正弦波信号对偏振光进行调制，输出调制光至光环形器；
光环形器，用于将调制光由其第一端口输入，并由其第二端口注入至耦合器；
耦合器，用于将调制光耦合至自由空间并入射至1/4波片；
1/4波片，用于对通过的调制光形成偏振态的偏转，偏转后的调制光输出至反射器；
反射器，用于对偏转后的调制光进行反射，反射后的光经1/4波片后偏振态旋转90度后再经耦合器、光环行器后输出反射光至第二电光调制器；
第二电光调制器，用于根据放大后的第二路高频正弦波信号对反射光进行解调，解调光经检偏器最终到达光电探测器；
光电探测器，用于将经检偏器后的光信号转换为电信号，电信号经低通滤波器输出至测量控制单元；
测量控制单元，用于控制信号源输出频率连续变化的高频正弦信号，同时采集和处理光电探测器输出的电信号，解算出耦合器到反射器的距离L；
信号源，用于输出频率连续变化的高频正弦信号，该信号分成两路，第一路高频正弦信号经第一自动增益放大器放大后驱动第一电光调制器，第二路高频正弦信号经第二自动增益放大器放大后驱动第二电光调制器。
作为本发明所述的一种测距装置进一步优化方案，所述光源为超辐射发光二极管光源，或ASE光源。
作为本发明所述的一种测距装置进一步优化方案，所述第一电光调制器的输入端口至输出端口的传输特性和第二电光调制器的输入端口至输出端口的传输特性相同。
作为本发明所述的一种测距装置进一步优化方案，第一自动增益放大器和第二自动增益放大器相同。
作为本发明所述的一种测距装置进一步优化方案，所述信号源至第一电光调制器的电缆长度和信号源至第二电光调制器的电缆长度相同。
作为本发明所述的一种测距装置进一步优化方案，所述第一电光调制器和所述第二电光调制器加载的信号幅值、信号频率和相位相同。
作为本发明所述的一种测距装置进一步优化方案，反射器为后向反射器，包括角反射器或猫眼反射器。
基于上述的一种测距装置的测量方法，包括以下步骤：
步骤一、打开光源，启动测量控制单元和信号源，设定信号源输出的正弦波频率、幅值；
步骤二、调节偏振控制器使光电探测器输出的电信号达最大对比度；
步骤三、通过测量控制单元连续采集光电探测器输出的探测信号U，求解相位差
Figure BDA0002689438030000021
为零时对应的调制频率值f1，f2，f3…fi…fm；其中，fi为相位差
Figure BDA0002689438030000022
为零时对应的第i个调制频率值，m为测量的调制频率值的总个数，i＝1,2,3…,m；
步骤四、根据采集的调制频率值，计算波数N1＝[f1/(f2-f1)],N2＝[f2/(f3-f2)],N3＝[f3/(f4-f3)]…，Ni＝[fi/(fi+1-fi)]…,其中，[]为四舍五入取整运算,Ni为第i个波数；
步骤五、求出距离L为
Figure BDA0002689438030000031
其中c为光速，n1为大气折射率，l为光路中的残余长度，l包括耦合器的尾纤长度、光环形器的三个端口尾纤长度、第一电光调制器的输出端口的尾纤长度和第二电光调制器的输入端口的尾纤长度。
作为本发明所述的一种测距装置的测量方法进一步优化方案，所测得的探测信号U和距离L之间有如下关系：
Figure BDA0002689438030000032
其中，
Figure BDA0002689438030000033
为相位差,
Figure BDA0002689438030000034
L为待测耦合器到反射器的距离，E0是光场幅度，n1是大气折射率，n2是光纤折射率，M是第一电光调制器和第二电光调制器的调制深度，J0(*)为零阶贝塞尔公式，f为调制频率。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)本发明方法采用超辐射发光二极管作为光源进行非相干测量，既可以避免光纤背向散射和背向反射对测量精度的影响，又可以提高测量量程；采用电光调制和光学混频技术，可消除空间光路中的大气干扰，提高系统环境适应性；
(2)本发明采用两个电学特性一致的电光调制器分别对测量光进行调制和解调，避免了单调制器的非互易性问题；采用自动增益放大器可有效抑制调制器非平坦的电学特性引起的测量误差；
(3)本发明不需要高相干性高稳定性光源，操作简单，可同时实现大动态范围高精度测距，能消除部分环境干扰和光纤内部散射造成的测量误差，该装置结构简单，成本低廉。
附图说明
图1是绝对测距装置示意图。
图中的附图标记解释为：
1-光源、2-偏振控制器、3-第一电光调制器、4-第二电光调制器、5-光环形器、6-耦合器、7-1/4波片、8-反射器、9-检偏器、10-光电探测器、11-低通滤波器、12-第一自动增益放大器、13-第二自动增益放大器、14-信号源、15-测量控制单元，A-第一电光调制器的输入端口，B-第一电光调制器的输出端口，C-光环形器的第一端口，D-光环形器的第二端口，E-光环形器的第三端口，F-第二电光调制器的输入端口，G-第二电光调制器的输出端口。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。
本发明涉及一种测距装置，如图1所示。包括光源1、偏振控制器2、第一电光调制器3、第二电光调制器4、光环形器5、耦合器6、1/4波片7、反射器8、检偏器9、光电探测器10、低通滤波器11、第一自动增益放大器12、第二自动增益放大器13、信号源14、测量控制单元15。测量控制单元，用于控制信号源14输出频率连续变化的高频正弦信号，并采集和处理光电探测器10输出的电信号，进行距离解算。
测试时，光源1发出的p型偏振光经偏振控制器2调节后，进入第一电光调制器3被偏振调制，此后通过光环形器5进入耦合器6，并被耦合器6耦合至自由空间，经1/4波片进入待测光路，被反射器8反射。反射后再次经1/4波片，偏振态旋转了90度，并被耦合器耦合进光纤光路，经光环形器5后到达第二电光调制器4被再次调制。利用这种方式产生的光强信号可表示为：
Figure BDA0002689438030000041
其中，E0是光场幅度，M是第一电光调制器和第二电光调制器的调制深度，w是调制波角频率。将上式展开可得：
Figure BDA0002689438030000042
上式表明光强信号具有直流分量和倍频分量，由于光电探测器的积分响应速度远低于调制器的调制速度，因而光电转换后的信号被滤除高频项，其表达式为：
Figure BDA0002689438030000043
该表达式为测量光在光路中传播后的混频信号，由于经低通滤波后消除光路中由于环境引起的共模干扰，具有较强的抗干扰性能。上式中相位差
Figure BDA0002689438030000044
光速c和待测距离L的关系为：
Figure BDA0002689438030000045
L为待测距离，l是光路中的残余长度，n1是大气折射率，n2是光纤折射率，c是光速度。因而通过该测量原理可以准确求解待测距离，由于调制频率可达GHz级，因而测距精度可达到μm级，此外，因为属于非相干测量，且消除了光路干扰和环境干扰，因而有望实现长程测量。
按照以下步骤进行长度测量：
步骤一、打开光源，启动测量控制单元和信号源，设定信号源输出的正弦波频率、幅值；
步骤二、调节偏振控制器使光电探测器输出的电信号达最大对比度；
步骤三、通过测量控制单元连续采集光电探测器输出的探测信号U，求解相位差
Figure BDA0002689438030000052
为零时对应的调制频率值f1，f2，f3…fi…fm；其中，fi为相位差
Figure BDA0002689438030000053
为零时对应的第i个调制频率值，m为测量的调制频率值的总个数；
步骤四、根据采集的调制频率值，计算波数N1＝[f1/(f2-f1)],N2＝[f2/(f3-f2)],N3＝[f3/(f4-f3)]…，Ni＝[fi/(fi+1-fi)]…,其中，[]为四舍五入取整运算,Ni为第i个波数；
步骤五、求出待测距离为
Figure BDA0002689438030000051
其中c为光速，n1为大气折射率，l为光路中的残余长度，l包括耦合器的尾纤长度、光环形器的三个端口尾纤长度、第一电光调制器的输出端口的尾纤长度和第二电光调制器的输入端口的尾纤长度。
本发明方法采用超辐射发光二极管作为光源进行非相干测量，既可以避免光纤背向散射和背向反射对测量精度的影响，又可以提高测量量程；采用电光调制和光学混频技术，可消除光路中的共模干扰误差，提高系统环境适应性；采用2个电光调制器和自动增益放大器，可消除电光调制器的非互易性和非平坦的频率特性对测量精度的影响；该装置结构简单，易于调节，成本低廉。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种测距装置，其特征在于，包括光源、偏振控制器、第一电光调制器、第二电光调制器、光环形器、耦合器、1/4波片、反射器、检偏器、光电探测器、低通滤波器、信号源、第一自动增益放大器、第二自动增益放大器和测量控制单元；其中，
光源，用于输出直流线偏振光至偏振控制器；
偏振控制器，用于控制直流线偏振光的偏振态，输出偏振光至第一电光调制器；
第一电光调制器，用于根据放大后的第一路高频正弦波信号对偏振光进行调制，输出调制光至光环形器；
光环形器，用于将调制光由其第一端口输入，并由其第二端口注入至耦合器；
耦合器，用于将调制光耦合至自由空间并入射至1/4波片；
1/4波片，用于对通过的调制光形成偏振态的偏转，偏转后的调制光输出至反射器；
反射器，用于对偏转后的调制光进行反射，反射后的光经1/4波片后偏振态旋转90度后再经耦合器、光环行器后输出反射光至第二电光调制器；
第二电光调制器，用于根据放大后的第二路高频正弦波信号对反射光进行解调，解调光经检偏器最终到达光电探测器；
光电探测器，用于将经检偏器后的光信号转换为电信号，电信号经低通滤波器输出至测量控制单元；
测量控制单元，用于控制信号源输出频率连续变化的高频正弦信号，同时采集和处理光电探测器输出的电信号，解算出耦合器到反射器的距离L；
信号源，用于输出频率连续变化的高频正弦信号，该信号分成两路，第一路高频正弦信号经第一自动增益放大器放大后驱动第一电光调制器，第二路高频正弦信号经第二自动增益放大器放大后驱动第二电光调制器。
2.根据权利要求1所述的一种测距装置，其特征在于，所述光源为超辐射发光二极管光源，或ASE光源。
3.根据权利要求1所述的一种测距装置，其特征在于，所述第一电光调制器的输入端口至输出端口的传输特性和第二电光调制器的输入端口至输出端口的传输特性相同。
4.根据权利要求1所述的一种测距装置，其特征在于，第一自动增益放大器和第二自动增益放大器相同。
5.根据权利要求1所述的一种测距装置，其特征在于，所述信号源至第一电光调制器的电缆长度和信号源至第二电光调制器的电缆长度相同。
6.根据权利要求1所述的一种测距装置，其特征在于，所述第一电光调制器和所述第二电光调制器加载的信号幅值、信号频率和相位相同。
7.根据权利要求1所述的一种测距装置，其特征在于，反射器为后向反射器，包括角反射器或猫眼反射器。
8.基于权利要求1所述的一种测距装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、打开光源，启动测量控制单元和信号源，设定信号源输出的正弦波频率、幅值；
步骤二、调节偏振控制器使光电探测器输出的电信号达最大对比度；
步骤三、通过测量控制单元连续采集光电探测器输出的探测信号U，求解相位差
Figure FDA0002689438020000025
为零时对应的调制频率值f1，f2，f3…fi…fm；其中，fi为相位差
Figure FDA0002689438020000026
为零时对应的第i个调制频率值，m为测量的调制频率值的总个数，i＝1,2,3…,m；
步骤四、根据采集的调制频率值，计算波数N1＝[f1/(f2-f1)],N2＝[f2/(f3-f2)],N3＝[f3/(f4-f3)]…，Ni＝[fi/(fi+1-fi)]…,其中，[]为四舍五入取整运算,Ni为第i个波数；
步骤五、求出距离L为
Figure FDA0002689438020000021
其中c为光速，n1为大气折射率，l为光路中的残余长度，l包括耦合器的尾纤长度、光环形器的三个端口尾纤长度、第一电光调制器的输出端口的尾纤长度和第二电光调制器的输入端口的尾纤长度。
9.根据权利要求8所述的一种测距装置的测量方法，其特征在于，所测得的探测信号U和距离L之间有如下关系：
Figure FDA0002689438020000022
其中，
Figure FDA0002689438020000023
为相位差,
Figure FDA0002689438020000024
L为待测耦合器到反射器的距离，E0是光场幅度，n1是大气折射率，n2是光纤折射率，M是第一电光调制器和第二电光调制器的调制深度，J0(*)为零阶贝塞尔公式，f为调制频率。
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基于二次偏振调制的变频测距方法与系统实现;黑克非等;《物理学报》;20141231;第63卷(第10期);第100602-1至100602-5页 *

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