CN116699626A - 一种基于扫频干涉的激光测距系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于扫频干涉的激光测距系统，包括：第一参考光路、第一测距干涉光路、第二参考光路、第二测距干涉光路、测距光路以及第一激光器和第二激光器，第一激光器发射的第一激光与第二激光器发射的第二激光通过测距光路同步向目标对象发射，测距光路接收反射激光，反射激光分别与经第一测距干涉光路的第一激光和经第二测距干涉光路的第二激光进行干涉获取第一拍频信号和第二拍频信号；基于第一激光和第二激光分别获取第一时钟信号和第二时钟信号，基于第一时钟信号和第二时钟信号对第一拍频信号和第二拍频信号进行重采样以获取第一重采样信号和第二重采样信号，对第一重采样信号和第二重采样信号进行处理获取目标对象距离，测量精度高。

Description

一种基于扫频干涉的激光测距系统及方法
技术领域
本发明属于精密测距技术领域，尤其涉及一种基于扫频干涉的激光测距系统及方法。
背景技术
由于激光具有单色性好、方向性强等特点，加上电子线路半导体集成技术发展，激光测距仪应运而生，根据测量原理主要分为脉冲式、相位式和调频式三种，其中调频式测距方法因具有较高的信噪比、较高的测量精度，成为了近些年的研究热点。扫频干涉距离测量系统属于调频式激光测距的一种，但在受到环境振动、目标振动、空气扰动等情况下，由于测距光路光程微小变化导致信号发生多普勒频移，微小误差被严重放大，无法在实际工程环境中进行精确的距离测量。针对这一技术问题，现有的一些解决方案主要通过正反双向扫频的方法对误差进行抑制，但依然存在缺点。
以三角波调制法为主的方案，主要特点是使用单个激光器，分时进行正反双向扫频以消除多普勒频移误差。该类方法针对目标匀速运动、低频振动带来的多普勒频移误差有较好的抑制效果，对于目标中高频振动、空气扰动等无法有效抑制。
以双激光器为主的方案，主要特点是使用2个激光器(2个扫频光器，或1个可扫频激光器、1个定频激光器)产生同步反向的扫频激光，通过使用分色片、偏振片、斩波器等光学器件，使激光在2个独立的干涉光路中生成信号，并通过算法对多普勒频移误差进行抑制。但该类光学系统设计复杂、体积大，且很难做到将2路光信号进行严格分离，难以在实际工程中应用。
此外，激光器的扫频非线性也会对系统的测量结果造成一定程度的误差。因此，对于激光扫频干涉的绝对距离测量系统，多普勒频移误差和光源扫频非线性误差是需要解决的两大难题。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的是提供一种基于扫频干涉的激光测距系统及方法，该系统及方法能够有效解决多普勒频移误差和光源扫频非线性误差两大难题，从而提高激光测距系统的精度。
为解决背景技术的技术问题，本发明的技术方案为：一种基于扫频干涉的激光测距系统，包括：第一参考光路、第一测距干涉光路、第二参考光路、第二测距干涉光路、测距光路以及发射不同波长的第一激光器和第二激光器，所述第一激光器发射的第一激光与所述第二激光器发射的第二激光通过所述测距光路同步向目标对象发射，所述测距光路接收经目标对象反射之后的反射激光，所述反射激光分别与经所述第一测距干涉光路传输的第一激光和经所述第二测距干涉光路传输的第二激光进行干涉以分别获取第一拍频信号和第二拍频信号；所述第一激光和所述第二激光分别经所述第一参考光路和所述第二参考光路传输并通过第一采样电路和第二采样电路进行光电转换以获取第一时钟信号和第二时钟信号，基于所述第一时钟信号通过第一采样电路对所述第一拍频信号进行重采样以获取第一重采样信号，基于所述第二时钟信号通过第二采样电路对所述第二拍频信号进行重采样以获取第二重采样信号，信号处理控制系统基于所述第一重采样信号和第二重采样信号进行处理以获取目标对象的距离，所述信号处理控制系统还用于对所述第一激光器和所述第二激光器进行激光发射控制。
在本发明的一个实施例中，通过第一耦合器将所述第一激光分为两路，一路输入所述测距光路，另一路通过第三耦合器再分为两路，一路输入所述第一测距干涉光路，另一路输入所述第一参考光路；通过第二耦合器将所述第二激光分为两路，一路输入所述测距光路，另一路通过第五耦合器再分为两路，一路输入所述第二测距干涉光路，另一路输入所述第二参考光路。
在本发明的一个实施例中，所述测距光路包括通过光纤连接的第四耦合器、环形器、准直器和第十耦合器，所述第四耦合器用于将所述第一激光和所述第二激光进行混合，所述第四耦合器的输出端与所述环形器的第一输入端连接，所述环形器的第二端与所述准直器输入端连接，所述环形器的第三端通过光纤与所述第十耦合器输入端连接。
在本发明的一个实施例中，所述信号处理控制系统包括信号处理解算模块和系统控制调制模块，所述信号处理解算模块用于基于所述第一重采样信号和第二重采样信号进行处理以获取目标对象的距离，所述系统控制调制模块用于对所述第一激光器和所述第二激光器分别进行扫频激光发射控制。
在本发明的一个实施例中，在所述第一参考光路中，包括将第三耦合器输出的激光分为两路的第六耦合器，其中一路直接输入第七耦合器，另一路通过第一参考光纤输入所述第七耦合器，两路激光经所述第七耦合器合成后通过第一采样电路的光电转换处理获取第一时钟信号。
在本发明的一个实施例中，在所述第二参考光路中，包括将第五耦合器输出的激光分为两路的第八耦合器，其中一路直接输入第九耦合器，另一路通过第二参考光纤输入所述第九耦合器，两路激光经所述第九耦合器合成后通过第二采样电路的光电转换处理获取第二时钟信号。
在本发明的一个实施例中，所述第一激光和所述第二激光的频率按照预设规则在预设阈值范围内周期性调整。
在本发明的一个实施例中，所述第一激光在一定周期内频率由大到小调节，所述第二激光在该周期内频率由小到大调节。
基于相同的构思，本发明还提供一种基于扫频干涉的激光测距方法，应用于所述测距系统，包括以下步骤：信号处理控制系统对第一激光器和第二激光器分别进行激光扫频发射控制以分别产生第一激光和第二激光；将第一激光和第二激光进行混合后通过测距光路向目标对象发射并接收经所述目标对象反射产生的反射激光；将所述反射激光与通过第一测距干涉光路和第二测距干涉光路传输的第一激光和第二激光分别进行干涉以分别获取第一拍频信号和第二拍频信号；通过第一参考光路获取第一激光的第一时钟信号，通过第二参考光路获取第二激光的第二时钟信号；基于所述第一时钟信号和第二时钟信号分别对所述第一拍频信号和第二拍频信号进行重采样以分别获取第一重采样信号和第二重采样信号；基于所述第一重采样信号和第二重采样信号通过信号处理控制系统按照预设算法获取所述目标对象的距离。
在本发明的一个实施例中，信号处理控制系统对所述第一激光器和所述第二激光器分别进行激光扫频发射控制的方法包括：控制所述第一激光在一定周期内频率由大到小调节，同步控制所述第二激光在该周期内频率由小到大调节；或者，控制所述第一激光在一定周期内频率由小到大调节，同步控制所述第二激光在该周期内频率由大到小调节；其中，所述第一激光和所述第二激光在任意时刻频率不相等。
本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
1、本发明通过设置两个不同波长的扫频光源和测距干涉光路，由于不同波长的激光不能发生干涉，因此两个独立且不同波长的测距干涉光路中的激光即可对反射激光中的两种波长的激光分别进行干涉，从而能够实现不同波长激光信号的分离。
2、本发明针对两个不同波长的扫频激光分别设置了相反的扫频方向，在测量光路获取的两个拍频信号上产生了相反的多普勒频移，能够通过算法对多普勒频移导致的误差进行有效矫正。
3、本发明针对两个不同波长的扫频激光分别设置了两个参考光路，通过两个参考光路获取时钟信号，利用时钟信号对两个测量光路获取的拍频信号分别进行等光频采样，能够有效降低两个激光器扫频非线性所带来的误差。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，其中：
图1为本发明基于扫频干涉的激光测距系统框图；
图2为本发明基于扫频干涉的激光测距系统架构图；
图3为本发明基于扫频干涉的激光测距方法流程图。
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。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
实施例一
图1为本发明基于扫频干涉的激光测距系统框图，参见图2，本发明实施例提供一种基于扫频干涉的激光测距系统，包括：第一参考光路、第一测距干涉光路、第二参考光路、第二测距干涉光路、测距光路以及发射不同波长的第一激光器和第二激光器，所述第一激光器发射的第一激光与所述第二激光器发射的第二激光通过所述测距光路同步向目标对象发射，所述测距光路接收经目标对象反射之后的反射激光，所述反射激光分别与经所述第一测距干涉光路传输的第一激光和经所述第二测距干涉光路传输的第二激光进行干涉以分别获取第一拍频信号和第二拍频信号；所述第一激光和所述第二激光分别经所述第一参考光路和所述第二参考光路传输并通过第一采样电路和第二采样电路进行光电转换以获取第一时钟信号和第二时钟信号，基于所述第一时钟信号通过第一采样电路对所述第一拍频信号进行重采样以获取第一重采样信号，基于所述第二时钟信号通过第二采样电路对所述第二拍频信号进行重采样以获取第二重采样信号，信号处理控制系统基于所述第一重采样信号和第二重采样信号进行处理以获取目标对象的距离，所述信号处理控制系统还用于对所述第一激光器和所述第二激光器进行激光发射控制。
在图1或图2中，“参考光路A”即为第一参考光路，“干涉光路A”即为第一测距干涉光路，“参考光路B”即为第二参考光路，“干涉光路B”即为第二测距干涉光路，“扫频光源A”即为第一激光器，“扫频光源B”即为第二激光器，“采样电路A”即为第一采样电路，“采样电路B”即为第二采样电路。
本发明通过设置两个不同波长的扫频光源，配以对应的参考光路、干涉光路，并通过对激光的合理分离和混合，实现测距激光干涉和等光频采样，解决多普勒频移和光源扫频非线性所带来的系统误差。由于不同波长的激光不能发生干涉，因此，两个独立且不同波长的测距干涉光路中的激光即可对反射激光中的两种波长的激光分别进行干涉，从而能够实现不同波长激光信号的分离。针对两个不同波长的扫频激光分别设置了两个干涉光路，用于对两个测量光路获取的拍频信号分别进行数据融合和解算，能够有效矫正多普勒频移导致的误差。针对两个不同波长扫频激光分别设置了两个参考光路，通过两个参考光路分别获取拍频光信号作为采样时钟信号，利用时钟信号对两个干涉光路获取的拍频信号分别进行等光频采样，能够有效降低两个光源扫频非线性所带来的误差。现有技术当中如果是双光源测距，往往使用分色片、偏振片、斩波器等光学器件，使激光在两个独立的干涉光路中生成信号，并通过算法进行误差抑制，该类方法的光学系统设计复杂、体积大，且很难做到将两路光信号进行严格分离，难以在实际工程中应用。
参见图2，在本发明的一个实施例中，通过第一耦合器将所述第一激光分为两路，一路输入所述测距光路，另一路通过第三耦合器再分为两路，一路输入所述第一测距干涉光路，另一路输入所述第一参考光路；通过第二耦合器将所述第二激光分为两路，一路输入所述测距光路，另一路通过第五耦合器再分为两路，一路输入所述第二测距干涉光路，另一路输入所述第二参考光路。
本实施例中所有的耦合器用于激光的混合或者激光的分离。本实施例中通过在内光路中合理的设置多个耦合器，实现激光的合理分离和混合，实现测距激光干涉和等光频采样，解决多普勒频移和光源扫频非线性所带来的系统误差。
在本发明的一个实施例中，所述测距光路包括通过光纤连接的第四耦合器、环形器、准直器和第十耦合器，所述第四耦合器用于将所述第一激光和所述第二激光进行混合，所述第四耦合器的输出端与所述环形器的第一输入端连接，所述环形器的第二端与所述准直器输入端连接，所述环形器的第三端通过光纤与所述第十耦合器输入端连接。
通过将两个不同波长的激光进行混合，同步对目标对象进行发射并接收反射激光，避免了现有技术中由于目标对象非匀速运动或者存在中高频振动、空气扰动等情况下，不同光源分时发射导致的误差。
在本发明的一个实施例中，所述信号处理控制系统包括信号处理解算模块和系统控制调制模块，所述信号处理解算模块用于基于所述第一重采样信号和第二重采样信号进行处理以获取目标对象的距离，所述系统控制调制模块用于对所述第一激光器和所述第二激光器分别进行激光扫频发射控制。
在本发明的一个实施例中，在所述第一参考光路中，包括将第三耦合器输出的激光分为两路的第六耦合器，其中一路直接输入第七耦合器，另一路通过第一参考光纤输入所述第七耦合器，两路激光经所述第七耦合器合成后通过第一采样电路的光电转换处理获取第一时钟信号。
参考光路中一路设置一根定长的参考光纤，对该条支路中传输的激光进行延时，并与另一支路形成干涉，经第一采样电路光电转换之后产生第一时钟信号，用于给测量光路的第一拍频信号提供基准频率(即时钟信号)进行重采样；进一步理解，参考光纤相当于一把基准尺，用于提供一个基准频率，它的频率和测量光路的频率的比值，就是基准尺的长度和被测距离的比值，因此可以通过测量频率而推算出被测距离。
同样的，在本发明的一个实施例中，在所述第二参考光路中，包括将第五耦合器输出的激光分为两路的第八耦合器，其中一路直接输入第九耦合器，另一路通过第二参考光纤输入所述第九耦合器，两路激光经所述第九耦合器合成后通过第二采样电路的光电转换处理获取第二时钟信号。
第二参考光路的原理以及作用，与上述第一参考光路的原理相同，在此不再赘述。
在本发明的一个实施例中，所述第一激光和所述第二激光的频率按照预设规则在预设阈值范围内周期性调整。
在本实施例中，所述第一激光和所述第二激光以周期性的规律在预设阈值范围内进行调整。并且需要说明的，本系统能够有效解决光源扫频非线性所带来的误差。针对两个不同波长的扫频激光分别设置了两个参考光路，通过两个参考光路获取时钟信号，利用时钟信号对两个测量光路获取的拍频信号分别进行等光频采样，还能够有效降低两个激光源扫频非线性所带来的误差。
在本发明的一个实施例中，所述第一激光在一定周期内频率由大到小调节，所述第二激光在该周期内频率由小到大调节。
基于以上调节设置，两个测量光路的多普勒频移误差就变成了正负相反、比例固定不变的两个值，因此可以通过对系统定标和算法处理进行误差矫正，有效消除多普勒频移对测距系统产生的误差。
实施例二
如图3所示，基于相同的构思，本发明还提供一种基于扫频干涉的激光测距方法，应用于所述测距系统，包括以下步骤：信号处理控制系统对第一激光器和第二激光器分别进行激光扫频发射控制以分别产生第一激光和第二激光；将第一激光和第二激光进行混合后通过测距光路向目标对象发射并接收经所述目标对象反射产生的反射激光；将所述反射激光与通过第一测距干涉光路和第二测距干涉光路传输的第一激光和第二激光分别进行干涉以分别获取第一拍频信号和第二拍频信号；通过第一参考光路获取第一激光的第一时钟信号，通过第二参考光路获取第二激光的第二时钟信号；基于所述第一时钟信号和第二时钟信号分别对所述第一拍频信号和第二拍频信号进行重采样以分别获取第一重采样信号和第二重采样信号；基于所述第一重采样信号和第二重采样信号通过信号处理控制系统按照预设算法获取所述目标对象的距离。
在本发明的一个实施例中，信号处理控制系统对所述第一激光器和所述第二激光器分别进行激光扫频发射控制的方法包括：控制所述第一激光在一定周期内频率由大到小调节，同步控制所述第二激光在该周期内频率由小到大调节；或者，控制所述第一激光在一定周期内频率由小到大调节，同步控制所述第二激光在该周期内频率由大到小调节；其中，所述第一激光和所述第二激光在任意时刻频率不相等。
本发明通过设置两个不同波长的扫频光源和测距干涉光路，由于不同波长的激光不能发生干涉，因此，两个独立且不同波长的测距干涉光路中的激光即可对反射激光中的两种波长的激光分别进行干涉，从而能够实现不同波长激光信号的分离。针对两个不同波长的扫频激光分别设置了两个参考光路，用于对两个测量光路获取的拍频信号分别进行等光频采样，能够有效消除光源扫频非线性导致的误差。现有技术当中如果是双光源测距，针对激光进行分离往往采用分色片、偏振片、斩波器等光学器件，使激光在两个独立的干涉光路中生成信号，并通过算法进行误差抑制，该类方法的光学系统设计复杂、体积大，且很难做到将两路光信号进行严格分离，难以在实际工程中应用。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明做出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种基于扫频干涉的激光测距系统，其特征在于，包括：第一参考光路、第一测距干涉光路、第二参考光路、第二测距干涉光路、测距光路以及发射不同波长的第一激光器和第二激光器，所述第一激光器发射的第一激光与所述第二激光器发射的第二激光通过所述测距光路同步向目标对象发射，所述测距光路接收经目标对象反射之后的反射激光，所述反射激光分别与经所述第一测距干涉光路传输的第一激光和经所述第二测距干涉光路传输的第二激光进行干涉以分别获取第一拍频信号和第二拍频信号；所述第一激光和所述第二激光分别经所述第一参考光路和所述第二参考光路传输并通过第一采样电路和第二采样电路进行光电转换以获取第一时钟信号和第二时钟信号，基于所述第一时钟信号通过第一采样电路对所述第一拍频信号进行重采样以获取第一重采样信号，基于所述第二时钟信号通过第二采样电路对所述第二拍频信号进行重采样以获取第二重采样信号，信号处理控制系统基于所述第一重采样信号和第二重采样信号进行处理以获取目标对象的距离，所述信号处理控制系统还用于对所述第一激光器和所述第二激光器进行激光发射控制。
2.根据权利要求1所述的基于扫频干涉的激光测距系统，其特征在于，通过第一耦合器将所述第一激光分为两路，一路输入所述测距光路，另一路通过第三耦合器再分为两路，一路输入所述第一测距干涉光路，另一路输入所述第一参考光路；通过第二耦合器将所述第二激光分为两路，一路输入所述测距光路，另一路通过第五耦合器再分为两路，一路输入所述第二测距干涉光路，另一路输入所述第二参考光路。
3.根据权利要求2所述的基于扫频干涉的激光测距系统，其特征在于，所述测距光路包括通过光纤连接的第四耦合器、环形器、准直器和第十耦合器，所述第四耦合器用于将所述第一激光和所述第二激光进行混合，所述第四耦合器的输出端与所述环形器的第一输入端连接，所述环形器的第二端与所述准直器输入端连接，所述环形器的第三端通过光纤与所述第十耦合器输入端连接。
4.根据权利要求2所述的基于扫频干涉的激光测距系统，其特征在于，所述信号处理控制系统包括信号处理解算模块和系统控制调制模块，所述信号处理解算模块用于基于所述第一重采样信号和第二重采样信号进行处理以获取目标对象的距离，所述系统控制调制模块用于对所述第一激光器和所述第二激光器分别进行扫频激光发射控制。
5.根据权利要求2所述的基于扫频干涉的激光测距系统，其特征在于，在所述第一参考光路中，包括将第三耦合器输出的激光分为两路的第六耦合器，其中一路直接输入第七耦合器，另一路通过第一参考光纤输入所述第七耦合器，两路激光经所述第七耦合器合成后通过第一采样电路的光电转换处理获取第一时钟信号。
6.根据权利要求2所述的基于扫频干涉的激光测距系统，其特征在于，在所述第二参考光路中，包括将第五耦合器输出的激光分为两路的第八耦合器，其中一路直接输入第九耦合器，另一路通过第二参考光纤输入所述第九耦合器，两路激光经所述第九耦合器合成后通过第二采样电路的光电转换处理获取第二时钟信号。
7.根据权利要求6所述的基于扫频干涉的激光测距系统，其特征在于，所述第一激光和所述第二激光的频率按照预设规则在预设阈值范围内周期性调整。
8.根据权利要求7所述的基于扫频干涉的激光测距系统，其特征在于，所述第一激光在一定周期内频率由大到小调节，所述第二激光在该周期内频率由小到大调节。
9.一种基于扫频干涉的激光测距方法，应用于所述权利要求1至权利要求8任意一项所述的测距系统，其特征在于，包括以下步骤：
信号处理控制系统对第一激光器和第二激光器分别进行激光扫频发射控制以分别产生第一激光和第二激光；
将第一激光和第二激光进行混合后通过测距光路向目标对象发射并接收经所述目标对象反射产生的反射激光；
将所述反射激光与通过第一测距干涉光路和第二测距干涉光路传输的第一激光和第二激光分别进行干涉以分别获取第一拍频信号和第二拍频信号；
通过第一参考光路获取第一激光的第一时钟信号，通过第二参考光路获取第二激光的第二时钟信号；
基于所述第一时钟信号和第二时钟信号分别对所述第一拍频信号和第二拍频信号进行重采样以分别获取第一重采样信号和第二重采样信号；
基于所述第一重采样信号和第二重采样信号通过信号处理控制系统按照预设算法获取所述目标对象的距离。
10.根据权利要求9所述的基于扫频干涉的激光测距方法，其特征在于，信号处理控制系统对所述第一激光器和所述第二激光器分别进行激光扫频发射控制的方法包括：
控制所述第一激光在一定周期内频率由大到小调节，同步控制所述第二激光在该周期内频率由小到大调节；
或者，控制所述第一激光在一定周期内频率由小到大调节，同步控制所述第二激光在该周期内频率由大到小调节；
其中，所述第一激光和所述第二激光在任意时刻频率不相等。
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