CN114754689A - 一种基于双电光外差调制的相位式距离测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于双电光外差调制的相位式距离测量装置及方法，测量装置包括光路单元、信号产生模块、信号调理及采集模块和数字处理系统，光路单元包括激光器、第一电光强度调制器、环行器、光纤探头和第二电光强度调制器；激光器、第一电光强度调制器、环行器通过光纤依次相连；环行器通过光纤分别与光纤探头、第二电光强度调制器相连，光纤探头的出射方向正对待测目标；信号产生模块分别与第一电光强度调制器、第二电光强度调制器和A/D模拟数字信号转化器相连；信号调理及采集模块包括依次相连的光电转换器件、放大电路、滤波电路、A/D模拟数字信号转化器。

Description

一种基于双电光外差调制的相位式距离测量装置及方法

技术领域

本发明属于非接触距离测量领域。具体地说，本发明涉及一种激光相位式距离在线测量方法与装置，特别是一种利用电光调制器实现光信号幅度二次外差调制的距离在线测量方法与装置。

背景技术

精密测距技术在国防军工、航空航天等先进技术与前沿科学领域有着广泛的应用需求，尤其是在大型精密机械制造、重大旋转装备装配过程中发挥了重要作用。重大装备内部间隙的在线测量是装备健康管理的重要环节，是保证工作效率和运行安全的关键。典型的装备间隙包括轴向间隙与叶尖间隙，缓变、连续、较大量程的轴向间隙信号特征和脉冲、间断、较小量程的叶尖间隙信号特征对测量方法提出了不同要求。然而装备内部空间狭小、信号传输线缆的引入路径较长，传统的电容法、电涡流法、微波法等间隙测量方法的探头尺寸较大、长距离传输时信号衰减严重，难以满足装备间隙在线测量需求。光学法采用基于光纤的激光测量手段，探头及传输光纤的直径尺寸较小，具有小巧、柔性的特点，能有效伸入到重大装备内部，更适合装备间隙测量。

按发射信号形式的不同，光学距离测量方法主要包括脉冲法、频率法和相位法。在传统距离测量方法中，脉冲法受收发切换时间限制，存在测距盲区，且测量精度无法满足精密测距要求；频率法的测量精度受频率调制频差限制，亚毫米距离时测距精度不高，并且受限于扫频速率，测量响应速度较低，难以应用于叶尖间隙测量；相位法将激光信号强度调制，通过比较测量光信号和参考光信号的相位，实现距离测量；前期提出的“基于相位式激光测距转静子轴向间隙动态测量装置和方法”(202110464019.1)采用电学下变频原理，利用光电转换器件直接接收回光信号，其光强调制频率在微波频段，该方案对光电转换器件的带宽性能要求极高，并且受前置放大器增益带宽积的约束，输出电信号的信噪比较差。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于双电光外差调制的相位式距离测量装置及方法。采用光学下变频原理，利用电光调制器进行光信号幅度二次外差调制，为光学法测量装备间隙提供一种可行方案。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于双电光外差调制的相位式距离测量装置，包括光路单元、信号产生模块、信号调理及采集模块和数字处理系统，所述光路单元包括激光器、第一电光强度调制器、环行器、光纤探头和第二电光强度调制器；所述激光器、第一电光强度调制器、环行器通过光纤依次相连；环行器通过光纤分别与光纤探头、第二电光强度调制器相连，光纤探头的出射方向正对待测目标；

信号产生模块分别与第一电光强度调制器、第二电光强度调制器和A/D模拟数字信号转化器相连；所述信号产生模块对第一电光强度调制器输出频率为f_M1的正弦波调制信号，对第二电光强度调制器输出频率为f_M2的正弦波调制信号，对A/D模拟数字信号转化器输出频率为f_IM的正弦波中频信号，且f_IM＝|f_M1-f_M2|；

光路单元中，激光器产生光信号，经光纤传输到第一电光强度调制器，光信号在第一电光强度调制器内被频率为f_M1的正弦波调制信号调制后经光纤依次传输到环行器和光纤探头，光纤探头投射光信号至待测目标并接收自待测目标反射的回光信号，回光信号经光纤依次传输到环行器和第二电光强度调制器，并在第二电光强度调制器内被频率为f_M2的正弦波调制信号进行外差调制；

信号调理及采集模块包括依次相连的光电转换器件、放大电路、滤波电路、A/D模拟数字信号转化器；光电转换器件将外差调制后的回光信号转换为电信号，先后经过放大电路放大、滤波电路滤波，与频率为f_IM的正弦波中频信号一并被A/D模拟数字信号转化器采集，生成的数字信号传输到数字处理系统进行相位鉴别和比较，产生与待测距离成一一映射关系的相位差；

数字处理系统利用获得的相位差数据，基于相位测距原理，求解被测距离。

进一步的，所述光路单元采用单波长或双波长结构。

进一步的，光路单元为单波长结构时，只设置一个第一激光器用于产生波长为λ₀的激光作为测量光。

进一步的，光路单元为双波长结构时，还设置有第二激光器和耦合器，第一激光器产生波长为λ₀的激光作为测量光，第二激光器产生波长为λ₁的激光作为参考光，测量光与参考光通过耦合器合为一路双波长光束，第一电光强度调制器同时对双波长光信号进行调制，第二电光强度调制器同时对双波长光信号进行外差调制，光纤探头(8)的端面进行镀膜处理，该膜对波长为λ₀的激光全透射，对波长为λ₁的激光全反射，测量光投射到待测目标并被反射，参考光在光纤探头的端面直接反射。

进一步的，当光路单元为双波长结构时，光纤探头采用双测头结构或共光路结构；光纤探头采用双测头结构时，通过第二波分复用器将双波长光信号分成两路光束，第一测头发射测量光并接收待测目标的回光信号，第二测头将参考光全部反射并接收反射的回光信号；光纤探头采用共光路结构时，双波长光信号到达探头端面后，分成测量光与参考光两路光束，测量光投射到待测目标并被反射，参考光在探头端面直接反射，光纤探头接收反射的回光信号。

进一步的，当光路单元为双波长结构时，信号调理及采集模块包括第一光电转换器件、第一放大电路、第一滤波电路、第二光电转换器件、第二放大电路、第二滤波电路、A/D模拟数字信号转化器和第一波分复用器；通过第一波分复用器将双波长光信号分成测量光信号和参考光信号两路光束；测量光信号依次经第一光电转换器件、第一放大电路、第一滤波电路传输至A/D模拟数字信号转化器；参考光信号依次经第二光电转换器件、第二放大电路、第二滤波电路传输至A/D模拟数字信号转化器。

进一步的，信号产生模块的信号产生方式选用模拟式频率合成技术或者直接数字式频率合成技术或者锁相环频率合成技术。

进一步的，所述正弦波调制信号的频率为8～10GHz，正弦波中频信号的频率为3～7MHz。

本发明还提供一种基于双电光外差调制的相位式距离测量方法，包括以下步骤：

S1、启动测量装置后，信号产生模块产生正弦波形式的调制信号和中频信号；两路调制信号表示为：

其中，A_M1和A_M2分别表示两路调制信号的幅值，f_M1和f_M2分别表示两路调制信号的频率，

和

分别表示两路调制信号的初相位；

一路中频信号表示为：

其中，A_IM表示中频信号的幅值，f_IM表示中频信号的频率，

表示中频信号的初相位；

激光器产生的光信号，光信号经光纤传输到第一电光强度调制器，经第一电光强度调制器调制后的光强表示为：

其中，A_λ0表示光信号强度的变化幅度，

表示光信号的初始相位，f_M1表示调制信号的频率；

S2、光信号在第一电光强度调制器处被频率为f_M1的正弦波调制信号调制后经光纤依次传输到环行器和光纤探头，光纤探头投射光信号至待测目标并接收自待测目标反射的回光信号，回光信号经光纤依次传输到环行器和第二电光强度调制器，此时回光信号的光强表示为：

其中，

为回光信号在到达第二电光强度调制器之前，在光纤及各个光学器件中传播引入的相位变化，

为回光信号在光纤探头与待测目标之间的间隙空间中传播引入的相位变化；

S3、回光信号在第二电光强度调制器内被频率为f_M2的正弦波调制信号进行外差调制，调制后的光强表示为：

其中，

为回光信号在经过电光强度调制器之后，到达信号调理及采集模块之前，在光纤及各个光学器件中传播引入的相位变化；

S4、信号调理及采集模块中的光电转换器件将测量回光信号的光强度I”_λ0(t)转换为测量电信号IF_m(t)，由下式表示：

电信号IF_m(t)依次经过放大电路、滤波电路的处理，提升信噪比；IF_m(t)作为测量电信号，信号产生模块产生的中频信号IF(t)作为参考电信号；测量电信号与参考电信号由A/D模拟数字信号转化器采集后，传输到数字处理系统；

S5、数字处理系统实现测量电信号与参考电信号两路信号的数字鉴相及相位比较，并基于相位差数据进行距离计算，实现待测距离的在线显示、数据存储、数据回显、离线分析。

进一步的，步骤S5中数字处理系统能够利用中频信号IF(t)的倍频信号，控制A/D模拟数字信号转化器对测量电信号和参考电信号同步采样；

数字处理系统采用数字鉴相算法，同时提取测量电信号和参考电信号的相位，并获得二者的相位差；对于单波长结构，相位差由下式表示；

数字处理系统利用相位差数据，基于相位测距原理，求解待测距离d，由下式表示：

采用等间隔遍历待测距离的标定技术，获得量程内各距离值对应的相位差数据，利用基于高阶多项式拟合的曲线拟合方法，建立相位差与待测距离的映射关系，获得距离标定曲线；利用相位差测量结果及标定曲线，实现待测距离的在线测量；所述数字鉴相算法选用基于正交解调的数字鉴相算法或者基于全相位傅里叶变换的数字鉴相算法。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.克服传统的距离测量方法难以实现狭窄空间下装备间隙在线测量的缺点，避免电容法、电涡流法、微波法等方法的探头尺寸较大、长距离传输时信号衰减严重等问题，本发明提供的基于光纤的装备间隙测量方法，利用光纤尺寸小巧、结构柔性的特点，能有效伸入到重大装备内部，实现狭窄工作空间下的装备间隙在线测量。

2.克服传统的光学距离测量方法中脉冲法、频率法不能满足精密测距要求的缺点，解决前期基于电学下变频的相位式激光测距法对器件性能要求极高、信噪比较差的问题，本发明提供的基于双电光外差调制的相位式距离测量方法与装置，利用双电光调制器进行光信号幅度的两次调制，光学下变频后调理及采集，提高接收信号信噪比。

3.调制信号的频率f_M1和f_M2可以根据待测距离范围进行选择，在保证调制信号半波长大于量程的条件下，调制信号频率越高测距精度越高；中频信号的频率f_IM根据测量装置的动态响应性能要求进行选择，在保证中频信号能被A/D模拟数字信号转化器不失真采样的条件下，中频信号频率越高测量装置的动态响应速度越快，实现灵活精确的调制和测量。

4.数字处理系统采用数字鉴相算法，同时提取测量电信号和参考电信号的相位，并获得二者的相位差；当测量装置的结构、测量环境不变时，测量电信号和参考电信号的相位差仅随待测距离的改变实时发生变化；本发明提供的双波长结构的光路单元，能进一步使测量电信号和参考电信号的相位差克服环境温度变化、振动的影响，保证距离测量装置在高温、振动环境下的测量精度。

附图说明

图1是本发明的相位式距离测量装置中光路单元采用单波长结构时的结构示意图。

图2是本发明的相位式距离测量装置中光路单元采用双波长结构时的结构示意图。

图3是本发明的光纤探头采用双测头时的结构示意图。

附图标记：1-光路单元，2-信号产生模块，3-信号调理及采集模块，4-数字处理系统，5-激光器，6-电光强度调制器，7-环行器，8-光纤探头，9-电光强度调制器，10-光电转换器件，11-放大电路，12-滤波电路，13-A/D模拟数字信号转化器，14-激光器，15-耦合器，16-波分复用器，17-光电转换器件，18-放大电路，19-滤波电路，20-波分复用器，21-测头，22-测头。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例提供的一种基于双电光外差调制的相位式距离测量装置中，光路单元1采用单波长结构，只有测量光，没有参考光，如图1所示，测量装置主要包括：光路单元1、信号产生模块2、信号调理及采集模块3和数字处理系统4；其中，光路单元1主要包括激光器5、电光强度调制器6、环行器7、光纤探头8、电光强度调制器9；信号调理及采集模块3主要包括依次相连的光电转换器件10、放大电路11、滤波电路12、A/D模拟数字信号转化器13；激光器5、电光强度调制器6、环行器7通过光纤依次相连；环行器7通过光纤分别与光纤探头8、电光强度调制器9相连，光纤探头8的出射方向正对待测目标；信号产生模块2分别与电光强度调制器6、电光强度调制器9和A/D模拟数字信号转化器13相连。

信号产生模块2输出一路频率为f_M1的正弦波调制信号、另一路频率为f_M2的正弦波调制信号以及频率为f_IM的正弦波中频信号，且f_IM＝|f_M1-f_M2|。

在光路单元1中，激光器5产生光信号，经光纤传输到电光强度调制器6，在电光强度调制器6处被频率为f_M1的信号调制，经光纤传输到环行器7后，由光纤探头8发射并接收光信号，回光信号经光纤传输到环行器7后，再传输到电光强度调制器9，在电光强度调制器9处被频率为f_M2的信号进行外差调制。

在信号调理及采集模块3中，光电转换器件10将外差调制后的测量回光信号的强度转换为测量电信号，测量电信号先后经过放大电路11放大、滤波电路12滤波，提升信噪比；将频率为f_IM的正弦波中频信号作为参考电信号，测量电信号与参考电信号一并被A/D模拟数字信号转化器13采集，并生成数字信号传输到数字处理系统4进行相位鉴别和比较，产生与待测距离成一一映射关系的相位差。

数字处理系统4利用相位差数据及标定曲线，实时在线获取距离测量值，同时系统的软件具有在线显示、离线分析等功能。

实施例2

本实施例提供的一种基于双电光外差调制的相位式距离测量装置中，光路单元1采用双波长结构，既有测量光又有参考光，如图2所示，测量装置主要包括：

光路单元1、信号产生模块2、信号调理及采集模块3和数字处理系统4；其中，光路单元1主要包括激光器5、激光器14、耦合器15、电光强度调制器6、环行器7、光纤探头8、电光强度调制器9；信号调理及采集模块3包括波分复用器16、光电转换器件10、光电转换器件17、放大电路11、放大电路18、滤波电路12、滤波电路19、A/D模拟数字信号转化器13；激光器5、激光器14通过光纤与耦合器15连接，耦合器15通过光纤依次与电光强度调制器6、环行器7相连；环行器7通过光纤分别与光纤探头8、电光强度调制器9相连，光纤探头8的出射方向正对待测目标；信号产生模块2分别与电光强度调制器6、电光强度调制器9和A/D模拟数字信号转化器13相连。电光强度调制器9与波分复用器16连接，波分复用器16输出端分为两路，一路为依次相连的光电转换器件10、放大电路11、滤波电路12、A/D模拟数字信号转化器13相连；另一路为依次相连的光电转换器件17、放大电路18、滤波电路19、A/D模拟数字信号转化器13。

光路单元1采用双波长结构时，光纤探头8可采用双测头结构或共光路结构；对于双测头结构(见图3)，波分复用器20将双波长光信号分成两路光束，测头21发射测量光并接收转子端面的回光信号，测头22在其端面反射参考光；对于共光路结构(见图2)，光纤探头端面进行镀膜处理，所镀膜使波长为λ₀的激光全透射，使波长为λ₁的激光全反射；镀膜可选用λ₀波段的增透膜及λ₁波段的反射膜。

信号产生模块2输出一路频率为f_M1的正弦波调制信号、另一路频率为f_M2的正弦波调制信号以及频率为f_IM的正弦波中频信号，且f_IM＝|f_M1-f_M2|。

对于光路单元1采用双波长结构的测量装置，激光器5产生波长为λ₀的激光作为测量光，激光器14产生波长为λ₁的激光作为参考光，测量光与参考光在耦合器15合为一路双波长的光束，电光强度调制器6同时对双波长光信号调制，电光强度调制器9同时对双波长光信号进行外差调制，测量光投射到待测端面即转子端面并被反射，参考光在光纤探头端面直接反射。由于参考光和测量光同时存在，波分复用器16将双波长光信号分成测量光信号和参考光信号两路光束。

对于测量光信号的处理，光电转换器件10将测量光信号的强度转换为测量电信号，测量电信号先后经过放大电路11放大、滤波电路12滤波处理，提升信噪比；

对于参考光信号的处理，光电转换器件17将参考光信号的强度转换为参考电信号，参考电信号先后经过放大电路18放大、滤波电路19滤波处理，提升信噪比；测量电信号、参考电信号及中频信号由A/D模拟数字信号转化器13采集后，并生成数字信号传输到数字处理系统4进行相位鉴别和比较。

数字处理系统4利用相位差数据及标定曲线，实时在线获取距离测量值，同时系统的软件具有在线显示、离线分析等功能。

进一步的，上述两个实施例中：

信号产生模块2的信号产生方式可以选用模拟式频率合成技术或者直接数字式频率合成技术或者锁相环频率合成技术；本实施例中信号产生模块2可以是锁相环，由控制器、时钟基准、鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、分频器等组成；控制器可选用STM32系列单片机；时钟基准为系统提供稳定的频率参考，可以选用频率稳定度较高的温度补偿晶体振荡器；环路滤波器起到抑制相位噪声和杂散噪声的作用，可以选用无源滤波器或者有源滤波器；信号产生模块2产生两路调制信号和一路中频信号，调制信号的频率越高，测距精度越高，但调制信号的半波长要大于量程，以避免相位测距模糊问题；例如15mm的量程，可选择8～10GHz的调制信号频率；中频信号的频率选取需要考虑其对相位式距离测量系统的动态响应性能的影响，即相位测量一般需3～5个信号周期，以装备叶尖间隙测量为例，中频信号的频率选取下限要保证叶片端面通过传感器时能获得有效测量；中频信号的频率选取上限要兼顾A/D模拟数字信号转化器13的采样速度，避免欠采样，例如选择5MHz的中频信号频率。

激光器5和激光器14可选用半导体蝶形封装激光器；耦合器15可选用3dB光纤耦合器；环行器7可选用三端口光纤环行器；所有光路的光纤可选用石英保偏光纤；电光强度调制器6和电光强度调制器9可选用铌酸锂马赫-曾德尔型强度调制器；从环行器7到电光强度调制器9之间的光路上可以设置光纤放大器以提高信号信噪比。

波分复用器16和波分复用器20可选用粗波分复用器或者密集波分复用器；光电转换器件10和光电转换器件17可选用雪崩光电二极管或者PIN型光电二极管；放大电路11和放大电路18可选用跨阻放大器。

数字处理系统4可以包括下位机和上位机，下位机可选用现场可编程门阵列(FPGA)，上位机可选用计算机或者工控机；下位机利用基于PCI/PCIE/USB3.0通讯总线的高速数据传输方法，将数据从下位机上传到上位机；上位机的软件具有在线显示、数据存储、数据回显、离线分析等功能。

具体的，结合上述两个实施例提供的测量装置，以转子端面作为待测目标，对利用电光调制器实现光信号幅度二次外差调制的在线距离测量方法的具体内容如下：

首先，信号产生模块产生正弦波形式的调制信号和中频信号；两路调制信号，分别由式(1)和式(2)表示：

其中，A_M1和A_M2表示调制信号的幅值，f_M1和f_M2表示调制信号的频率，

和

表示调制信号的初相位；

一路中频信号，由式(3)表示：

其中，A_IM表示中频信号的幅值，f_IM表示中频信号的频率，

表示中频信号的初相位；

f_M1和f_M2根据待测距离范围进行选择，在保证调制信号半波长大于量程的条件下，调制信号频率越高测距精度越高；f_IM根据测量系统的动态响应性能要求进行选择，在保证中频信号能被A/D模拟数字信号转化器13不失真采样的条件下，中频信号频率越高系统动态响应速度越快；

进一步的，光路单元1以光信号为载波，利用电光调制原理，被频率为f_M1和f_M2的信号两次调制；光路单元1采用单波长结构时，激光器5产生波长为λ₀的激光作为测量光，无参考光；光路单元1采用双波长结构时，激光器14产生波长为λ₁的激光作为参考光，测量光与参考光在耦合器15合为一路光束，电光强度调制器6同时对双波长光信号调制，电光强度调制器9同时对双波长光信号外差调制，光纤探头8的端面进行镀膜处理，该膜对波长为λ₀的激光全透射，对波长为λ₁的激光全反射，测量光投射到转子端面并被反射，参考光在光纤探头端面直接反射。

测量光和参考光在电光强度调制器6调制后的光强分别由式(4)和式(5)表示：

其中，A_λ0和A_λ1分别表示测量光和参考光强度变化幅度，

和

分别表示测量光和参考光的初始相位。

第一次调制后的测量光和参考光在经历不同传播过程之后，引入不同的相位变化，沿原光路返回到达环行器，然后到达电光强度调制器9，此时测量光和参考光的光强分别由式(6)和式(7)表示：

其中，

和

分别为测量光和参考光在到达电光强度调制器9之前，在光纤、光学器件中传播引入的相位变化，

为测量光在光纤探头与待测目标之间的间隙空间中传播引入的相位变化；测量光和参考光在电光强度调制器9内经过第二次调制后，光强分别由式(8)和式(9)表示：

其中，

和

分别为测量光和参考光在经过电光强度调制器9之后，到达光电转换器件之前，在光纤、光学器件中传播引入的相位变化。

进一步的，光纤探头8既负责向转子方向投射光信号，又负责接收转子端面反射的光信号；当光路单元1采用双波长结构时，光纤探头8可采用双测头结构或共光路结构；对于双测头结构(见图3)，波分复用器20将双波长光信号分成两路光束，测头21发射测量光并接收转子端面的回光信号，测头22在其端面反射参考光；对于共光路结构(见图2)，双波长光信号到达探头端面后，分成测量光与参考光两路光束，测量光投射到待测目标并被反射，参考光在探头端面直接反射，光纤探头8接收反射的回光信号。

进一步的，信号调理及采集模块3用于实现光电转换、信号放大滤波、模拟信号采集等功能；光电转换器件接收的信号是中频强度调制的光信号，信号调理及采集模块3只需对频率为f_IM的中频信号进行处理；

当光路单元1采用单波长结构时，见图1，没有参考光信号，光电转换器件10将测量光信号的强度I”_λ0(t)转换为测量电信号IF_m(t)，由式(10)表示：

信号IF_m(t)先后经过放大电路11、滤波电路12的处理，提升信噪比；此时，IF_m(t)作为测量电信号，信号产生模块2产生的中频信号IF(t)作为参考电信号；测量电信号与参考电信号由A/D模拟数字信号转化器13采集后，传输到数字处理系统4；

当光路单元1采用双波长结构时，见图2，参考光和测量光同时存在，波分复用器16将双波长光信号分成测量光信号和参考光信号两路光束；对于参考光信号的处理，光电转换器件17将参考光信号的强度I”_λ1(t)转换为参考电信号IF_r(t)，由式(11)表示：

信号IF_r(t)先后经过放大电路18、滤波电路19的处理，提升信噪比；此时，IF_m(t)作为测量电信号，IF_r(t)作为参考电信号；测量电信号、参考电信号及中频信号IF(t)由A/D模拟数字信号转化器13采集后，传输到数字处理系统4。

进一步的，数字处理系统4用于实现测量电信号与参考电信号两路信号的数字鉴相及相位比较，并基于相位差数据进行距离计算，可实现测量距离的在线显示、数据存储、数据回显、离线分析等功能；数字处理系统4可以利用中频信号IF(t)的倍频信号，控制A/D模拟数字信号转化器13对测量电信号和参考电信号同步采样。

数字处理系统4采用数字鉴相算法，同时提取测量电信号和参考电信号的相位，并获得二者的相位差；对于单波长结构，相位差由式(12)表示；对于双波长结构，相位差由式(13)表示：

式(12)和式(13)等式的右侧，仅

随待测距离实时发生变化，当系统结构、测量环境不变时，其他相位量不发生改变；与单波长结构相比，双波长结构利用测量光与参考光在同一光路中传输的特点，受环境温度变化、振动影响导致

和

的变化几乎一致，可以相互抵消，提升环境适应性。

数字处理系统利用相位差数据，基于相位测距原理，求解被测距离，表示为式(14)：

采用等间隔遍历待测距离的标定技术，获得量程内各距离值对应的相位差数据，利用曲线拟合方法，建立相位差与待测距离的映射关系，获得距离标定曲线；本发明利用相位差测量结果及标定曲线，可以实现装备间隙在线测量。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于双电光外差调制的相位式距离测量装置，其特征在于，包括光路单元(1)、信号产生模块(2)、信号调理及采集模块(3)和数字处理系统(4)，所述光路单元(1)包括激光器、第一电光强度调制器(6)、环行器(7)、光纤探头(8)和第二电光强度调制器(9)；所述激光器、第一电光强度调制器(6)、环行器(7)通过光纤依次相连；环行器(7)通过光纤分别与光纤探头(8)、第二电光强度调制器(9)相连，光纤探头(8)的出射方向正对待测目标；

信号产生模块(2)分别与第一电光强度调制器(6)、第二电光强度调制器(9)和A/D模拟数字信号转化器(13)相连；所述信号产生模块(2)对第一电光强度调制器(6)输出频率为f_M1的正弦波调制信号，对第二电光强度调制器(9)输出频率为f_M2的正弦波调制信号，对A/D模拟数字信号转化器(13)输出频率为f_IM的正弦波中频信号，且f_IM＝|f_M1-f_M2|；

光路单元(1)中，激光器产生光信号，经光纤传输到第一电光强度调制器(6)，光信号在第一电光强度调制器(6)内被频率为f_M1的正弦波调制信号调制后经光纤依次传输到环行器(7)和光纤探头(8)，光纤探头(8)投射光信号至待测目标并接收自待测目标反射的回光信号，回光信号经光纤依次传输到环行器(7)和第二电光强度调制器(9)，并在第二电光强度调制器(9)内被频率为f_M2的正弦波调制信号进行外差调制；

信号调理及采集模块(3)包括依次相连的光电转换器件、放大电路、滤波电路、A/D模拟数字信号转化器(13)；光电转换器件将外差调制后的回光信号转换为电信号，先后经过放大电路放大、滤波电路滤波，与频率为f_IM的正弦波中频信号一并被A/D模拟数字信号转化器(13)采集，生成的数字信号传输到数字处理系统(4)进行相位鉴别和比较，产生与待测距离成一一映射关系的相位差；

数字处理系统(4)利用获得的相位差数据，基于相位测距原理，求解被测距离。

2.根据权利要求1所述一种基于双电光外差调制的相位式距离测量装置，其特征在于，所述光路单元(1)采用单波长或双波长结构。

3.根据权利要求2所述一种基于双电光外差调制的相位式距离测量装置，其特征在于，光路单元(1)为单波长结构时，只设置一个第一激光器(5)用于产生波长为λ₀的激光作为测量光。

4.根据权利要求2所述一种基于双电光外差调制的相位式距离测量装置，其特征在于，光路单元(1)为双波长结构时，还设置有第二激光器(14)和耦合器(15)，第一激光器(5)产生波长为λ₀的激光作为测量光，第二激光器(14)产生波长为λ₁的激光作为参考光，测量光与参考光通过耦合器(15)合为一路双波长光束，第一电光强度调制器(6)同时对双波长光信号进行调制，第二电光强度调制器(9)同时对双波长光信号进行外差调制，光纤探头(8)的端面设有镀膜，镀膜对波长为λ₀的激光全透射，对波长为λ₁的激光全反射，测量光投射到待测目标并被反射，参考光在光纤探头(8)的端面直接反射。

5.根据权利要求2或4所述一种基于双电光外差调制的相位式距离测量装置，其特征在于，当光路单元(1)为双波长结构时，光纤探头(8)采用双测头结构或共光路结构；光纤探头(8)采用双测头结构时，通过第二波分复用器(20)将双波长光信号分成两路光束，第一测头(21)发射测量光并接收待测目标的回光信号，第二测头(22)将参考光全部反射并接收反射的回光信号；光纤探头(8)采用共光路结构时，双波长光信号到达探头端面后，分成测量光与参考光两路光束，测量光投射到待测目标并被反射，参考光在探头端面直接反射，光纤探头(8)接收反射的回光信号。

6.根据权利要求2或4所述一种基于双电光外差调制的相位式距离测量装置，其特征在于，当光路单元(1)为双波长结构时，信号调理及采集模块(3)包括第一光电转换器件(10)、第一放大电路(11)、第一滤波电路(12)、第二光电转换器件(17)、第二放大电路(18)、第二滤波电路(19)、A/D模拟数字信号转化器(13)和第一波分复用器(16)；通过第一波分复用器(16)将双波长光信号分成测量光信号和参考光信号两路光束；测量光信号依次经第一光电转换器件(10)、第一放大电路(11)、第一滤波电路(12)传输至A/D模拟数字信号转化器(13)；参考光信号依次经第二光电转换器件(17)、第二放大电路(18)、第二滤波电路(19)传输至A/D模拟数字信号转化器(13)。

7.根据权利要求1所述一种基于双电光外差调制的相位式距离测量装置，其特征在于，信号产生模块(2)的信号产生方式选用模拟式频率合成技术或者直接数字式频率合成技术或者锁相环频率合成技术。

8.根据权利要求1所述一种基于双电光外差调制的相位式距离测量装置，其特征在于，所述正弦波调制信号的频率为8～10GHz，正弦波中频信号的频率为3～7MHz。

9.一种基于双电光外差调制的相位式距离测量方法，基于权利要求1所述相位式距离测量装置，其特征在于，包括以下步骤：

S1、启动测量装置后，信号产生模块产生正弦波形式的调制信号和中频信号；两路调制信号表示为：

其中，A_M1和A_M2分别表示两路调制信号的幅值，f_M1和f_M2分别表示两路调制信号的频率，

和

分别表示两路调制信号的初相位；

一路中频信号表示为：

其中，A_IM表示中频信号的幅值，f_IM表示中频信号的频率，

表示中频信号的初相位；

激光器产生的光信号，光信号经光纤传输到第一电光强度调制器，经第一电光强度调制器调制后的光强表示为：

其中，A_λ0表示光信号强度的变化幅度，

表示光信号的初始相位，f_M1表示调制信号的频率；

S2、光信号在第一电光强度调制器处被频率为f_M1的正弦波调制信号调制后经光纤依次传输到环行器和光纤探头，光纤探头投射光信号至待测目标并接收自待测目标反射的回光信号，回光信号经光纤依次传输到环行器和第二电光强度调制器，此时回光信号的光强表示为：

其中，

为回光信号在到达第二电光强度调制器之前，在光纤及各个光学器件中传播引入的相位变化，

为回光信号在光纤探头与待测目标之间的间隙空间中传播引入的相位变化；

S3、回光信号在第二电光强度调制器内被频率为f_M2的正弦波调制信号进行外差调制，调制后的光强表示为：

其中，

为回光信号在经过电光强度调制器之后，到达信号调理及采集模块之前，在光纤及各个光学器件中传播引入的相位变化；

S4、信号调理及采集模块中的光电转换器件将测量回光信号的光强度I”_λ0(t)转换为测量电信号IF_m(t)，由下式表示：

电信号IF_m(t)依次经过放大电路、滤波电路的处理，提升信噪比；IF_m(t)作为测量电信号，信号产生模块产生的中频信号IF(t)作为参考电信号；测量电信号与参考电信号由A/D模拟数字信号转化器采集后，传输到数字处理系统；

S5、数字处理系统实现测量电信号与参考电信号两路信号的数字鉴相及相位比较，并基于相位差数据进行距离计算，实现待测距离的在线显示、数据存储、数据回显、离线分析。

10.根据权利要求9所述一种基于双电光外差调制的相位式距离测量方法，其特征在于，步骤S5中数字处理系统能够利用中频信号IF(t)的倍频信号，控制A/D模拟数字信号转化器对测量电信号和参考电信号同步采样；

数字处理系统采用数字鉴相算法，同时提取测量电信号和参考电信号的相位，并获得二者的相位差；对于单波长结构，相位差由下式表示；

数字处理系统利用相位差数据，基于相位测距原理，求解待测距离d，由下式表示：

采用等间隔遍历待测距离的标定技术，获得量程内各距离值对应的相位差数据，利用基于高阶多项式拟合的曲线拟合方法，建立相位差与待测距离的映射关系，获得距离标定曲线；利用相位差测量结果及标定曲线，实现待测距离的在线测量；所述数字鉴相算法选用基于正交解调的数字鉴相算法或者基于全相位傅里叶变换的数字鉴相算法。

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