CN112415534B - 一种基于强度调制的绝对距离测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于强度调制的绝对距离测量装置，包括激光器、激光器驱动部分、激光器温度控制部分、信号源部分、MZ电光调制器、MZ调制器偏置部分、光纤互连系统、光束扩束镜组部分、角反射镜、光电接收及信号调理部分和控制及数字信号处理部分，所述激光器驱动部分的输出端与所述激光器连接，所述激光器温度控制部分与所述激光器连接，构成自动恒温控制系统，所述MZ调制器偏置部分的输出端与所述MZ电光调制器连接，所述激光器的输出端与所述光纤互连系统连接，所述激光器输出功率恒定的光信号进入所述光纤互连系统。本发明的有益效果是：提高了测距精度，成本低，体积小，系统可靠性和稳定性较好，对光学装配工艺要求较低。

Description

一种基于强度调制的绝对距离测量装置

技术领域

本发明涉及光学测量，尤其涉及一种基于强度调制的绝对距离测量装置。

背景技术

激光跟踪仪是大型装备制造中的一种重要关键仪器设备，可以实现对空间运动目标进行跟踪并实时测量目标的高精度空间三维坐标。其主机主要包括距离测量模块、角度测量模块、跟踪控制模块、反射镜、脚架、数据处理终端等。其中核心的距离测量模块，由干涉测距模块（IFM）和绝对测距模块（ADM）两个部分组成。而ADM可以测量绝对距离，可以实现断光续接的功能。一种稳定可靠的高精度绝对距离测距对激光跟踪仪十分关键。

瑞士leica公司在《用于测量绝对距离的方法和测量装置》（专利号：CN200580042568）中，披露了一种激光跟踪仪的IFM与ADM模块的实现方案及相互耦合做了较详细的介绍。其中介绍的ADM测距方案用电光晶体对光束进行偏振调制替代菲索齿轮测光速的方法，采用空间光路，易受到附加偏振和环境剧烈变化导致光束抖动的干扰，对光学装配工艺要高极高，导致系统稳定性较低。

现有技术的缺点如下：

（1）脉冲飞行时间激光测距法通过测量激光脉冲在测距设备与被测目标之飞行时间测量Δt 再乘以光速得到距离，现有技术对飞行时间的测量精度一般在数十皮秒量级，精度一般为厘米级，难以满足激光跟踪仪绝对测距十微米量级的要求；

（2）相位法测距的测光测距通过测量目标回光与发射光束的相位差，精度受限于相位鉴相精度，测距精度一般为毫米级，难以满足激光跟踪仪绝对测距十微米级的要求；

（3）飞秒激光测距系统成本高昂，体积巨大，难以集成到激光跟踪仪中；

（4）调频连续波测距和多波长干涉测距系统结构复杂，成本较高，系统可靠性和稳定性较差，测距精度难以保持；

（5）瑞士leica公司提出的的用电光晶体偏振调制替代菲索齿轮测光速的方法采用空间光路，易受到附加偏振和环境剧烈变化导致光束抖动的干扰，对光学装配工艺要求极高，导致系统稳定性较低。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种基于强度调制的绝对距离测量装置。

本发明提供了一种基于强度调制的绝对距离测量装置，包括激光器、激光器驱动部分、激光器温度控制部分、信号源部分、 MZ电光调制器、MZ调制器偏置部分、光纤互连系统、光束扩束镜组部分、角反射镜、光电接收及信号调理部分和控制及数字信号处理部分，所述激光器驱动部分的输出端与所述激光器连接，所述激光器温度控制部分与所述激光器连接，构成自动恒温控制系统，所述MZ调制器偏置部分的输出端与所述MZ电光调制器连接，所述激光器的输出端与所述光纤互连系统连接，所述激光器输出功率恒定的光信号进入所述光纤互连系统，所述控制及数字信号处理部分的输出端分别与所述激光器驱动部分、信号源部分连接，所述信号源部分的输出端分别与所述MZ电光调制器、光电接收及信号调理部分连接，所述光电接收及信号调理部分的输出端与所述控制及数字信号处理部分连接，所述信号源部分在所述控制及数字信号处理部分的控制下向所述MZ电光调制器输出频率连续变化的信号，所述MZ电光调制器对激光强度进行调制，经过强度调制的激光信号输入到所述光纤互连系统中，再经过所述光束扩束镜组部分扩束、准直后，在自由空间中照射到所述角反射镜上，反射光部分经原路返回后再次进入所述光束扩束镜组部分，并由所述光纤互连系统分离测量光，测量光进入所述光电接收及信号调理部分，然后输出至所述控制及数字信号处理部分。

作为本发明的进一步改进，所述光电接收及信号调理部分包括APD、信号调理电路和ADC，所述APD的输入端分别与所述光纤互连系统、信号源部分的输出端连接，所述APD的输出端与所述信号调理电路连接，所述信号调理电路的输出端与所述ADC连接，所述ADC的输出端与所述控制及数字信号处理部分连接，来自所述光纤互连系统的测量光信号与来自所述信号源部分的参考电信号在所述APD中进行光电混频，并经所述信号调理电路处理后得到中频信号，该中频信号经所述ADC采样后进入所述控制及数字信号处理部分。

作为本发明的进一步改进，所述光电接收及信号调理部分包括APD、信号调理电路、ADC、信号放大电路和混频器，所述APD的输入端与所述光纤互连系统的输出端连接，所述APD的输出端与所述信号放大电路连接，所述混频器的输入端分别与所述信号源部分、信号放大电路的输出端连接，所述混频器的输出端与所述信号调理电路连接，所述信号调理电路的输出端与所述ADC连接，所述ADC的输出端与所述控制及数字信号处理部分连接，来自所述光纤互连系统的测量光信号经所述APD及信号放大电路后成为高速测量电信号，该高速测量电信号与来自所述信号源部分的参考电信号在所述混频器中进行混频，并经所述信号调理电路中频信号，该中频信号经所述ADC采样后进入所述控制及数字信号处理部分。

作为本发明的进一步改进，所述APD为高速雪崩光电转换器，所述信号放大电路为互阻放大器，其工作带宽为信号源部分输出信号频率的带宽2.7GHz～3GHz，所述混频器为双平衡下变频混频器。

作为本发明的进一步改进，所述APD、信号调理电路构成了高速光电转换电路，所述高速光电转换电路共有两个，其中一个所述高速光电转换电路用于得到高速测量电信号，另一个所述高速光电转换电路用于得到高速参考电信号。

作为本发明的进一步改进，所述光纤互连系统包括环行器和用于切换参考光路与测量光路的光开关，所述环行器的端口1接所述MZ电光调制器，端口2接所述光开关，端口3接所述光电接收及信号调理部分，所述环行器、光束扩束镜组部分通过所述光开关连接。

作为本发明的进一步改进，所述光纤互连系统还包括第一分光器，所述第一分光器分别与所述激光器的输出端、MZ电光调制器的输入端和激光器驱动部分的输入端连接，所述第一分光器、激光器驱动部分之间连接有第一光电二极管。

作为本发明的进一步改进，所述光纤互连系统还包括第二分光器，所述第二分光器分别与所述MZ电光调制器的输出端、MZ调制器偏置部分的输入端和环行器的端口1连接，所述第二分光器、MZ调制器偏置部分之间连接有第二光电二极管。

作为本发明的进一步改进，采用第三分光器替代所述光开关，所述第三分光器分别与所述环行器的端口2、光束扩束镜组部分、光电接收及信号调理部分连接。

作为本发明的进一步改进，所述激光器为分布反馈型半导体激光器。

作为本发明的进一步改进，所述光束扩束镜组部分由一个光纤自聚集准直器配合一个伽俐略型的扩束镜组实现对光路的扩束准直，控制发射光束的发散角，以实现对远距离目标的测量。

本发明的有益效果是：提高了测距精度，成本低，体积小，系统可靠性和稳定性较好，对光学装配工艺要求较低。

附图说明

图1是本发明一种基于强度调制的绝对距离测量装置的第一种实施例框图。

图2是本发明一种基于强度调制的绝对距离测量装置的信号源部分的原理框图。

图3是扩束准值镜组的示意图。

图4是在某一距离下，系统中变频信号与回光信号所对应的中频信号示意图。

图5是本发明一种基于强度调制的绝对距离测量装置的第二种实施例框图。

图6是本发明一种基于强度调制的绝对距离测量装置的第三种实施例框图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。

一种基于强度调制的绝对距离测量装置，第一种实施例框图如图1所示，主要由激光器101及激光器驱动部分102，激光器温度控制部分103，信号源部分200， MZ电光调制器301及MZ调制器偏置部分302，光纤互连系统400，光束扩束镜组部分600，光电接收及信号调理部分500、控制及数字信号处理部分700和角反射镜801组成，MZ电光调制器301为马赫曾德尔电光调制器。

光纤互连系统400包括第一分光器401a、第二分光器401b、光纤环行器402、光开关403、光纤反射器404及光纤405，光纤环行器402简称为环行器。

光电接收及信号调理部分500包括APD501、信号调理电路502和ADC503，APD为雪崩光电二极管，ADC为模/数转换器。

工作原理：

测距光源（LD） 101输出功率恒定的光信号进入光纤互连系统400，信号源部分200在控制及信号处理部分700的控制下输出频率连续变化的信号，该信号输入MZ-EOM（Mach-Zehnder，MZ，马赫曾德尔电光调制器）对激光强度进行调制，MZ-EOM即MZ电光调制器301，激光信号的强度频率随信号源频率变化，经过强度调制的激光信号输入到光纤互连系统400中，再经过光束扩束镜组部分600扩束、准直后在自由空间中照射到角反射镜801上，反射光部分经原路返回后再次进入光束扩束镜组部分600，并由光纤环行器402分离测量光，测量光进入APD 501，测量光信号与来自信号源的参考电信号在APD中实现光电混频，并经后续的信号调理电路502后得到强度随调制频率及距离相关的中频信号，该中频信号经ADC 503采样后进入控制及数字信号处理部分700中。在测量绝对距离时，控制及数字信号处理部分700使信号源部分200输出频率连续变化的信号，同时通过检测回光信号，根据最少两个回光信号极小值对应的频率，可以计算出目标与测距装置的距离D。经验证，测距精度与寻找回光信号极小值对应频率的准确度及频率稳定度有关，能实现十微米量级的高精度。

测距系统的内光路即光纤互连系统400，光纤参数（比如折射率或长度）可能会随温度变化或随时间缓慢变化，这种变化皆称之为系统距离漂移，会影响系统绝对距离测量的精度，为消除这一影响，用光开关403切换参考光路与测量光路，当光开切换到测量光路时，系统测量出的距离为Dm，当光开关切换到参考光路时，系统测量出一个距离 Dr；系统对参考光路及测量光路完成一次测量的时间都很短（毫秒级），经验证，光纤互连系统参数在短时间内基本不变，则D=Dm-Dr即为测距系统到被测目标的距离，消除了系统内光路（光网络）的时变及温变的影响，保证了测距精度。

测距光源部分，采用自动恒温控制电路（ATC），实时检测激光器内部温度，调整TEC电流使激光器温度恒定；采用自动光功率控制（APC）电路，实时检测激光器输出功率，用PID算法调整激光器电流使其输出恒定功率。光源输出的光功率恒定有利于提高系统的测距精度。

MZ调制器偏置部分302实时检测MZ电光调制器301的输入和输出的平均光功率，调制偏置电压，使得调制器在不同温度下都工作于线性调制区。

如图2所示，信号源部分200，包含了高频率稳定度的恒温晶振（OCXO）、PLL、DDS。信号源输出频率的性能（频率稳定度，相位噪声等）取决于OCXO。由控制及数字信号处理部分700中的MCU根据测距算法控制，输出2.7G~3GHz范围之间的任意频率信号。这种结构的信号源输出的信号的频率变化速率十分优异，为十数微秒量级，非常有益于提高绝对测距的测量速度。

信号源部分200输出的信号分为两路，一路用于驱动MZ电光调制器301对激光进行强度调制，另一路作为参考信号与接收的回光信号在APD 501中进行光电混频。

测距光源部分，采用优选DFB（分布反馈型半导体激光器）激光器作为光源；光源输出的光经第一分光器 401a分出5%功率的光进入第一光电二极管（PD）104a进行光电转换，经滤波放大电路105a放大滤波后进入激光器驱动部分102，激光器驱动部分102实时检测激光器输出功率，用PID算法调整激光器电流使其输出恒定功率，实现自动功率控制（APC）的功能；激光器温度控制部分103实时检测激光器内部温度，调整TEC（半导体致冷和加热）电流使激光器温度恒定，实现自动恒温控制（ATC），温度控制在比环境稍微高的温度更有利于温度的恒定，避免振荡。光功率的恒定的对提高测距精度非常有好处。

包含对激光强度进行调制的优选MZ电光调制器301及MZ调制器偏置部分302,MZ（马赫-曾德尔），采用MZ电光调制器301对光进行外部强度调制，输出MZ电光调制器301的激光强度随着射频信号线性变化。MZ电光调制器301采用通信网络中常用的MZ强度调制器，MZ调制器偏置部分302实时检测MZ调制器的输入、输出的平均功率，调制偏置电压，使得调制器不同温度下都工作于线性调制区，相对于LD注入电流型的强度调制，有利于降低调制啁啾，对提高测距精度非常有好处。

光纤互连系统部分，第一分光器401a分光比为5:95，用于对来自激光器的光分为两路，5%部分用于监测光功率，95%部分进入MZ电光调制器301；第二分光器器401b分光比为5:95，用于对经过MZ调制器调制的光分为两部分，5%部分通过第二光电二极管104b、滤波放大电路105b，用于监测MZ电光调制器301的偏置点，95%部分作为测量光进入后续光纤环行器402，光纤环行器402用于把发射光及返回光分离，光纤环行器402对光具有单向传输的特性，环行器有3个端口，光信号若从端口1输入，则从端口2输出；而光信号从端口2输入，则从端口3输出，相输出损耗都很小。从光纤环行器402输出的光进入光开关403后，光开关403可以选择测量通道或者参考通道，选测量通道时，光进入光束扩束镜组部分600，选参考通道时，光被参考通道光纤末端的光纤反射器404反射并原路返回。

测距系统的测距信号（电信号及光信号）经过各电子电路及光纤器件链路，器件参数（比如电子器件的偏置值，光纤的折射率或长度）可能会随温度变化或随时间缓慢变化，会影响系统绝对距离测量的精度，为消除这一影响，用光开关403切换参考通道与测量通道，当光开切换到测量通道时，系统测量出的距离为Dm，当光开关切换到参考通道时，系统测量出一个距离Dr；系统对参考通道及测量通道各完成一次测量的时间都很短（毫秒级），这段时间内，光纤互连系统参数基本不变，则D=Dm-Dr即为测距系统到被测目标的距离，消除了系统（电子电路，光网络）的时变及温变的漂移影响，保证了测距精度。光开关优选MEMS工艺的光开关，MEMS光开关的通道切换速度为微秒量级，不影响系统测量速度。

光束扩束镜组部分600，用于对发射光束进行扩束准直，对目标返回光束进行汇聚 。优选为一个光纤自聚集准直器配合一个伽俐略型的扩束镜组实现对光路的扩束准直，控制发射光束的发散角，以实现对远距离目标的测量。光从准直镜出射进入自由空间经目标角反射器反射后一部分光原路返回，再次进入准直镜。重新耦合到准直镜后再进入环行器。

光电接收及混频部分，包含光电转换器优选APD 501进行光电转换，信号调理电路由前置互阻放大器，主放大器，低通滤器等构成。目标返回的测量光信号光进入APD 501，与参考电信号在APD中进行光电混频，经过信号调理电路502后得到的信号为回光电信号。该信号的幅值与调制频率及距离相关，该信号经ADC 503采样后进入控制及数字信号处理部分700中。

控制及数据信号处理部分700包含了MCU，FPGA，DSP，FLASH等电子电路器件，实现对系统的控制，对距离的解算，输出系统数据。控制与数据处理单元根据最少两个回光对应的中频信号极小值信号对应的频率确定系统与目标的距离。在某一距离下，系统中变频信号与回光中频信号示意图如图4所示。

本发明第二种实施例系统框图如图5所示，该实施例与第一种实施例区别为回光信号经APD501及信号放大电路504后得到高速测量电信号，该电信号进入混频器505与来自信号源部分200的参考射频信号进行混频，混频器505输出的信号进入信号调理电路502，经信号调理电路滤波后得到中频信号。系统其他部分及测距方式与第一种实施例相同。

APD 501与信号放大电路504构成高速光电转换电路，APD 501为高速雪崩光电转换器，信号放大电路504优选为互阻放大器，其工作带宽为信号源输出信号频率的带宽2.7GHz～3GHz。混频器505优选为双平衡下变频混频器。

本发明第三种实施例系统框图如图6所法，该实施例与第一种实施例及第二种实施例区别为用第三分光器401c替换了光开关403，回光信号经APD 501a及信号放大电路504a后得到高速测量电信号，该电信号进入混频器505,第三分光器 401c分出一部分光作为参考光信号，参考光信号经APD 501b及信号放大电路504b后得到高速参考电信号，该电信号进入混频器505,测量电信号与参考电信号在混频器505中进行混频，混频器505输出的信号进入信号调理电路502，经信号调理电路滤波后得到中频信号。系统其他部分及测距方式与第一种实施例相同。

光纤405a与光纤405b参数一致，长度相近，封装在一根套管中，APD 501a与APD501b性能参考非常相近，信号放大电路504a与信号放大电路504b性能参数非常相近，参考通道与测量通道的光电转换电路安装于同一块散热板上，使得测量通道与参考通道的漂移具有共模特性，两路信号经混频后能消除系统漂移。

本发明提供的一种基于强度调制的绝对距离测量装置，具有以下特点：

(1) 提供了一种用于测量到目标的绝对距离的装置和系统，包括一个产生恒定功率的激光源；变频信号源，用于产生一系列的频率信号，电光调制器，用于对光束的强度进行调制，光束强度的频率随信号源的频率变化，光纤互连系统，用于对输入光束进行柔性传输，对输入光束分束，对返回光束进行分离，光开关，用于对测量光路与参考光路进行切换，扩束准直镜系统，用于对输出光束进行扩束及准直使输出光束具有极小的发散角，有利于进行远距离测量，用于对来自被测目标的返回光束进行汇聚以使返回光束进入光纤互连系统；信号接收单元，控制及数字信号处理单元等。

（2）提供了一种用于测量到目标的绝对距离的装置和系统，发射光束为变频率的强度调制方式，目标返回光信号与参考电信号进行光电混频得到的信号为回光信号，控制与数据处理单元根据最少两个回光极小值信号对应的频率确定系统与目标的距离的方式。

（3）用光开关切换参考通道与测量通道消除系统漂移的方式。

（4）用双光电接收通道消除系统漂移的方式。

与现有激光测距系统相比，本发明提供的一种基于强度调制的绝对距离测量装置，具有以下显著进步：

（1）全光纤光路系统，各个光学元件用光纤连接，简化了光学系统的装配和调试，大大降低了光路装调工艺要求，同时提高了系统的可靠性；

（2）全光纤光路系统，内部光路与扩束准直部分用光纤柔性连接，扩束准直部分可以装配于激光跟踪仪的跟踪头中随跟踪头转动直接指向被测目标，内部光路与扩束准直部分动静分离，降低了光路与结构的机械耦合度，提高了稳定性，特别适用于激光跟踪仪；

（3）强度调制激光测距，为非偏振光测距，对光路没有保偏要求，降低光路光学器件的工艺要求，降低成本；

（4）用光开关切换参考通道与测量通道，消除系统漂移，测距精度高；

（5）用双光电接收通道的温漂共模特性，消除系统漂移，测距精度高；

（6）测距系统全为电子元件，不存在大时间常数类的机械件，测距速度极快。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于强度调制的绝对距离测量装置，其特征在于：包括激光器、激光器驱动部分、激光器温度控制部分、信号源部分、 MZ电光调制器、MZ调制器偏置部分、光纤互连系统、光束扩束镜组部分、角反射镜、光电接收及信号调理部分和控制及数字信号处理部分，所述激光器驱动部分的输出端与所述激光器连接，所述激光器温度控制部分与所述激光器连接，构成自动恒温控制系统，所述MZ调制器偏置部分的输出端与所述MZ电光调制器连接，所述激光器的输出端与所述光纤互连系统连接，所述激光器输出功率恒定的光信号进入所述光纤互连系统，所述控制及数字信号处理部分的输出端分别与所述激光器驱动部分、信号源部分连接，所述信号源部分的输出端分别与所述MZ电光调制器、光电接收及信号调理部分连接，所述光电接收及信号调理部分的输出端与所述控制及数字信号处理部分连接，所述信号源部分在所述控制及数字信号处理部分的控制下向所述MZ电光调制器输出频率连续变化的信号，所述MZ电光调制器对激光强度进行调制，经过强度调制的激光信号输入到所述光纤互连系统中，再经过所述光束扩束镜组部分扩束、准直后，在自由空间中照射到所述角反射镜上，反射光部分经原路返回后再次进入所述光束扩束镜组部分，并由所述光纤互连系统分离测量光，测量光进入所述光电接收及信号调理部分，然后输出至所述控制及数字信号处理部分；

所述光电接收及信号调理部分包括APD、信号调理电路和ADC，所述APD的输入端分别与所述光纤互连系统、信号源部分的输出端连接，所述APD的输出端与所述信号调理电路连接，所述信号调理电路的输出端与所述ADC连接，所述ADC的输出端与所述控制及数字信号处理部分连接，来自所述光纤互连系统的测量光信号与来自所述信号源部分的参考电信号在所述APD中进行光电混频，并经所述信号调理电路处理后得到中频信号，该中频信号经所述ADC采样后进入所述控制及数字信号处理部分，

或者，

所述光电接收及信号调理部分包括APD、信号调理电路、ADC、信号放大电路和混频器，所述APD的输入端与所述光纤互连系统的输出端连接，所述APD的输出端与所述信号放大电路连接，所述混频器的输入端分别与所述信号源部分、信号放大电路的输出端连接，所述混频器的输出端与所述信号调理电路连接，所述信号调理电路的输出端与所述ADC连接，所述ADC的输出端与所述控制及数字信号处理部分连接，来自所述光纤互连系统的测量光信号经所述APD及信号放大电路后成为高速测量电信号，该高速测量电信号与来自所述信号源部分的参考电信号在所述混频器中进行混频，并经所述信号调理电路处理后得到中频信号，该中频信号经所述ADC采样后进入所述控制及数字信号处理部分。

2.根据权利要求1所述的基于强度调制的绝对距离测量装置，其特征在于：所述光纤互连系统包括环行器和用于切换参考光路与测量光路的光开关，所述环行器的端口1接所述MZ电光调制器，端口2接所述光开关，端口3接所述光电接收及信号调理部分，所述环行器、光束扩束镜组部分通过所述光开关连接。

3.根据权利要求2所述的基于强度调制的绝对距离测量装置，其特征在于：所述光纤互连系统还包括第一分光器，所述第一分光器分别与所述激光器的输出端、MZ电光调制器的输入端和激光器驱动部分的输入端连接，所述第一分光器、激光器驱动部分之间连接有第一光电二极管。

4.根据权利要求3所述的基于强度调制的绝对距离测量装置，其特征在于：所述光纤互连系统还包括第二分光器，所述第二分光器分别与所述MZ电光调制器的输出端、MZ调制器偏置部分的输入端和环行器的端口1连接，所述第二分光器、MZ调制器偏置部分之间连接有第二光电二极管。

5.根据权利要求4所述的基于强度调制的绝对距离测量装置，其特征在于：采用第三分光器替代所述光开关，所述第三分光器分别与所述环行器的端口2、光束扩束镜组部分、光电接收及信号调理部分连接。

6.根据权利要求1所述的基于强度调制的绝对距离测量装置，其特征在于：所述激光器为分布反馈型半导体激光器，所述光束扩束镜组部分由一个光纤自聚集准直器配合一个伽俐略型的扩束镜组实现对光路的扩束准直，控制发射光束的发散角，以实现对远距离目标的测量。