CN114910922A - 基于三色激光大气折射率补偿激光测距装置及方法 - Google Patents

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CN114910922A CN202210363111.3A CN202210363111A CN114910922A CN 114910922 A CN114910922 A CN 114910922A CN 202210363111 A CN202210363111 A CN 202210363111A CN 114910922 A CN114910922 A CN 114910922A
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Abstract

本发明公开了基于三色激光大气折射率补偿激光测距装置及方法，装置包括：激光器、滤波器、第一分束片、反射镜M1、反射镜M2、反射镜M3、第二分束片、光电探测器、滤波器、信息处理系统和距离计算系统；光源采用三波长激光发射器，在相位法的基础上通过调制器将激光光强调制为随调制信号幅值变化的相位激光，通过三个反射镜使不同波长的激光分别沿着不同路径传播，通过光电探测器接收到的激光为三个带有相位差的测量信号，同时，对三个信号分别进行计算处理得到测量路径上的大气平均折射率，最后计算出测量距离；本发明不仅能够测量整个传输路径上的大气折射率还提高了测距的精度。

Description

基于三色激光大气折射率补偿激光测距装置及方法
技术领域
本发明涉及三色激光大气平均折射率补偿技术，更具体地说是一种基于三色激光大气折射率补偿激光测距技术，属于激光测距领域。
背景技术
在先进技术和前沿科学领域对精密测距有着广泛的应用需求，在强大的需求推动下，距离测量技术由最初的机械测量演化到现在的光学测量。其中，激光由于具有亮度高、单色性好以及非常好的相干性、高精度和快响应等诸多优点，激光测距技术应运而生。近些年来，具有体积小、数字化、智能化和低成本易操作等特点的激光测距仪层出不穷，例如便携式激光测距仪和手持式激光测距仪，并且随着测距技术的不断发展，激光测距技术也逐渐渗透到各个领域，小到纳米级别的光刻机定位，大到数千千米的空间引力波探测。所以追求极致测距精度的距离测量技术已然成为科学进步和各行业发展的关键因素之一。
但是，由于大气中包含温度、压强、二氧化碳以及湿度等因素的影响，会造成测距仪的精度起伏不定。为了计算大气折射率以提高测距精度，从17世纪起人们就开始在室内测量和计算大气折射率，一直到19世纪才有了较为准确的测量数据。
随着科技的进步，测量大气折射率的精度不断提高，例如位于我国贵州省黔南的500m口径球面射电望远镜(FAST)就带有一个内部装有各类传感器的小型“气象站”，用来探测大气中的温度、压强、二氧化碳含量等参数，最后根据公式进行计算来对大气折射率进行补偿；又比如利用大气参数计算折射率、微波折射率测量仪以及多波长干涉绝对测量补偿大气折射率法等，都提高了大气折射率的测量精度，但存在的缺点是只能补偿一定范围内的大气折射率，不能测量整条路经上的大气折射率。
因此，如何有效测量更大路径范围内的大气折射率提高测距精度一直是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种基于三色激光大气折射率补偿激光测距技术，能够测量更大范围甚至是整条路径上的大气折射率用以提高测距精度。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
基于三色激光大气折射率补偿激光测距装置，包括激光器、调制器、第一分束片、三色反射器、第二分束片、光电探测器、滤波器、信息处理系统和距离计算系统；在测量目标处放置三色反射器，所述三色反射器包括等距离ΔL设置的三个反射镜M1、反射镜M2和反射镜M3，且三个反射镜M1、反射镜M2和反射镜M3对不同波长的反射系数和透射系数不同；
所述激光器采用三波长激光发射器，发出连续光源，经调制器调制为随调制信号变化的光波，调制后的激光发射到位于目标处的三个反射镜M1、反射镜M2和反射镜M3处，经三个反射镜分别得到不同相位的激光光波后反射到第一分束片上，再经过第二分束片发射到光电探测器处，最终被光电探测器所接收；接收到的光波经过滤波器滤除噪声信号，经信息处理系统检测这一来回收发信号产生的相位差，通过相位差得到大气平均折射率，最后经距离计算系统计算得到距离。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述调制器调制信号的频率f根据测程R确定，根据测程R＜λ/2，对激光进行调制，其中λ为调制后光波信号一个周期所传输的距离。
本发明技术方案的进一步改进在于：增大反射镜M1、反射镜M2和反射镜M3的间距ΔL，能够增大测量折射率的精度。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述信息处理系统包含相位法测距系统。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
基于三色激光大气折射率补偿激光测距装置的测距方法，包括如下步骤：
步骤1：构建基于三色激光大气折射率补偿激光测距装置；
步骤2：打开三色激光器，发出连续光源，经调制器调制为随调制信号幅值变化的光波，光波经调制器射出后在系统和目标之间传输一个来回被光电探测器所接收；
其中，调制器射出的激光经反射镜M1、反射镜M2和反射镜M3反射后产生三个分别沿路径L1、路径L2和路径L3传播的光波信号，反射后的光波信号带有相位差；经过路径L1的波长产生的相位差记为
Figure BDA0003584700220000031
经过路径L2的波长产生的相位差记为
Figure BDA0003584700220000032
经过路径L3的波长产生的相位差记为
Figure BDA0003584700220000033
步骤3：光电探测器接收到带有噪声的光波信号，后经滤波器进行滤波；
步骤4：信息处理系统检测所述过程中收发信号产生的相位差，将三个相位差
Figure BDA0003584700220000034
代入
Figure BDA0003584700220000035
得到相位差平均值
Figure BDA0003584700220000036
将
Figure BDA0003584700220000037
代入
Figure BDA0003584700220000038
得到大气平均折射率
Figure BDA0003584700220000039
距离计算系统将大气平均折射率代入
Figure BDA00035847002200000310
得到测量距离R。
本发明技术方案的进一步改进在于：相位差
Figure BDA00035847002200000311
的计算过程如下：
为简化分析，设参考信号的初始相位为0，参考信号表示为：
Er(t)＝Ik cos 2πfmt，
测量信号表示为：
Figure BDA00035847002200000312
其中，Ik为信号强度，α为两信号幅值的比值，
Figure BDA00035847002200000313
为光信号经过传播后产生的相位变化；
在进行鉴相时，参考信号被分为两路，其中一路经90°移相器得到两正交信号，即一对I/Q正交分量，分别为：
Figure BDA0003584700220000041
Figure BDA0003584700220000042
其中f0＝fm，同样的，测量信号也被分为两路，分别与I/Q混频，混频后的信号表示为：
Figure BDA0003584700220000043
Figure BDA0003584700220000044
通过低通滤波器将高频分量去除，提取直流信号得：
Figure BDA0003584700220000045
Figure BDA0003584700220000046
低通滤波器的输出使用AD采样并进行计算，将两路信号的相位差计算出来，信号之间的相位差表示为：
Figure BDA0003584700220000047
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
本发明采用三色反射器作为目标，与微波折射率仪、光线测量法或者“气象站”法等折射率补偿办法相比，可以在长距离或折射率分布相差较大的情况下减小测距误差，并且在测程确定时，适当增大三色反射镜的间距，能够增大测量折射率的精度。
本发明中三色激光经三个反射镜反射后分别经过三条不同路径，通过对三条路径分别测量大气折射率取平均值可以减小“温漂”等现象对鉴相带来的误差。
本发明采用两路并行鉴相的方法测量相位差，可以在提高频谱利用率的同时能够反映参考信号与测量信号间的超前滞后关系。
附图说明
图1是本发明基于三色激光大气折射率补偿激光测距装置的示意图；
图2是本发明本发明相位法测距系统的示意图；
图3是本发明两路并行鉴相方法测量相位差系统的示意图；
其中，1、激光器，2、调制器，3、第一分束片，4、三色反射器，5、第二分束片，6、光电探测器，7、滤波器，8、信息处理系统，9、距离计算系统。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例公开了一种基于三色激光大气折射率补偿激光测距装置，包括激光器1、调制器2、第一分束片3、三色反射器4、第二分束片5、光电探测器6、滤波器7、信息处理系统8和距离计算系统9；
所述激光器1采用三波长激光发射器，发射到测量目标前，在相位法基础上利用调制器2根据测程R来确定调制信号的频率f，即使测程R＜λ/2，对激光进行调制，其中λ为调制后光波信号一个周期所传输的距离。
三色激光器发出连续光源，经调制器2调制为随调制信号变化的光波，调制后的激光发射到测量目标处，即三个反射镜M1、M2和M3所在处，经三个反射镜分别得到不同相位的激光光波后反射到第一分束片3上，再经过第二分束片5发射到光电探测器6处得到参考信号与三个测量信号；
光电探测器6接收到的信号经过滤波器7滤除噪声信号，经信息处理系统8检测这一来回收发信号产生的相位差，通过相位差得到大气平均折射率，最后经距离计算系统计算得到距离。
其中，三个反射镜M1、M2和M3等距离ΔL放置在测量目标处，并且对不同波长的反射系数和透射系数不同，不同相位波长的激光分别在距离为L1、L2和L3的路径上传播，反射后带有相位差的三个波长被光电接收器接收。
其中信息处理系统所包含的相位法测距系统参见附图2，本振信号的频率与参考信号的频率有较小差值，该本振信号同时与参考信号和被光电探测器6接收到的探测信号进行混频，经过混频器的混频信号被低频滤波器滤波后得到低频段信号，该低频段信号仍然保留原始的相位，后经过放大器放大进行鉴相.
其中相位法测距系统中鉴相器所用鉴相方法系统示意图参见附图3，包含有相位差的测量信号和参考信号进入鉴相器分别被分为两路，参考信号的其中一路通过90°移相器得到两路正交信号，即一对正交分量，分为两路的测量信号分别与这一对正交分量进行混频，混频后的信号经低通滤波器将高频分量滤除，得到的信号使用AD采样并进行运算，计算出两路信号的相位差。使用两路并行鉴相的方法是为了在加一个相位偏移量已知的移相器情况下，鉴别出参考信号和测量信号之间的超前滞后关系，并且在测量范围内保证测量误差不产生显著变化。
具体测距方法包括如下步骤：
步骤1：构建上述基于三色激光大气折射率补偿激光测距装置；
步骤2：打开三色激光器，发出连续光源，经调制器2调制为随调制信号幅值变化的光波，光波经调制器2射出后在系统和目标之间传输一个来回被光电探测器6所接收；
其中，调制器2射出的激光经反射镜M1、反射镜M2和反射镜M3反射后产生三个分别沿路径L1、路径L2和路径L3传播的光波信号，反射后的光波信号带有相位差；经过路径L1的波长产生的相位差记为
Figure BDA0003584700220000061
经过路径L2的波长产生的相位差记为
Figure BDA0003584700220000062
经过路径L3的波长产生的相位差记为
Figure BDA0003584700220000063
步骤3：光电探测器6接收到带有噪声的光波信号，后经滤波器7进行滤波；
步骤4：信息处理系统8检测所述过程中收发信号产生的相位差，将三个相位差
Figure BDA0003584700220000071
代入
Figure BDA0003584700220000072
得到相位差平均值
Figure BDA0003584700220000073
将
Figure BDA0003584700220000074
代入
Figure BDA0003584700220000075
得到大气平均折射率
Figure BDA0003584700220000076
距离计算系统9将大气平均折射率代入
Figure BDA0003584700220000077
得到测量距离R。
其中，相位差
Figure BDA0003584700220000078
的计算过程如下：
为简化分析，设参考信号的初始相位为0，参考信号表示为：
Er(t)＝Ik cos 2πfmt，
测量信号表示为：
Figure BDA0003584700220000079
其中，Ik为信号强度，α为两信号幅值的比值，
Figure BDA00035847002200000710
为光信号经过传播后产生的相位变化；
在进行鉴相时，参考信号被分为两路，其中一路经90°移相器得到两正交信号，即一对I/Q正交分量，分别为：
Figure BDA00035847002200000711
Figure BDA00035847002200000712
其中f0＝fm，同样的，测量信号也被分为两路，分别与I/Q混频，混频后的信号表示为：
Figure BDA00035847002200000713
Figure BDA00035847002200000714
通过低通滤波器将高频分量去除，提取直流信号得：
Figure BDA00035847002200000715
Figure BDA0003584700220000081
低通滤波器的输出使用AD采样并进行计算，将两路信号的相位差计算出来，信号之间的相位差表示为：
Figure BDA0003584700220000082
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.基于三色激光大气折射率补偿激光测距装置，其特征在于：包括激光器(1)、调制器(2)、第一分束片(3)、三色反射器(4)、第二分束片(5)、光电探测器(6)、滤波器(7)、信息处理系统(8)和距离计算系统(9)；在测量目标处放置三色反射器(4)，所述三色反射器(4)包括等距离ΔL设置的三个反射镜M1、反射镜M2和反射镜M3，且三个反射镜M1、反射镜M2和反射镜M3对不同波长的反射系数和透射系数不同；
所述激光器(1)采用三波长激光发射器，发出连续光源，经调制器(2)调制为随调制信号变化的光波，调制后的激光发射到位于目标处的三个反射镜M1、反射镜M2和反射镜M3处，经三个反射镜分别得到不同相位的激光光波后反射到第一分束片(3)上，再经过第二分束片(5)发射到光电探测器(6)处，最终被光电探测器(6)所接收；接收到的光波经过滤波器(7)滤除噪声信号，经信息处理系统(8)检测这一来回收发信号产生的相位差，通过相位差得到大气平均折射率，最后经距离计算系统(9)计算得到距离。
2.根据权利要求1所述的基于三色激光大气折射率补偿激光测距装置，其特征在于：所述调制器(2)调制信号的频率f根据测程R确定，根据测程R＜λ/2，对激光进行调制，其中λ为调制后光波信号一个周期所传输的距离。
3.根据权利要求2所述的基于三色激光大气折射率补偿激光测距装置，其特征在于：增大反射镜M1、反射镜M2和反射镜M3的间距ΔL，能够增大测量折射率的精度。
4.根据权利要求1所述的基于三色激光大气折射率补偿激光测距装置，其特征在于：所述信息处理系统(8)包含相位法测距系统。
5.使用权利要求1、2、4任一项所述的基于三色激光大气折射率补偿激光测距装置的测距方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：构建基于三色激光大气折射率补偿激光测距装置；
步骤2：打开三色激光器，发出连续光源，经调制器(2)调制为随调制信号幅值变化的光波，光波经调制器(2)射出后在系统和目标之间传输一个来回被光电探测器(6)所接收；
其中，调制器(2)射出的激光经反射镜M1、反射镜M2和反射镜M3反射后产生三个分别沿路径L1、路径L2和路径L3传播的光波信号，反射后的光波信号带有相位差；经过路径L1的波长产生的相位差记为
Figure FDA0003584700210000021
经过路径L2的波长产生的相位差记为
Figure FDA0003584700210000022
经过路径L3的波长产生的相位差记为
Figure FDA0003584700210000023
步骤3：光电探测器(6)接收到带有噪声的光波信号，后经滤波器(7)进行滤波；
步骤4：信息处理系统(8)检测所述过程中收发信号产生的相位差，将三个相位差
Figure FDA0003584700210000024
代入
Figure FDA0003584700210000025
得到相位差平均值
Figure FDA0003584700210000026
将
Figure FDA0003584700210000027
代入
Figure FDA0003584700210000028
得到大气平均折射率
Figure FDA0003584700210000029
距离计算系统(9)将大气平均折射率代入
Figure FDA00035847002100000210
得到测量距离R。
6.根据权利要求5所述的基于三色激光大气折射率补偿激光测距装置的测距方法，其特征在于：相位差
Figure FDA00035847002100000211
的计算过程如下：
为简化分析，设参考信号的初始相位为0，参考信号表示为：
Er(t)＝Ikcos2πfmt，
测量信号表示为：
Figure FDA00035847002100000212
其中，Ik为信号强度，α为两信号幅值的比值，
Figure FDA00035847002100000213
为光信号经过传播后产生的相位变化；
在进行鉴相时，参考信号被分为两路，其中一路经90°移相器得到两正交信号，即一对I/Q正交分量，分别为：
Figure FDA00035847002100000214
Figure FDA0003584700210000031
其中f0＝fm，同样的，测量信号也被分为两路，分别与I/Q混频，混频后的信号表示为：
Figure FDA0003584700210000032
Figure FDA0003584700210000033
通过低通滤波器将高频分量去除，提取直流信号得：
Figure FDA0003584700210000034
Figure FDA0003584700210000035
低通滤波器的输出使用AD采样并进行计算，将两路信号的相位差计算出来，信号之间的相位差表示为：
Figure FDA0003584700210000036
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