CN114924280A - 一种频率自扫单频连续波激光测距系统 - Google Patents
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Abstract
一种频率自扫单频连续波激光测距系统，包括频率自扫单频光纤激光器，掺杂光纤放大器以及测量分析系统；所述频率自扫单频光纤激光器用于产生频率自扫单频激光；所述掺杂光纤放大器对所述频率自扫单频激光进行功率放大；所述测量分析系统利用功率放大后的频率自扫单频激光作用于被测物体，基于回波信号实现测距。本发明将波长自扫光纤激光器应用到相干测距中，利用自扫激光的脉冲与光谱特性进行距离探测，兼具激光测距中脉冲法，振幅调制法以及频率调制法的优势，分辨率高、测量距离长、操作分析简便，且可通过光源良好的相干性、较宽的带宽提升测距性能。且不用依赖于昂贵的光源、调制器以及计时分析系统，可大大降低成本，具有良好的经济效益。
Description
技术领域
本发明属于测距技术领域，涉及激光测距，特别涉及一种频率自扫单频连续波激光测距系统。
背景技术
激光测距仪在军事、民生以及工业生产等领域具有重要的应用价值。激光测距是基于光速通过飞行时间对光程进行测量计算最终得出距离信息，因而需要精准的计时器装置对激光的飞行时间进行精确的测量。此外，对激光进行调制也可以通过其他方式得到飞行时间的精确值，典型的方式有脉冲法、振幅调制以及频率调制等方式。这三种方式各有利弊，脉冲法适用于长距离的探测，振幅调制方式适用于短距离的探测，但是两者的分辨率较低。频率调制方式将时间信息通过计算转换为参考信号与回波信号的拍频信息，这在一定程度上增加了测距的分辨率，然而受制于激光的调制带宽以及相干距离，其在长距离的测距很难发挥作用。因此，研发能够适用于多种场景的激光测距仪是十分必要的，是否可以研发出兼具以上三种方式优势的激光测距仪也是科学研究追求的目标。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种频率自扫单频连续波激光测距系统，以解决无法在长距离测距中提升测距分辨率的技术问题，使激光测距适用于多种场景。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种频率自扫单频连续波激光测距系统，包括频率自扫单频光纤激光器，掺杂光纤放大器以及测量分析系统；
所述频率自扫单频光纤激光器用于产生频率自扫单频激光；
所述掺杂光纤放大器对所述频率自扫单频激光进行功率放大；
所述测量分析系统利用功率放大后的频率自扫单频激光作用于被测物体，基于回波信号实现测距。
在一个实施例中，所述频率自扫单频光纤激光器包括第一泵浦源，第一泵浦源的输出端与第一波分复用器的蓝端连接，第一波分复用器的共用端与第一掺杂光纤的一端连接，第一掺杂光纤的另一端与第一光纤环形器的1端口连接，第一光纤环形器的2端口与第二掺杂光纤的一端连接，第二掺杂光纤的另一端与反射端连接，第一光纤环形器的3端口与第一输出耦合器的输入端连接，第一输出耦合器的一个输出端与第一波分复用器的红端连接，形成环形腔，第一输出耦合器的另一个输出端与掺杂光纤放大器连接，输出频率自扫单频激光。
在一个实施例中，所述掺杂光纤放大器包括第二泵浦源、第三泵浦源和第二波分复用器，第二泵浦源、第三泵浦源的输出端接所述第二波分复用器的蓝端，所述频率自扫单频激光接第二波分复用器的红端，第二波分复用器的公共端接第三掺杂光纤的一端，第三掺杂光纤的另一端接所述测量分析系统。
在一个实施例中，所述掺杂光纤放大器还包括第一光纤隔离器和第二光纤隔离器，所述第一光纤隔离器连接于所述频率自扫单频光纤激光器的输出端与所述第二波分复用器的红端之间，所述第二光纤隔离器连接于所述第三掺杂光纤的另一端与所述测量分析系统的输入端之间。
在一个实施例中，所述掺杂光纤放大器采用一级放大或者多级放大的结构对频率自扫单频激光进行放大以获得瓦级至千瓦级的输出光。
在一个实施例中，所述测量分析系统包括第二输出耦合器，所述掺杂光纤放大器的输出端接第二输出耦合器的输入端，第二输出耦合器的一个输出端输出参考信号，接数据分析装置，另一个输出端接光接收发射装置，光接收发射装置向所述被测物体输出激光并接收回波信号，光接收发射装置的输出端接所述数据分析装置，所述数据分析装置基于参考信号和回波信号的频差实现测距。
在一个实施例中，所述测量分析系统还包括第二光纤环形器，其1端口接所述第二输出耦合器的另一个输出端，2端口接光接收发射装置，3端口接数据分析装置。
在一个实施例中，所述光接收发射装置为准直器。
在一个实施例中，所述数据分析装置基于参考信号和回波信号的频差实现测距的方法如下：
将回波信号与参考信号进行拍频记录频差；
通过尖峰脉冲以及频差信号的比对，得出精确的测距时间；
对短距离测距场景，参考信号与回波信号仅会出现正弦信号的相位差，采用振幅调制的方式进行分析；
对长距离测距场景，首先通过参考信号与回波信号的拍频信号确定频差，之后比对脉冲信号的时延获取准确的时间信息，得出目标距离。
在一个实施例中，所述第一掺杂光纤、第二掺杂光纤和第三掺杂光纤均为掺镱光纤。
与现有技术相比，本发明将波长自扫光纤激光器应用到相干测距中，利用自扫激光的脉冲与光谱特性进行距离探测。该技术方案兼具激光测距中脉冲法，振幅调制法以及频率调制法的优势，具有分辨率高、测量距离长、操作分析简便等优势，且可通过光源良好的相干性、较宽的带宽提升测距性能。就系统本身而言，该测距方案不用依赖于昂贵的光源、调制器以及计时分析系统，可大大降低成本，具有良好的经济效益。
附图说明
图1是频率自扫单频连续波(FSCW)激光测距系统装置图。
图2是反射端为光纤布拉格光栅的自扫激光输出脉冲图，其中(b)为(a)中一个脉冲信号的高精度曲线图。
图3是反射端为光纤布拉格光栅的自扫光谱图，其中(a)为时间-波长关系图，(b)为波长-强度关系图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
激光测距的关键是获取激光的飞行时间，现有脉冲法、振幅调制法以及频率调制法在获取飞行时间精确值时，无法满足长距离测距下对高分辨率的要求，因此，本发明提供了一种频率自扫单频连续波激光测距系统，其主要包括频率自扫单频光纤激光器，掺杂光纤放大器以及测量分析系统。
其中，频率自扫单频光纤激光器用于产生频率自扫单频激光，掺杂光纤放大器用于对该频率自扫单频激光进行功率放大调节，使得其达到测距场景所需要的功率，测量分析系统则利用放大调节后得到的频率自扫单频激光作用于被测物体。
在测量分析系统中，激光分为两部分，一小部分作为参考信号，剩余大部分经过被测物体反射得到回波信号。基于参考信号和回波信号，即可实现测距，方法如下：
1、将回波信号与参考信号进行拍频记录频差；
2、通过尖峰脉冲以及频差信号的比对，得出精确的测距时间。
对于短距离测距场景，参考信号与回波信号仅会出现正弦信号的相位差，可直接采用振幅调制法进行分析。
对于长距离测距场景，首先通过参考信号与回波信号的拍频信号确定频差，之后比对脉冲信号的时延获取准确的时间信息，得出目标距离。
在本发明中，短距离的定义一般是指0-100m，长距离的定义一般是指大于1000m。
在本发明中，频率自扫单频激光，指的是输出激光能够产生周期性的线性频率变化，且输出激光同时保持高的单色性(线宽在kHz级别)。
在本发明的一个实施例中，分别提供了频率自扫单频光纤激光器、掺杂光纤放大器和测量分析系统的一种结构。
实现激光测距的核心是频率自扫单频光纤光源，参考图1，本发明频率自扫单频光纤激光器即图1中的Phase1，其是由第一泵浦源11、第一波分复用器21、第一掺杂光纤31、第一光纤环形器41、第二掺杂光纤32、反射端5以及第一输出耦合器61组成的环形腔。其中，第一泵浦源1的输出端与第一波分复用器21的蓝端连接，第一波分复用器21的共用端通过第一掺杂光纤31连接第一光纤环形器41的1端口，第一光纤环形器41的2端口通过第二掺杂光纤32连接反射端5，第一光纤环形器41的3端口连接第一输出耦合器61的输入端，第一输出耦合器61的一个输出端与第一波分复用器21的红端连接，形成环形腔，另一个输出端与掺杂光纤放大器连接，输出频率自扫单频激光。
该结构中，第一掺杂光纤31作为增益介质，能够产生激发光，该激发光经第二掺杂光纤32传输至反射端5，在反射端5反射后，再沿第二掺杂光纤32原路返回该环形腔，沿环形腔继续向下游传输。第二掺杂光纤32作为可饱和吸收体，激发光在其中形成驻波结构，并形成动态光栅以实现激光频率自扫运转，反射端5的带宽确定了频率自扫的波长范围。
频率自扫光纤光源的脉冲强度以及频率特征是测距的关键所在，其结合了脉冲法以及频率调制法测距的优势特征。在实际测量中经过长距离的延迟光与参考光在脉冲中展示出滞后性，而频率自扫激光在尖峰脉冲的前后存在着频率不同，但是频率间隔恒定的连续波。在光延迟达到毫秒量级后，可以通过延迟光与参考光的拍频信号获得频率间隔的倍数，进一步通过延迟光与参考光的脉冲序列来得出延迟时间，最终获得目标距离。掺杂光纤放大器即图1中的Phase2，其主要包括第二泵浦源12、第三泵浦源13和第二波分复用器22。其中第二泵浦源12、第三泵浦源13的输出端接第二波分复用器22的976nm(蓝色)端，频率自扫单频激光接第二波分复用器22的1064nm(红色)端，第二波分复用器22的公共(黑色)端通过第三掺杂光纤33接测量分析系统。通过第二泵浦源12、第三泵浦源13以及第三掺杂光纤33可对频率自扫单频光纤激光器输出的频率自扫单频激光进行放大并获得合适的激光功率。
本发明中，频率自扫单频光纤光源输出的频率自扫单频激光的波长范围可以达到4nm、功率范围可达到10mW。而经放大调节后，输出激光功率可达W级。
示例地，该掺杂光纤放大器还可包括第一光纤隔离器71和第二光纤隔离器72，第一光纤隔离器71连接于频率自扫单频光纤激光器的输出端与第二波分复用器22的1064nm(红)端之间，第二光纤隔离器72连接于第三掺杂光纤33与测量分析系统的输入端之间。第一光纤隔离器71和第二光纤隔离器72的主要作用是对产生的反向布里渊散射光进行隔离，以防对种子源造成干扰。
在本发明中，可以根据需要的光功率来确定结构，可以采用一级放大或者多级放大的结构对频率自扫单频激光进行放大以获得瓦级乃至千瓦级的输出光。
测量分析系统即图1中的Phase3，其主要包括第二输出耦合器62、数据分析装置10和光接收发射装置8，其中掺杂光纤放大器的输出端接第二输出耦合器62的输入端，第二输出耦合器62的一个输出端输出参考信号，接数据分析装置10，另一个输出端接光接收发射装置8，光接收发射装置8向被测物体9输出激光并接收回波信号，光接收发射装置8的输出端接数据分析装置10，数据分析装置10基于参考信号和回波信号的频差实现测距。示例地，该测量分析系统还包括第二光纤环形器42，其1端口接第二输出耦合器62的另一个输出端，2端口接光接收发射装置8，3端口接数据分析装置10。
经过放大的激光通过第二输出耦合器62分为两路，一路直接通入数据分析装置10，另一路光通过第二光纤环形器42后由光接收发射装置8输出，光波经被测物体9反射后，回波信号通过光接收发射装置8重新进入第二光纤环形器42，并最终进入数据分析装置10。
本发明测量分析系统中，大部分激光通过第二光纤环形器42由光接收发射装置8发出，经过被测物体9反射得到回波信号，回波信号回到光接收发射装置8中，与另一小部分作为参考信号激光一同进入数据分析装置10。
在本发明中，光接收发射装置8可选择准直器。反射端5可以选择光纤布拉格光纤、光纤Sagnac全反镜、光纤环形器等反射装置以实现带宽可控的频率自扫光纤光源。图2和图3展示了反射端5是光纤布拉格光栅时自扫激光的脉冲与光谱。可以看出，由于种子激光的扫频特性，输出将具备自扫频激光输出特征。
在本发明中，各个泵浦源发出980nm光，第一掺杂光纤31、第二掺杂光纤32和第三掺杂光纤33均为能够产生1μm附近激发光的掺镱光纤。当然还可以采用其他波长和其他掺杂介质的掺杂光纤，只要能够实现本发明中掺杂光纤的作用都在本发明的保护范围内。另外，各泵浦源、波分复用器、光纤环形器、光接收发射装置和输出耦合器的工作波长均与掺杂光纤的激发波长一致。同时，各泵浦源、波分复用器、光纤环形器、光接收发射装置和输出耦合器相互之间的连接均为单模光纤连接。
Claims (10)
1.一种频率自扫单频连续波激光测距系统，其特征在于，包括频率自扫单频光纤激光器，掺杂光纤放大器以及测量分析系统；
所述频率自扫单频光纤激光器用于产生频率自扫单频激光；
所述掺杂光纤放大器对所述频率自扫单频激光进行功率放大；
所述测量分析系统利用功率放大后的频率自扫单频激光作用于被测物体(9)，基于回波信号实现测距。
2.根据权利要求1所述频率自扫单频连续波激光测距系统，其特征在于，所述频率自扫单频光纤激光器包括第一泵浦源(11)，第一泵浦源(1)的输出端与第一波分复用器(21)的蓝端连接，第一波分复用器(21)的共用端与第一掺杂光纤(31)的一端连接，第一掺杂光纤(31)的另一端与第一光纤环形器(41)的1端口连接，第一光纤环形器(41)的2端口与第二掺杂光纤(32)的一端连接，第二掺杂光纤(32)的另一端与反射端(5)连接，第一光纤环形器(41)的3端口与第一输出耦合器(61)的输入端连接，第一输出耦合器(61)的一个输出端与第一波分复用器(21)的红端连接，形成环形腔，第一输出耦合器(61)的另一个输出端与掺杂光纤放大器连接，输出频率自扫单频激光。
3.根据权利要求1所述频率自扫单频连续波激光测距系统，其特征在于，所述掺杂光纤放大器包括第二泵浦源(12)、第三泵浦源(13)和第二波分复用器(22)，第二泵浦源(12)、第三泵浦源(13)的输出端接所述第二波分复用器(22)的蓝端，所述频率自扫单频激光接第二波分复用器(22)的红端，第二波分复用器(22)的公共端接第三掺杂光纤(33)的一端，第三掺杂光纤(33)的另一端接所述测量分析系统。
4.根据权利要求3所述频率自扫单频连续波激光测距系统，其特征在于，所述掺杂光纤放大器还包括第一光纤隔离器(71)和第二光纤隔离器(72)，所述第一光纤隔离器(71)连接于所述频率自扫单频光纤激光器的输出端与所述第二波分复用器(22)的红端之间，所述第二光纤隔离器(72)连接于所述第三掺杂光纤(33)的另一端与所述测量分析系统的输入端之间。
5.根据权利要求4所述频率自扫单频连续波激光测距系统，其特征在于，所述掺杂光纤放大器采用一级放大或者多级放大的结构对频率自扫单频激光进行放大以获得瓦级至千瓦级的输出光。
6.根据权利要求2或3或4或5所述频率自扫单频连续波激光测距系统，其特征在于，所述测量分析系统包括第二输出耦合器(62)，所述掺杂光纤放大器的输出端接第二输出耦合器(62)的输入端，第二输出耦合器(62)的一个输出端输出参考信号，接数据分析装置(10)，另一个输出端接光接收发射装置(8)，光接收发射装置(8)向所述被测物体(9)输出激光并接收回波信号，光接收发射装置(8)的输出端接所述数据分析装置(10)，所述数据分析装置(10)基于参考信号和回波信号的频差实现测距。
7.根据权利要求6所述频率自扫单频连续波激光测距系统，其特征在于，所述测量分析系统还包括第二光纤环形器(42)，其1端口接所述第二输出耦合器(62)的另一个输出端，2端口接光接收发射装置(8)，3端口接数据分析装置(10)。
8.根据权利要求6所述频率自扫单频连续波激光测距系统，其特征在于，所述光接收发射装置(8)为准直器。
9.根据权利要求6所述频率自扫单频连续波激光测距系统，其特征在于，所述数据分析装置(10)基于参考信号和回波信号的频差实现测距的方法如下：
(1)将回波信号与参考信号进行拍频记录频差；
(2)通过尖峰脉冲以及频差信号的比对，得出精确的测距时间；
对短距离测距场景，参考信号与回波信号仅会出现正弦信号的相位差，采用振幅调制的方式进行分析；
对长距离测距场景，首先通过参考信号与回波信号的拍频信号确定频差，之后比对脉冲信号的时延获取准确的时间信息，得出目标距离。
10.根据权利要求6所述频率自扫单频连续波激光测距系统，其特征在于，所述第一掺杂光纤(31)、第二掺杂光纤(32)和第三掺杂光纤(33)均为掺镱光纤。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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