CN115356742B - 一种基于相位拼接的高精度外调fmcw激光测距系统及方法 - Google Patents

一种基于相位拼接的高精度外调fmcw激光测距系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于相位拼接的高精度外调FMCW激光测距系统及方法，包括：激光光源、RF源、电光调制器EOM、分束器、光电探测器、ADC与数据采集卡以及数据处理单元；将窄线宽激光在驱动信号作用下产生n阶多边带调谐激光，将n阶多边带调谐激光分为测量光路信号与本振光路信号，测量光路信号辐照到待测物体表面产生回波信号，回波信号与本振光路信号形成拍频光信号，对拍频信号进行滤波、单频信号的相位解析与拼接、频谱分析、计算有效频率、计算拍频频率和多普勒频率，以及计算待测物体的距离和速度，提升了测距分辨率、检测效率以及测量精度，可以实现获取待测物体的速度、厚度与间隔信息，还有助于实现非线性矫正、强度噪声抑制和偏振噪声抑制。

Description

一种基于相位拼接的高精度外调FMCW激光测距系统及方法
技术领域
本发明涉及激光测距技术领域，更具体的说是涉及一种基于相位拼接的高精度外调FMCW激光测距系统及方法。
背景技术
激光雷达技术在车载、测度学、工业测量等领域具有广泛的应用价值。FMCW调频连续波激光雷达相对于TOF雷达可以实现更小的输出功率、更远距探测、更高测试精度等。
目前，激光雷达测距多利用内调光源作为FMCW的光源，内调光源可以采用分布反馈式DFB激光器、垂直腔面半导体激光器VCSEL、外腔半导体激光器ECLD等。
其中，基于ECLD内调FMCW系统，ECLD具有较宽的调谐范围，其范围可达数十nm甚至上百nm，对应的FMCW测距的分辨率为微米至亚微米量级，虽然可以获得极大的调谐范围，但是该系统的光源体积较大，且存在较强的调谐非线性，使得系统成本极高且体积庞大，系统方案较为复杂；当采用DFB等激光器时，调谐范围较小。
而常见的外调FMCW系统，虽然其调谐非线性比内调方案弱，但是其调谐范围较小，使得其分辨率和精度较低。
因此，如何提供一种高精度外调FMCW激光测距系统及方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于相位拼接的高精度外调FMCW激光测距系统及方法，来提升测距分辨率、检测效率以及测量精度。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于相位拼接的高精度外调FMCW激光测距系统，包括：n阶多边带调谐激光光源、测试模块和数据处理模块，n≥1；
n阶多边带调谐激光光源包括内调激光光源和电光调制器EOM，测试模块包括分束器和光电探测器，数据处理模块包括数据处理单元；
内调激光光源，用于产生窄线宽激光；
电光调制器EOM，用于将窄线宽激光在驱动信号作用下产生按正负对称分布的n阶多边带调谐激光，边带数量为2n，正负调谐各为n；
分束器，用于将n阶多边带调谐激光分为测量光路信号与本振光路信号，测量光路信号辐照到待测物体表面产生回波信号，回波信号与本振光路信号形成拍频光信号；
光电探测器，用于探测拍频光信号，并转化为电信号；
数据处理模块，用于对转化后的拍频信号通过滤波获得n个频率信号，对各个频率信号进行重采样，对所得的采样信号进行相位累加拼接获得n(n+1)/2倍的拼接信号，还用于对拼接信号进行频谱分析得到特征频率，根据特征频率计算待测物体的距离，还用于根据特征频率计算拍频频率和多普勒频率，并计算待测物体的距离和速度。
优选的，n阶多边带调谐激光光源还包括RF源和射频功率放大器；
RF源，用于产生电光调制器EOM需要的驱动信号；
射频功率放大器，用于将RF源的驱动信号放大到合适的幅值。
优选的，测试模块还包括合束器，用于将测量光路信号的回波信号与本振光路信号合束形成拍频光信号。
优选的，数据处理模块还包括ADC与数据采集卡，用于将光电探测器的电信号由模拟信号转化为数字信号，并存储用于数据处理单元的数据分析。
优选的，相位累加方程为：
其中，f为待测拍频频率，n为边带阶数，t1、t2、t3、t4...tn-1、tn，分别为各个拍频频率用于取样的间隔。
优选的，计算待测物体的距离和速度的过程具体为：
其中，c为光速，T为信号频率的调制周期，λ0为光源中心波长，B为信号调制带宽，R为探测距离，Vr为物体的移动速度，fB1和fB2为频谱分析后的特征频率。
优选的，数据处理模块，还用于当待测物体包括多个发射面时，根据特征频率解析每个反射面的位置来计算测量待测物体的距离、厚度和间隔。
一种基于相位拼接的高精度外调FMCW激光测距方法，包括以下步骤：
S1.内调激光光源产生窄线宽激光，将窄线宽激光在驱动信号作用下产生按正负对称分布的n阶多边带调谐激光，边带数量为2n，正负调谐各为n，n≥1；
S2.将n阶多边带调谐激光分为测量光路信号与本振光路信号，测量光路信号辐照到待测物体表面产生回波信号，回波信号与本振光路信号形成拍频光信号；
S3.探测拍频光信号，并转化为电信号，将电信号由模拟信号转化为数字信号，并存储用于数据分析；
S4.对转化后的拍频信号通过滤波获得n个频率信号，对各个频率信号进行重采样，对所得的采样信号进行相位累加拼接获得n(n+1)/2倍的拼接信号，还用于对拼接信号进行频谱分析得到特征频率，根据特征频率计算待测物体的距离，还用于根据特征频率计算拍频频率和多普勒频率，并计算待测物体的距离和速度。
优选的，S1还包括产生电光调制器EOM需要的驱动信号并将驱动信号放大到合适的幅值。
优选的，相位累加方程为：
其中，f为待测拍频频率，n为边带阶数，t1、t2、t3、t4...tn-1、tn，分别为各个拍频频率用于取样的间隔；
根据特征频率计算拍频频率和多普勒频率并计算待测物体的距离和速度的过程具体为：
其中，c为光速，T为信号频率的调制周期，λ0为光源中心波长，B为信号调制带宽，R为探测距离，Vr为物体的移动速度，fB1和fB2为频谱分析后的特征频率；
S4还包括当待测物体包括多个发射面时，根据特征频率解析每个反射面的位置来计算测量待测物体的距离、厚度和间隔。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于相位拼接的高精度外调FMCW激光测距系统及方法，采用相位拼接的方式对信号源进行了展宽，通过EOM调制器对信号进行n阶边带展宽之后，再对检测到的拍频信号进行拼接，提升测距分辨率、检测效率以及测量精度，并且本发明可以实现获取待测物体的速度、厚度与间隔信息，结合参考光路，可以对系统进行非线性矫正，另外，本发明由于没有对光源直接调谐，可以获得更高的信噪比，通过噪声监测、负反馈控制、噪声矫正算法等，可以进一步提高信噪比，提高测量精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的n阶多边带调谐激光光源示意图；
图2附图为本发明提供的测试模块示意图；
图3附图为本发明提供的数据处理示意图；
图4附图为本发明提供的多普勒频移测试示意图；
图5附图为本发明实施例一提供的外调FMCW激光测距系统探测单反射面的示意图；
图6附图为本发明实施例一提供的EOM 10阶边带信号的相位拼接等效时频图；
图7附图为本发明实施例二提供的单发射面重采样相位拼接示意图；
图8附图为本发明实施例三提供的外调FMCW激光测距系统探测多反射面的示意图；
图9附图为本发明实施例三提供的多反射面重采样相位拼接示意图；
图10附图为本发明实施例四提供的外调FMCW激光测距系统用于非线性矫正、强度噪声抑制和偏振噪声抑制的示意图。
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。
本发明实施例公开了一种基于相位拼接的高精度外调FMCW激光测距系统，如图1-图3，包括：n阶多边带调谐激光光源、测试模块和数据处理模块，n≥1；
n阶多边带调谐激光光源包括内调激光光源和电光调制器EOM，测试模块包括分束器和光电探测器，数据处理模块包括数据处理单元；
内调激光光源，用于产生窄线宽激光；
电光调制器EOM，用于将窄线宽激光在驱动信号作用下产生按正负对称分布的n阶多边带调谐激光，边带数量为2n，正负调谐各为n；
分束器，用于将n阶多边带调谐激光分为测量光路信号与本振光路信号，测量光路信号辐照到待测物体表面产生回波信号，回波信号与本振光路信号形成拍频光信号；
光电探测器，用于探测拍频光信号，并转化为电信号；
数据处理模块，用于对转化后的拍频信号通过滤波获得n个频率信号，对各个频率信号进行重采样，对所得的采样信号进行相位累加拼接获得n(n+1)/2倍的拼接信号，还用于对拼接信号进行频谱分析得到特征频率，根据特征频率计算待测物体的距离，还用于根据特征频率计算拍频频率和多普勒频率，并计算待测物体的距离和速度。
为了进一步实施上述技术方案，n阶多边带调谐激光光源还包括RF源和射频功率放大器；
RF源，用于产生电光调制器EOM需要的驱动信号；
射频功率放大器，用于将RF源的驱动信号放大到合适的幅值。
在实际应用中，分束器采用10：90的分光比，其设计为了回波的拍频信号最强；光电探测器包括但不限于PIN、APD和PDB；ADC与数据采集卡采用NI的数据采集卡，包括单通道和多通道的型号，包括12bit，16bit，甚至更高分辨率的AD卡。
在实际应用中，测试模块还包括光纤、环形器、扩束镜和聚焦透镜，测量光路和本振光路采用光纤传输，测量光路通过准直器准直输出后聚焦到待测物体上，所用聚焦方式包括普通透镜或锥透镜，当采用锥透镜时，可以增加信号的辐照深度。
为了进一步实施上述技术方案，测试模块还包括合束器，用于将测量光路信号的回波信号与本振光路信号合束形成拍频光信号。
在实际应用中，单频光经过EOM，通过n阶调制，产生双边带n阶调谐，假定边带数量为2n，利用多阶边带信号可以产生n个拍频频率，且所得频率等比例变化，f1:f2:...fn＝1:2:...n，当待测物移动时，EOM产生的双边带信号由于多普勒频率而产生两个拍频，通过对两个相近频率的解析，可以得到待测物的运动速度。
为了进一步实施上述技术方案，对于单面静止或者移动的物体，相位累加方程为：
其中，f为待测拍频频率，n为边带阶数，t1、t2、t3、t4...tn-1、tn，分别为各个拍频频率用于取样的间隔。
为了进一步实施上述技术方案，如图4，对于单面反射的运动物体，通过上采样以及拼接，然后利用频谱分析获得拍频频率，根据特征频率计算拍频频率和多普勒频率并计算待测物体的距离和速度的过程具体为：
其中，c为光速，T为信号频率的调制周期，λ0为光源中心波长，B为信号调制带宽，R为探测距离，Vr为物体的移动速度，fB1和fB2为特征频率。
为了进一步实施上述技术方案，数据处理模块，还用于当待测物体包括多个发射面时，根据特征频率解析每个反射面的位置来计算测量待测物体的距离、厚度和间隔。
一种基于相位拼接的高精度外调FMCW激光测距方法，包括以下步骤：
S1.内调激光光源产生窄线宽激光，将窄线宽激光在驱动信号作用下产生按正负对称分布的n阶多边带调谐激光，边带数量为2n，正负调谐各为n，n≥1；
S2.将n阶多边带调谐激光分为测量光路信号与本振光路信号，测量光路信号辐照到待测物体表面产生回波信号，回波信号与本振光路信号形成拍频光信号；
S3.探测拍频光信号，并转化为电信号，将电信号由模拟信号转化为数字信号，并存储用于数据分析；
S4.对转化后的拍频信号通过滤波获得n个频率信号，对各个频率信号进行重采样，对所得的采样信号进行相位累加拼接获得n(n+1)/2倍的拼接信号，还用于对拼接信号进行频谱分析得到特征频率，根据特征频率计算待测物体的距离，还用于根据特征频率计算拍频频率和多普勒频率，并计算待测物体的距离和速度。
为了进一步实施上述技术方案，S1还包括产生电光调制器EOM需要的驱动信号并将驱动信号放大到合适的幅值。
为了进一步实施上述技术方案，相位累加方程为：
其中，f为待测拍频频率，即重采样频率，n为边带阶数，t1、t2、t3、t4...tn-1、tn，分别为各个拍频频率用于取样的间隔；
根据特征频率计算拍频频率和多普勒频率并计算待测物体的距离和速度的过程具体为：
其中，c为光速，T为信号频率的调制周期，λ0为光源中心波长，B为信号调制带宽，R为探测距离，Vr为物体的移动速度，fB1和fB2为频谱分析后的特征频率；
S4还包括当待测物体包括多个发射面时，根据特征频率解析每个反射面的位置来计算测量待测物体的距离、厚度和间隔。
实施例一
如图5为本发明的FMCW外调系统用于探测单个静止表面结构图，激光光源为DFB激光器，线宽为60KHz,经过调谐范围为8GHz的RF驱动信号的EOM之后，增加EOM的调谐深度，EOM采用iXblue的相位调制器，使得光源变成10阶边带信号，所用光纤分束器为90：10，光纤类型为保偏光纤，准直光斑直径为5mm，锥透镜为熔融石英时，可以得到32.3mm景深，所设计的探测光路的延迟距离为1.5m，将该信号导入探测光路，探测光路分为测量臂和本振臂，测量臂的光信号通过环形器之后，经过光纤准直器，再经过锥透镜(或者球透镜，或者非球面镜等)，辐照到待测物体表面，待测物体产生回波信号，与本振信号合束，产生拍频，经过光电探测器形成电信号，然后经过ADC与数据采集卡以及数据处理模块，经过计算得到距离和速度等信息。
具体的，对EOM的驱动加电压产生10阶边带后，检测物体返回的光与本振拍频后的信号如图6所示，由于10阶边带的频率带宽成倍频关系，拍频的频率也对应为倍频关系，对10个拍频频率分别进行反傅里叶变换，得到不同频率的信号，然后通过相位累加方程将这10阶信号的相位进行累加后，得到一个440GHz带宽对应的相位值。
本实施例为基于FMCW高精度单点外调测距系统，采用相位拼接的方式对8GHz的信号源进行了展宽，通过EOM调制器对信号进行10阶边带展宽之后，再对检测到的拍频信号进行拼接，从而将原8GHz的信号源展宽到了440GHz，整体的测距分辨率提升了55倍，8GHz的RF信号源系统分辨率由原来的33.4mm提升到0.6068mm，即如果系统RF源提升到80GHz，系统的测距分辨率可以提升到60.68um，通过信噪比的提升，系统在1.5m处的的单点测距精度可以达到0.05mm。
当EOM进行线性扫频时，各阶边带的扫频信号的扫频宽度成倍数关系。对于各阶边带，由于EOM的调谐时间是相同的，因此各个边带的扫频斜率成倍数关系，由于多阶边带是同时产生，因此，利用这种短时间同时获取10阶边带信号，并对这10阶边带信号同步做相位计算，可以在极短的时间内获取极大的带宽，能极大提升系统的测距分辨力，如图6，对左边的框图进行相位拼接等效于右框图，但是在时间轴上，左边方式采集时间只为同样带宽信号时间的1/10，这种做法极大提高了系统的检测效率。
实施例二
图5的FMCW外调系统用于探测单个移动表面，当待测表面移动时，双边带调谐由于多普勒频移而形成两个频率如图7(a)，对于通过滤波获得的各个频率信号进行重采样，采样率与拍频频率成正比关系，根据奈奎斯特采样定律，采样频率采用至少2倍的拍频频率，对所得的采样信号，进行相位拼接，得到图7(b)信号，对拼接好的信号与频谱分析，得到特征频率ω1，ω2，如图7(c)所示，因此，利用两个频率得到多普勒频率和拍频频率,可以得到工作距离与移动速度。
本实施例中，由于获得了扩展了EOM的有效调谐范围，因此可以获得极高的距离分率与多普勒频移，从而可以同步获得频率与距离信息。
实施例三
当本发明的FMCW外调系统用于探测多反射面时如图8，多个反射面的拍频会形成多个拍频频率，同实施例二，对于通过滤波分率的各个频率信号，进行重采样，采样率正比于拍频频率，采样频率采用至少2倍的拍频频率，对所得的采样信号，进行相位拼接与频谱分析，如图9，得到特征频率ω1，ω2....，通过设置速度Vr为0，得到多个反射面的位置，对各个拍频频率对应的距离的计算，可以得到待测物的厚度与间隔信息。
实施例四
如图10利用辅助干涉光路与测量光路进行非线性矫正，利用光源功率监控以及拍频功率监控，通过算法归一化强度噪声，利用偏振片滤波，测量偏振片的功率，归一化偏振噪声信号，利用更短的光纤减小振动通过光纤引入的偏振噪声，通过提高系统的信噪比，改善系统的测试精度。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
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 (7)

1.一种基于相位拼接的高精度外调FMCW激光测距系统，其特征在于，包括：n阶多边带调谐激光光源、测试模块和数据处理模块，n≥1；
n阶多边带调谐激光光源包括内调激光光源和电光调制器EOM，测试模块包括分束器和光电探测器，数据处理模块包括数据处理单元；
内调激光光源，用于产生窄线宽激光；
电光调制器EOM，用于将窄线宽激光在驱动信号作用下产生按正负对称分布的n阶多边带调谐激光，边带数量为2n，正负调谐各为n；
分束器，用于将n阶多边带调谐激光分为测量光路信号与本振光路信号，测量光路信号辐照到待测物体表面产生回波信号，回波信号与本振光路信号形成拍频光信号；
光电探测器，用于探测拍频信号，并转化为电信号；
数据处理模块，用于对转化后的拍频信号通过滤波获得n个频率信号，对各个频率信号进行重采样，对所得的采样信号进行相位累加拼接获得n(n+1)/2倍的拼接信号，还用于对拼接信号进行频谱分析得到特征频率，根据特征频率计算待测物体的距离，还用于根据特征频率计算拍频频率和多普勒频率，并计算待测物体的距离和速度；
相位累加方程为：
其中，f为待测拍频频率，n为边带阶数，t1、t2、t3、t4...tn-1、tn，分别为各个拍频频率用于取样的间隔；
计算待测物体的距离和速度的过程具体为：
其中，c为光速，T为信号频率的调制周期，λ0为光源中心波长，B为信号调制带宽，R为探测距离，Vr为物体的移动速度，fB1和fB2为频谱分析后的特征频率。
2.根据权利要求1所述的一种基于相位拼接的高精度外调FMCW激光测距系统，其特征在于，n阶多边带调谐激光光源还包括RF源和射频功率放大器；
RF源，用于产生电光调制器EOM需要的驱动信号；
射频功率放大器，用于将RF源的驱动信号放大到合适的幅值。
3.根据权利要求1所述的一种基于相位拼接的高精度外调FMCW激光测距系统，其特征在于，测试模块还包括合束器，用于将测量光路信号的回波信号与本振光路信号合束形成拍频光信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于相位拼接的高精度外调FMCW激光测距系统，其特征在于，数据处理模块还包括ADC与数据采集卡，用于将光电探测器的电信号由模拟信号转化为数字信号，并存储用于数据处理单元的数据分析。
5.根据权利要求1所述的一种基于相位拼接的高精度外调FMCW激光测距系统，其特征在于，数据处理模块，还用于当待测物体包括多个发射面时，根据特征频率解析每个反射面的位置来计算测量待测物体的距离、厚度和间隔。
6.一种基于相位拼接的高精度外调FMCW激光测距方法，基于权利要求1-5任意一项一种基于相位拼接的高精度外调FMCW激光测距系统，其特征在于，包括以下步骤：
S1.内调激光光源产生窄线宽激光，将窄线宽激光在驱动信号作用下产生按正负对称分布的n阶多边带调谐激光，边带数量为2n，正负调谐各为n，n≥1；
S2.将n阶多边带调谐激光分为测量光路信号与本振光路信号，测量光路信号辐照到待测物体表面产生回波信号，回波信号与本振光路信号形成拍频光信号；
S3.探测拍频光信号，并转化为电信号，将电信号由模拟信号转化为数字信号，并存储用于数据分析；
S4.对转化后的拍频信号通过滤波获得n个频率信号，对各个频率信号进行重采样，对所得的采样信号进行相位累加拼接获得n(n+1)/2倍的拼接信号，还用于对拼接信号进行频谱分析得到特征频率，根据特征频率计算待测物体的距离，还用于根据特征频率计算拍频频率和多普勒频率，并计算待测物体的距离和速度；
相位累加方程为：
其中，f为待测拍频频率，n为边带阶数，t1、t2、t3、t4...tn-1、tn，分别为各个拍频频率用于取样的间隔；
根据特征频率计算拍频频率和多普勒频率并计算待测物体的距离和速度的过程具体为：
其中，c为光速，T为信号频率的调制周期，λ0为光源中心波长，B为信号调制带宽，R为探测距离，Vr为物体的移动速度，fB1和fB2为频谱分析后的特征频率；
S4还包括当待测物体包括多个发射面时，根据特征频率解析每个反射面的位置来计算测量待测物体的距离、厚度和间隔。
7.根据权利要求6所述的一种基于相位拼接的高精度外调FMCW激光测距方法，其特征在于，S1还包括产生电光调制器EOM需要的驱动信号并将驱动信号放大到合适的幅值。
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