CN117130005A - 一种无盲区大非模糊范围双光梳测距装置及测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无盲区大非模糊范围双光梳测距装置及方法，包括：双光梳光源；双通道双光梳测距光路，接收双光梳光源发出的双光梳光束，用于对目标进行测试，以获得参考干涉信号和测量干涉信号；粗测距模块，发出的测试光与双通道双光梳测距光路发出的信号光合光形成粗测距光束，用于对目标进行测试，获得粗测结果；信号处理模块，用于基于参考干涉信号和测量干涉信号计算得到双光梳测距结果，并对双光梳测距结果和粗测距结果进行融合，获得最终测距结果。本发明解决了参考干涉信号和测量干涉信号在时域中重叠导致无法测量的问题，消除了大动态范围的测距“盲区”。

Description

一种无盲区大非模糊范围双光梳测距装置及测距方法

技术领域

本发明是关于一种无盲区大非模糊范围双光梳测距装置及测距方法，涉及光学测量领域。

背景技术

双光梳测距是一种高精度绝对测距方法，被测距离可以通过参考干涉信号和测量干涉信号包络之间的时间延迟Δt得到，该方法精度一般为微米至百纳米量级。

传统双光梳测距方法存在以下几个问题：(1)传统双光梳测距方法通过一个探测器同时探测参考光和测量光，在每个非模糊范围内存在一个测量盲区即无法测量的范围；(2)双光梳测距的非模糊范围取决于测量光频梳发出的脉冲重复间隔距离，考虑到测距往返，其值为脉冲间隔距离D_pp的一半，即D_pp/2＝υ_g/(2f_r1)。当被测距离超出D_pp/2时，待测距离D’可以表示为D’＝m·D_pp/2+D。对于υ_g/(2f_r1)以外的测距值需要通过其它辅助方法确定。目前主要基于游标原理，通过调节信号光的重频或交换双光梳测距系统中的信号光和本振光来实现，操作复杂，动态测量能力差；(3)没有考虑环境参数以及温度漂移对测距结果的影响，无法实现高精度测距。

综上，现有的双光梳测距智能化水平较低，测量精度也有待提高。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，针对上述问题，本发明的目的是提供一种高精度的无盲区大非模糊范围双光梳测距装置及测距方法。

为了实现上述发明目的，本发明提出的技术方案为：

第一方面，本发明提供的一种无盲区大非模糊范围双光梳测距装置，包括：

双光梳光源；

双通道双光梳测距光路，接收所述双光梳光源发出的双光梳光束，用于对目标进行测试，以获得参考干涉信号和测量干涉信号；

粗测距模块，发出的测试光与所述双通道双光梳测距光路发出的信号光合光形成粗测距光束，用于对目标进行测试，获得粗测结果；

信号处理模块，用于基于所述参考干涉信号和测量干涉信号计算得到双光梳测距结果，并对所述双光梳测距结果和粗测距结果进行融合，获得最终测距结果。

进一步地，所述双光梳光源采用两台重复频率分别为f_r1和f_r2＝f_r1+Δf_r的光频梳，Δf_r为重频差。

进一步地，该装置还包括双通道光电转换模块，所述双通道光电转换模块的两个通道分别接收参考干涉信号和测量干涉信号，两路干涉光信号通过光电转换为两路模拟电信号，并经模数转换器将模拟电信号转换为数字信号发送到所述信号处理模块。

进一步地，该装置还包括环境参数传感器，所述信号处理模块获取所述环境参数传感器采集的环境参数计算当前双光梳中心波长对应的群空气折射率对双光梳测距结果进行修正。

进一步地，该装置还包括设置在所述双通道双光梳测距光路内部的测距光路热敏电阻，所述信号处理模块基于所述测距光路热敏电阻监测所述双通道双光梳测距光路内部的温度变化，补偿材料热漂移对测距结果的影响，实现对双光梳测距结果的修正。

进一步地，所述信号处理模块采用FPGA，所述FPGA基于所述参考干涉信号和测量干涉信号计算得到双光梳测距结果，并将双光梳测距结果与粗测结果融合，得到最终测距结果；或者，所述FPGA还对所述双光梳测距结果进行群空气折射率修正和/或温度修正。

第二方面，本发明提供的一种无盲区大非模糊范围双光梳测距方法，包括：

根据设定的工作频率采集粗测距离、参考干涉信号和测量干涉信号；

根据参考干涉信号和测量干涉信号的相对位置关系计算得到双光梳测距结果；

对粗测距离和双光梳测距结果进行融合得到最终的测距结果D。

进一步地，还包括对双光梳测距结果经过群空气折射率修正，包括：

式中，n_g为群折射率，L_TOF为双光梳测距结果。

进一步地，还包括对群空气折射率修正后的双光梳测距结果进行温度补偿修正，包括：

D'_TOF＝D_TOF-kΔe

式中，k为温度补偿系数；Δe为热敏电阻得到的当前温度与首次开启测距时热敏电阻得到的初始温度之差。

进一步地，还包括对测距结果D是否合理的判断，包括：

如果测距结果和粗测距模块的粗测结果相差大于非模糊范围的1/4时，则通过加或减一个非模糊范围的整数倍周期进行修正，直到最终输出的测距结果和粗测距模块的粗测结果误差小于非模糊范围的1/4，此时输出最终的测距结果D。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下特点：

1、本发明的双通道双光梳测距光路通过参考和测量信号分开探测的方式，解决了参考干涉信号和测量干涉信号在时域中重叠导致无法测量的问题，消除了大动态范围的测距“盲区”。

2、本发明基于双通道光电转换模块输出FPGA可处理的参考干涉信号和测量干涉信号，基于FPGA实现双光梳测距信号的解算，并对测试结果进行修正及补偿，实时输出高精度无盲区大非模糊范围测距结果。

3、本发明将基于FPGA的信号处理模块作为总控，首先将双光梳测距算法移植至FPGA中实现，同时外接环境参数传感器、热敏电阻及粗测距模块，实现外部和内部环境参数修正和非模糊范围拓展功能。

综上，本发明可以广泛应用于高精度距离测量中。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例的无盲区大非模糊范围双光梳测距装置结构图；

图2为本发明实施例的基于FPGA的双光梳测距信号处理平台结构图；

图3为本发明实施例的双光梳测距信号处理流程图。

具体实施方式

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。

由于现有的双光梳测距智能化水平较低，测量精度也有待提高。本发明涉及一种无盲区大非模糊范围双光梳测距装置及方法，包括：双光梳光源；双通道双光梳测距光路，接收双光梳光源发出的双光梳光束，用于对目标进行测试，以获得参考干涉信号和测量干涉信号；粗测距模块，发出的测试光与双通道双光梳测距光路发出的信号光合光形成粗测距光束，用于对目标进行测试，获得粗测结果；信号处理模块，用于基于参考干涉信号和测量干涉信号计算得到双光梳测距结果，并对双光梳测距结果和粗测距结果进行融合，获得最终测距结果。因此，本发明解决了参考干涉信号和测量干涉信号在时域中重叠导致无法测量的问题，消除了大动态范围的测距“盲区”。

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

如图1所示，本实施例提供的无盲区大非模糊范围双光梳测距装置，包括双光梳光源1、双通道双光梳测距光路2、分色镜3和双光梳测距信号处理平台，其中，双光梳测距信号处理平台包括双通道光电转换模块4、信号处理模块5和辅助测量模块6，其中，辅助测量模块6包括粗测距模块61。

双光梳光源1，由两台重复频率(重频)分别为f_r1和f_r2＝f_r1+Δf_r的光频梳组成。

双通道双光梳测距光路2，接收来自双光梳光源1的重频有微小差别的双光梳光束，对目标靶镜7进行光路测试，获得参考光干涉信号和测量光干涉信号，消除了双光梳测距的盲区；

粗测距模块61，与双通道双光梳测距光路2发出的信号光通过分色镜3合光，用于提供粗测距光束到目标靶镜7，并获得粗测结果；其中，粗测双光梳测距非模糊范围的整数周期，拓展了非模糊范围。

信号处理模块5，用于基于参考光干涉信号和测量光干涉信号计算得到双光梳测距结果，并可以对双光梳测距结果进行校正补偿，且可以将校正补偿后的双光梳测距结果和粗测距结果进行数据融合，输出最终的测距结果。

本实施例提供的无盲区大非模糊范围双光梳测距装置的测量原理为：双光梳中的其中一光梳发出的光为本振光，另外一光梳发出的光为信号光，信号光在双通道双光梳测距光路2内部分为测量光和参考光，其中参考光直接与本振光发生干涉，形成参考干涉信号。测量光准直出射到目标靶镜7，然后与粗测距模块61发出的粗测距光束在分色镜3处合光后入射至目标靶镜7上，目标靶镜7回光通过分色镜3，经分色镜3出射的一部分光反射回到粗测距模块61，获得粗测距结果，其测距精度通常为毫米级，非模糊范围可以达到数百米，用于确定双光梳非模糊范围的整数周期，这里对粗测距模块的测量形式不做限定，精度可唯一确定双光梳测距的整数倍周期即可，例如使用调幅相位测距模块或飞行时间测距模块，以此为例，不限于此。通过分色镜3透射返回的测量光与本振光发生干涉形成测量干涉信号。双光梳双通道测距光路2产生的参考干涉信号和测量干涉信号被双通道光电转换模块4分别采集进入信号处理模块5进行处理输出最终的测距结果。

在一个优选的实施例中，双通道光电转换模块4的两个通道分别用于接收参考干涉信号和测量干涉信号，并转换为数字电信号输出。其中，两路干涉光信号通过光电转换后转换为两路模拟电信号，然后经过模数转换器将模拟电信号转换为信号处理模块5能够处理的数字电信号。

在一个优选的实施例中，考虑到空气折射率的影响，需要根据环境参数对光程进行修正，得到实际距离值，因此本发明的辅助测量模块6还包括环境参数传感器62，用于对外部环境参数进行实时监测实现空气折射率的修正，进而实现对测量距离的修正。

本实施例中，环境参数传感器62可测量当前环境中的温度、湿度和压强，通过外置高精度空气参数传感器实时获得外界环境参数，通过串口等方式将数据传输至数字信号处理模块5计算当前双光梳中心波长对应的群空气折射率用于修正测距结果。

在一个优选的实施例中，为了补偿光纤等器件的材料热漂移对测距结果的影响，本实施例的辅助测量模块6还包括有测距光路热敏电阻63，设置在双通道双光梳测距光路2内部，用于监测测距光路内部的温度变化，补偿光纤等器件的材料热漂移对测距结果的影响，实现对测量结果的修正。

下面通过具体实施例详细说明本发明的无盲区大非模糊范围双光梳测距装置的测距方法过程。

本实施例中，信号处理模块5以FPGA为核心，包括FPGA以及其外围配置电路，FPGA的并行运行架构使其能同时接收和处理多种数据，FPGA计算得到的双通道的测距结果先经过群空气折射率的修正和热敏电阻温度修正，再与粗测距模块61的粗测结果融合，最终得到大非模糊范围、高精度、无盲区的测距结果，并传输给外部的上位机。需要说明的是，本发明对FPGA的选型不做限制，可以根据实际需要进行选择。

如图2、图3所示，本发明的无盲区大非模糊范围双光梳测距装置的数据处理方法过程，包括：

S1、FPGA收到外部上位机8的启动测距命令后，FPGA控制双光梳光源1、双通道光电转换模块2、粗测距模块61、环境参数传感器62和测距光路热敏电阻63等开始工作，并根据设定的工作频率不断采集粗测距离、参考干涉信号、测量干涉信号、环境数据和温度等。

S2、FPGA根据采集的参考干涉信号和测量干涉信号，通过计算两个通道中的干涉信号的相对位置关系得到光程值L_TOF。

具体地，参考干涉信号和测量干涉信号的光程差L_TOF可表示为：

其中，Δt为参考干涉信号和测量干涉信号包络之间的时间延迟，c为真空中的光速。

S3、FPGA通过环境参数传感器62获得的空气参数计算出当前的群空气折射率n_g，并对光程值进行群空气折射率修正，得到修正后的距离值D_TOF。

具体地，将群折射率n_g实时与双光梳测距数据融合，实现空气折射率的实时修正，修正后的测距结果可表示为：

S4、获取最近时刻的测距光路中的温度，通过查找表的方式将提前标定好的温度漂移带来的误差进行补偿，得到补偿后的双光梳测距结果D′_TOF。

具体地，通过实时监测测距光路内部的温度变化，光路漂移补偿表达式可标定得到，修正后的测距结果为D′_TOF：

D'_TOF＝D_TOF-kΔe

其中，k为温度补偿系数，即温度每变化1摄氏度的距离变化量，可标定得到。Δe为热敏电阻得到的当前温度与首次开启测距时热敏电阻得到的初始温度之差，以避免整个测量过程中温度变化引起的测距误差。

S5、对粗测结果和修正后的双光梳测距结果进行融合得到最终的测距结果D。

本实施例中，双光梳测距的非模糊范围取决于光频梳(信号光)发出的脉冲重复间隔距离，考虑到测距往返，其值为脉冲间隔距离D_pp的一半，即D_pp/2＝c/(2n_gf_r1)。当被测距离超出D_pp/2时，最终输出的距离D可以表示为:

D＝m·D_pp/2+D'_TOF

具体地，使用粗测距模块61的粗测距离除以双光梳测距的非模糊范围，结果就近取整便可得到初步的非模糊范围整数周期m。粗测距法的精度通常可以达到毫米至厘米级，其精度可唯一确定双光梳测距的整数倍周期m。将粗测距结果和双光梳测距结果相融合，即可实现无盲区大非模糊范围的绝对距离测量，即：整数周期m乘以非模糊范围，再加上双光梳测距结果D′_TOF，即可得到测距结果D。

进一步地，整数倍周期m：

其中，D_r为通过粗测距模块获取的距离值，粗测距模块可实现远距离毫米级精度的绝对距离。

进一步地，考虑到当双光梳测距通道的干涉信号时域重合时，双光梳测距结果可能因为微小的计算误差导致有一个非模糊范围的跳动。此时可通过粗测距模块毫米级的测距精度进行判断测距结果是否合理，如果初步的测距结果和粗测距模块61的粗测结果相差大于非模糊范围的1/4时，则通过加或减一个非模糊范围的整数倍周期进行修正，直到最终输出的测距结果和粗测距模块61的粗测结果误差小于非模糊范围的1/4，此时输出最终的测距结果D。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。在本说明书的描述中，参考术语“一个优选的实施例”、“进一步地”、“具体地”、“本实施例中”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种无盲区大非模糊范围双光梳测距装置，其特征在于，包括：

双光梳光源；

双通道双光梳测距光路，接收所述双光梳光源发出的双光梳光束，用于对目标进行测试，以获得参考干涉信号和测量干涉信号；

粗测距模块，发出的测试光与所述双通道双光梳测距光路发出的信号光合光形成粗测距光束，用于对目标进行测试，获得粗测结果；

信号处理模块，用于基于所述参考干涉信号和测量干涉信号计算得到双光梳测距结果，并对所述双光梳测距结果和粗测距结果进行融合，获得最终测距结果。

2.根据权利要求1所述的无盲区大非模糊范围双光梳测距装置，其特征在于，所述双光梳光源采用两台重复频率分别为f_r1和f_r2＝f_r1+Δf_r的光频梳，Δf_r为重频差。

3.根据权利要求1所述的无盲区大非模糊范围双光梳测距装置，其特征在于，该装置还包括双通道光电转换模块，所述双通道光电转换模块的两个通道分别接收参考干涉信号和测量干涉信号，两路干涉光信号通过光电转换为两路模拟电信号，并经模数转换器将模拟电信号转换为数字信号发送到所述信号处理模块。

4.根据权利要求1所述的无盲区大非模糊范围双光梳测距装置，其特征在于，该装置还包括环境参数传感器，所述信号处理模块获取所述环境参数传感器采集的环境参数计算当前双光梳中心波长对应的群空气折射率对双光梳测距结果进行修正。

5.根据权利要求1或4所述的无盲区大非模糊范围双光梳测距装置，其特征在于，该装置还包括设置在所述双通道双光梳测距光路内部的测距光路热敏电阻，所述信号处理模块基于所述测距光路热敏电阻监测所述双通道双光梳测距光路内部的温度变化，补偿材料热漂移对测距结果的影响，实现对双光梳测距结果的修正。

6.根据权利要求1所述的无盲区大非模糊范围双光梳测距装置，其特征在于，所述信号处理模块采用FPGA，所述FPGA基于所述参考干涉信号和测量干涉信号计算得到双光梳测距结果，并将双光梳测距结果与粗测结果融合，得到最终测距结果；或者，所述FPGA还对所述双光梳测距结果进行群空气折射率修正和/或温度修正。

7.一种无盲区大非模糊范围双光梳测距方法，其特征在于，包括：

根据设定的工作频率采集粗测距离、参考干涉信号和测量干涉信号；

根据参考干涉信号和测量干涉信号的相对位置关系计算得到双光梳测距结果；

对粗测距离和双光梳测距结果进行融合得到最终的测距结果D。

8.根据权利要求7所述的无盲区大非模糊范围双光梳测距方法，其特征在于，还包括对双光梳测距结果经过群空气折射率修正，包括：

式中，n_g为群折射率，L_TOF为双光梳测距结果。

9.根据权利要求8所述的无盲区大非模糊范围双光梳测距方法，其特征在于，还包括对群空气折射率修正后的双光梳测距结果进行温度补偿修正，包括：

D'_TOF＝D_TOF-kΔe

式中，k为温度补偿系数；Δe为热敏电阻得到的当前温度与首次开启测距时热敏电阻得到的初始温度之差。

10.根据权利要求7所述的无盲区大非模糊范围双光梳测距方法，其特征在于，还包括对测距结果D是否合理的判断，包括：

如果测距结果和粗测距模块的粗测结果相差大于非模糊范围的1/4时，则通过加或减一个非模糊范围的整数倍周期进行修正，直到最终输出的测距结果和粗测距模块的粗测结果误差小于非模糊范围的1/4，此时输出最终的测距结果D。