CN113534104A - 基于傅里叶域锁模光纤激光器的调频连续波激光成像系统 - Google Patents

基于傅里叶域锁模光纤激光器的调频连续波激光成像系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于傅里叶域锁模光纤激光器的调频连续波激光成像系统，属于激光测距及成像领域。发射端为傅里叶锁模光纤激光器，傅里叶锁模光纤激光器与分束器相连，激光经过分束后到达三个部分，分别为测量光路、辅助参考光路以及气体池校准光路，激光射出测量光路、辅助参考光路以及气体池校准光路后都会经过光电探测器，光电探测器是连接测量光路、辅助参考光路和气体池校准光路与数据采集系统的桥梁，射入激光射出测量光路的光信号会被发射到聚焦合成孔径成像系统，激光最终到达数据采集系统。本发明提高了雷达系统的稳定性和分辨率，实现了长距离精准测量，可同时实现测距和成像功能，可实现低成本小型化的测距成像传感器。

Description

基于傅里叶域锁模光纤激光器的调频连续波激光成像系统
技术领域
本发明涉及激光测距及成像领域，详细地讲是一种基于傅里叶域锁模光纤激光器的调频连续波激光成像系统。
背景技术
众所周知，现有的激光成像系统长距测量，精准度越低，稳定性和分辨率差，不能同时实现测距和成像功能。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于傅里叶域锁模光纤激光器的调频连续波激光成像系统，以解决现有成像系统分辨率较差，精准度越低的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于傅里叶域锁模光纤激光器的调频连续波激光成像系统，其特征是，发射端为傅里叶锁模光纤激光器，傅里叶锁模光纤激光器与分束器相连，激光经过分束后到达三个部分，分别为测量光路、辅助参考光路以及气体池校准光路，激光射出测量光路、辅助参考光路以及气体池校准光路后都会经过光电探测器，光电探测器是连接测量光路、辅助参考光路和气体池校准光路与数据采集系统的桥梁，射入激光射出测量光路的光信号会被发射到聚焦合成孔径成像系统，激光最终到达数据采集系统。
本发明还可通过如下措施来实现：
所述的傅里叶锁模光纤激光器为环形腔结构FDML扫频光纤激光器，其泵浦源为半导体光放大器，激光发射后在环形结构中传播，经过光纤隔离器后经过耦合器，其中部分激光存在于环形腔结构中，另一部分传输到探测器，探测器连接数据采集端，用于测量被耦合器耦合后的激光的参数，留在环形结构中的激光通过色散光纤到达FDML扫描频率器以及偏振控制器，经过光纤隔离器再次到达半导体光放大器，完成整个的环形传播，FDML扫描频率器连接放大器，将激光数据经过放大后传输到数据采集端测得激光参数。
所述的在测量光路中激光通过分束器分别发射到环形器和耦合器中，通过环形器的激光部分回到耦合器，还有部分激光会射入准直器中，用于光信号的输出。
所述的在辅助参考光路中激光射入分束器，部分直接到达耦合器，还有一部分激光经过辅助光纤矫正了非线性效应后再汇入耦合器。
所述的气体池校准光路中激光经过氰化氢气体池利用吸收谱线对辅助光纤进行长度标定。
所述的聚焦合成孔径成像系统当中的角锥棱镜置于移动导轨上，移动目标探测物激光达到此处后返回，激光干涉仪用于测量前端角锥棱镜的位置。
本发明的有益效果是，光路采用全光纤回路，提高了雷达系统的稳定性和分辨率，实现了长距离精准测量；采用傅里叶锁模光纤激光器作为光源进行调制，可同时实现测距和成像功能；采用全光纤微型结构，可实现低成本小型化的测距成像传感器。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1本发明的原理图。
图2是傅里叶锁模光纤激光器的示意图。
图中10.傅里叶锁模光纤激光器，11.半导体光放大器，12.光纤隔离器，13.耦合器，14.探测器，15.数据采集端，16.色散光纤，17.放大器，18.FDML扫描频率器，19.偏振控制器，20.分束器，30.测量光路，31.分束器，32.环形器，33.耦合器，34.准直器，40.辅助参考光路，41.分束器，42.辅助光纤，43.耦合器，50.气体池校准光路，51.氰化氢气体池，60.光电探测器，70.聚焦合成孔径成像系统，71.角锥棱镜，72.移动导轨，73.激光干涉仪，80.数据采集系统。
具体实施方式
在图中，本发明左端即整体发射端为傅里叶锁模光纤激光器10，傅里叶锁模光纤激光器10为环形腔结构FDML扫频光纤激光器。整体环形由光纤连接，泵浦源为半导体光放大器(SOA)11，激光发射后在环形结构中传播，经过光纤隔离器(ISO)12后再经过耦合器(OC)13，其中部分激光存在于环形腔结构中，另一部分传输到探测器(PD)14，探测器(PD)14连接数据采集端(DAQ)15，用于测量被耦合器13耦合后的激光的参数。留在环形结构中的激光继续通过色散光纤16到达FDML扫描频率器18以及偏振控制器(PC)19后经过光纤隔离器12，并再次到达半导体光放大器11，完成整个的环形传播。FDML扫描频率器18连接放大器(AMP)17，将激光数据经过放大后传输到数据采集端测得激光参数。
傅里叶锁模光纤激光器10向右经过分束器20，激光经过分束后到达三个部分，分别为测量光路30，辅助参考光路40以及气体池校准光路50。
在测量光路30中激光通过分束器31分别发射到环形器32和耦合器33中，通过环形器的激光部分回到耦合器，还有部分激光会射入准直器34中，用于光信号的输出。
射入准直器34的光信号会被发射到聚焦合成孔径成像系统70当中，在该系统中角锥棱镜71置于移动导轨72上，移动目标探测物激光达到此处后返回，激光干涉仪73用于测量前端角锥棱镜71的位置。
在辅助参考光路40中，激光射入分束器41，部分直接到达耦合器43，还有一部分激光经过辅助光纤42矫正了非线性效应后再汇入耦合器43。
在气体池校准光路50中激光经过氰化氢气体池51利用吸收谱线对辅助光纤进行长度标定。
激光射出测量光路30、辅助参考光路40以及气体池校准光路50后都会经过光电探测器6，光电探测器60是连接测量光路30、辅助参考光路40和气体池校准光路50与数据采集系统80的桥梁，激光最终到达数据采集系统80，即可利用该系统对待测物体进行成像以及测距。
本发明傅里叶锁模激光器10，即环形腔结构FDML扫频光纤激光器，具体结构如图2所示，由半导体光放大器(SOA)11、光纤隔离器(ISO)12、耦合器(OC)13、探测器(PD)14、数据采集端(DAQ)15、色散光纤16、放大器(AMP)17、FDML扫描频率器18以及偏振控制器(PC)19构成。FDML机制是一种稳定的激光运行模式，具有高重复性。FDML扫频光纤激光器的稳定运行条件是扫描滤波器的驱动信号频率与激光器谐振腔长的本振频率相匹配，即：
Figure BDA0003218295590000041
其中，Lcavity为激光器有效腔长，v为光纤中的光速，N为正整数，f为扫描滤波器驱动信号频率。FDML的基本原理是使光子循环一圈的时间与扫描滤波器的扫描周期相同或是其整数倍，即每一个光子通过扫描滤波器后在腔内循环一圈回来恰好能再次无损地通过扫描滤波器。此方法可以使扫描频率(或波长)范围内所有纵模同时起振，而时域上又能遵循驱动信号依次输出。由于不存在纵模不断变换再重新建立稳定的过程，在该基于傅里叶域锁模光纤激光器的调频连续波激光成像系统中，傅里叶锁模激光器10可以实现超高速扫频。该装置激光谐振腔内的所有光纤均采用光纤熔接机连接，以最大程度的降低腔损。
半导体光放大器(SOA)11作为傅里叶锁模激光器10中的泵浦源，对激光工作物质进行激励,将激活粒子从基态抽运到高能级,以实现粒子数反转。
光纤隔离器(ISO)12，保证激光在光纤中沿同一方向单向传播。
耦合器(OC)13安装于光纤分成两个支路处，其耦合比为90％：10％，将90％的激光能量反馈回谐振腔内用于震荡和放大，将10％的激光输出用于测试。
探测器(PD)14安装于耦合器与数据采集端15间，用于接收输出的10％激光，便于测试。
数据采集端(DAQ)15作为检测端，安装于傅里叶锁模激光器10的外置部分。
色散光纤16安装于傅里叶锁模激光器10的光纤回路中。由于FDML扫频光纤激光器一般需要很长的延迟光纤来存储光子，材料色散是必须考虑的因素。适当的色散补偿可以提高激光器的性能，进而提高傅里叶锁模激光器10测量或传感的精度。
放大器(AMP)17安装于扫描滤波器18之后，用于激光在谐振腔内的震荡和放大。
FDML扫描滤波器(FFP-TF)18属于新一代高速窄带宽扫描滤波器，由PZT驱动进行扫描滤波。对于FDML扫频光纤激光器来讲，由于不受到激光建立时间的限制，激光器的扫描频率仅取决于扫描滤波器的扫描速率，一般在高频调制时采用正弦信号驱动PZT。
偏振控制器(PC)19安装于光纤回路中，用于提升输出功率。
分束器20是可将一束光分成两束光或者多束光的光学装置，通常是由金属膜或介质膜构成。
测量光路30是聚焦合孔成像系统70的前端，与辅助参考光路40构成双光路测距系统，主要负责距离的测量和成像，由分束器31、环形器32、耦合器33、准直器34构成。双光路测距系统待测距离可表示为：
Figure BDA0003218295590000051
其中c为光在真空中传播速度；L为辅助光路中延时光纤长度；n为光纤折射率。在延时光纤长度L已知，峰值位置点K已知的条件下，得到距离信息。其中，由于利用辅助信号峰谷值对测量信号重采样，依据采样定律，辅助信号频率至少为测量信号频率的两倍，即辅助光路光程至少为待测距离两倍，实际应用中一般4～5倍。由上述公式可知，在双光路FMCW激光测距系统中，待测距离与辅助光路延时光纤长度呈正比，系统的测距精度与辅助光纤长度的标定精度密切相关。
分束器31安装于测量光路30的内部，对进入测量光路的激光进行分束。
环形器32安装于被分束器31分束的激光光路中，能够单向传输高频能量信号，控制激光沿某一环形方向传输。环形器具有体积小，频带宽，插损小等特点。
耦合器33又称为连接器，是以光为媒介传输电信号的一种光电转换器，在测量光路30中实现了光信号的合路。
准直器34用于光信号的输出，其结构很简单——光纤传出的发散光通过前置的类似凸透镜变成平行光(高斯光束)。它的作用是使光信号最大效率的耦合进入聚焦合孔成像系统70.
辅助参考光路40与测量光路30构成双光路测距系统，与气体池校准光路50构成辅助光纤标定系统。主要由分束器41、辅助光纤42以及安装在二者之后的耦合器43构成。
分束器41安装于分束器20后，用于辅助参考光路40内部的光束分束。
辅助光纤42用来矫正辅助参考光路40的非线性效应。
耦合器43安装于辅助参考光路中，用于耦合辅助参考光路中的激光。
气体池校准光路50是一种利用气体池标定辅助光纤的方法，主要由氰化氢气体池51构成。
氰化氢气体池51可以对特定波长进行吸收，利用此吸收谱线对辅助光纤进行长度标定。H13C14N气体池光纤标定方法由辅助参考光路及气体池校准光路构成。激光出射后，经耦合器分别进入两光路部分。可调谐激光经过气体池校准光路，由于H13C14N气体池对特定波长的吸收特性，得到吸收峰谱线图，辅助光路拍频信号由激光本振信号和延时信号混频后产生，相位可由本振信号
Figure BDA0003218295590000061
和延时信号相位
Figure BDA0003218295590000062
相减表示，对
Figure BDA0003218295590000063
泰勒展开，忽略二阶及高阶项，表示为：
Figure BDA0003218295590000064
又对拍频信号希尔伯特变换后解相，可得每个采样点处相位
Figure BDA0003218295590000065
经H13C14N气体池所得的校准信号对照吸收谱，可知吸收峰位置点k处对应的吸收波长λk。由于拍频信号和校准信号经数据采集卡同时采集，两信号相同采集位置点为同一时刻信号，找到拍频信号中k处相位
Figure BDA0003218295590000066
同一时刻，波长λk对应拍频相位
Figure BDA0003218295590000067
波长转化为频率fk，得到
Figure BDA0003218295590000068
对应关系。拍频相位与频率为一次函数关系，将
Figure BDA0003218295590000069
对应关系通过最小二乘法拟合为一次函数，表示为：
Figure BDA00032182955900000610
a为拟合后一次函数斜率，联立式上式，辅助光纤延迟时间可表示为：
Figure BDA00032182955900000611
延迟时间与光纤长度关系转换表示为：
Figure BDA00032182955900000612
至此，获得辅助光纤长度标定值。
光电探测器60是连接测量光路30、辅助参考光路40和气体池校准光路50与数据采集系统80的桥梁。其原理是由于辐射引起被照射材料电导率发生改变，可以将光信号转化为电信号。便于数据采集系统80更好的采集前端测量的数据。
聚焦合成孔径成像系统70从主动稳定的傅里叶锁模光纤激光器10开始，为成像提供1550nm为中心的线性啁啾；氰化氢电池为啁啾提供了绝对频率参考。其构成部件有角锥棱镜71、移动导轨72以及激光干涉仪73。
角锥棱镜71置于移动导轨72上，移动相当于探测目标物，激光达到此处后返回，与剩余10％本振光在50/50耦合器处拍频。
移动导轨72提供给角锥棱镜71移动的空间，使观测更加便捷。
激光干涉仪73用于测量角锥棱镜71位置，将激光干涉仪测得的相对距离值作为测距系统标准值。
数据采集系统80负责收集各个部件的数据，通过具体的数据采集、采重样、色散补偿测得最终的实际距离。
本发明具体原理如下：
调频连续波光源出射激光的频率理论上是随时间变化的线性函数，但实际上激光频率并非严格线性变化，而是存在非线性项的干扰，所以出射激光的频率可以表示为：
fL(t)＝f0+μt+ve(t) (1)
式(1)中f0是初始频率，μ是频率调制速度，ve(t)是非线性干扰项。出射激光的相位表示为:
Figure BDA0003218295590000072
出射激光的光信号表示为:
Figure BDA0003218295590000071
式(3)中A表示出射光信号的振幅.出射激光进入测量光路经过光环行器、准直器,从角锥棱镜产生的回波信号表示为:
Figure BDA0003218295590000081
式(4)中τs是待测距离产生的延时，由于空气中激光色散可以忽略，可以把τs当作常数。回波信号与调频连续波光源信号产生拍频的相位表示为:
Figure BDA0003218295590000082
式(5)中
Figure BDA0003218295590000083
表示由非线性项引起的拍频相位误差。同理，调频连续波光源信号进入参考光路产生的拍频信号表示为:
Figure BDA0003218295590000084
式(6)中τr(t)是激光经过已知长度的参考光纤产生的延时，由于光纤色散的影响，τr(t)是随时间变化的变量，
Figure BDA0003218295590000085
是由非线性项引起的拍频相位误差.回波信号与出射信号耦合产生拍频信号，归一化后表示为：
Figure BDA0003218295590000086
为解决光源非线性问题，在原有系统中增加一路已知光纤长度的Mach-Zehnder干涉光路作为辅助光路，得到的拍频信号归一化后表示为：
Figure BDA0003218295590000087
τr′为辅助光路延时光纤产生的时间延迟。数据采集卡获取测量光路及辅助光路拍频信号，提取辅助光路拍频信号的峰谷值位置点，峰谷值位置表示为：
Figure BDA0003218295590000088
利用峰谷值位置对测量拍频信号重采样，得到采样间隔为：
Figure BDA0003218295590000091
重采样后得到的采样点总数N，对重采样后的测量拍频信号进行FFT运算得到频谱图，峰值点位置K对应的频率值即所需的频率信息，其频率为：
Figure BDA0003218295590000092
由上式可见，得到的单一频率与非线性无关，重采样消除了非线性项带来的影响。又频率与待测距离之间关系表示为：
Figure BDA0003218295590000093
c为光在真空中传播速度；L为辅助光路中延时光纤长度；n为光纤折射率。在延时光纤长度L已知，峰值位置点K已知的条件下，得到距离信息。其中，由于利用辅助信号峰谷值对测量信号重采样，依据采样定律，辅助信号频率至少为测量信号频率的两倍，即辅助光路光程至少为待测距离两倍，实际应用中一般4～5倍。在双光路FMCW激光测距系统中，待测距离与辅助光路延时光纤长度呈正比，系统的测距精度与辅助光纤长度的标定精度密切相关。
其实现的精度在60～80m的范围内测距值与干涉仪测量值最大误差小于1mm。

Claims (6)

1.一种基于傅里叶域锁模光纤激光器的调频连续波激光成像系统，其特征是，发射端为傅里叶锁模光纤激光器，傅里叶锁模光纤激光器与分束器相连，激光经过分束后到达三个部分，分别为测量光路、辅助参考光路以及气体池校准光路，激光射出测量光路、辅助参考光路以及气体池校准光路后都会经过光电探测器，光电探测器是连接测量光路、辅助参考光路和气体池校准光路与数据采集系统的桥梁，射入激光射出测量光路的光信号会被发射到聚焦合成孔径成像系统，激光最终到达数据采集系统。
2.根据权利要求1所述基于傅里叶域锁模光纤激光器的调频连续波激光成像系统，其特征在于所述的傅里叶锁模光纤激光器为环形腔结构FDML扫频光纤激光器，其泵浦源为半导体光放大器，激光发射后在环形结构中传播，经过光纤隔离器后经过耦合器，其中部分激光存在于环形腔结构中，另一部分传输到探测器，探测器连接数据采集端，用于测量被耦合器耦合后的激光的参数，留在环形结构中的激光通过色散光纤到达FDML扫描频率器以及偏振控制器，经过光纤隔离器再次到达半导体光放大器，完成整个的环形传播，FDML扫描频率器连接放大器，将激光数据经过放大后传输到数据采集端测得激光参数。
3.根据权利要求1所述基于傅里叶域锁模光纤激光器的调频连续波激光成像系统，其特征在于所述的在测量光路中激光通过分束器分别发射到环形器和耦合器中，通过环形器的激光部分回到耦合器，还有部分激光会射入准直器中，用于光信号的输出。
4.根据权利要求1所述基于傅里叶域锁模光纤激光器的调频连续波激光成像系统，其特征在于所述的在辅助参考光路中激光射入分束器，部分直接到达耦合器，还有一部分激光经过辅助光纤矫正了非线性效应后再汇入耦合器。
5.根据权利要求1所述基于傅里叶域锁模光纤激光器的调频连续波激光成像系统，其特征在于所述的气体池校准光路中激光经过氰化氢气体池利用吸收谱线对辅助光纤进行长度标定。
6.根据权利要求1所述基于傅里叶域锁模光纤激光器的调频连续波激光成像系统，其特征在于所述的聚焦合成孔径成像系统当中的角锥棱镜置于移动导轨上，移动目标探测物激光达到此处后返回，激光干涉仪用于测量前端角锥棱镜的位置。
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