CN211554315U - 一种调频连续波激光测距系统 - Google Patents

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丁志华
金顺平
许有联
方旭
邵逸斌
马晓伟
楼慈波
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Abstract

本实用新型涉及一种调频连续波激光测距系统，包括非线性调频激光器、测距干涉仪、参考干涉仪、波长鉴定单元、信号采集装置和计算机，所述非线性调频激光器发出的相干光进入第一光纤耦合器后分成两路，一路经过所述测距干涉仪后进入第一干涉信号探测器，另一路进入第二光纤耦合器后再分成两路，其中，一路经过所述参考干涉仪后进入第二干涉信号探测器，另一路经过所述波长鉴定单元进入第三干涉信号探测器；所述非线性调频激光器发出的相干光经过测距干涉仪的短臂到达第一干涉信号探测器的光程l1'与所述非线性调频激光器发出的相干光经过参考干涉仪的短臂到达第二干涉信号探测器的光程l1相等。本实用新型能够降低偏差量，提高测量精度。

Description

一种调频连续波激光测距系统
技术领域
本实用新型涉及激光测距技术领域，特别是涉及一种调频连续波激光测距系统。
背景技术
调频连续波激光测距技术具有精度高、分辨率高、测量范围大及不需要合作目标等优点，使其在大尺寸测量中有较广泛的应用。相比于激光相位测量方法，调频连续波激光测距调制带宽更大，可以获得极高的距离分辨率。此外，调频连续波激光测距采用的是差频测量方式，其抗噪声信号的能力极强，实现无合作目标测量，提高了测量效率，正是由于这些优点，该测距技术在光通信、医学成像以及高精度制造、测量领域具有广泛的应用。
调频连续波激光测距要得到准确的测量结果，关键是激光器调频的线性度，激光器调频存在非线性时获得的距离信息与真实距离存在偏差，而且该偏差随着测量距离的改变而改变，如图1所示。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种调频连续波激光测距系统，能够降低偏差量。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种调频连续波激光测距系统，包括非线性调频激光器、测距干涉仪、参考干涉仪、波长鉴定单元、信号采集装置和计算机，所述非线性调频激光器发出的相干光进入第一光纤耦合器后分成两路，一路经过所述测距干涉仪后进入第一干涉信号探测器，另一路进入第二光纤耦合器后再分成两路，其中，一路经过所述参考干涉仪后进入第二干涉信号探测器，另一路经过所述波长鉴定单元进入第三干涉信号探测器；所述非线性调频激光器发出的相干光经过测距干涉仪的短臂到达第一干涉信号探测器的光程l1'与所述非线性调频激光器发出的相干光经过参考干涉仪的短臂到达第二干涉信号探测器的光程l1相等；所述信号采集装置分别与第一干涉信号探测器、第二干涉信号探测器和第三干涉信号探测器相连，并对第一干涉信号探测器、第二干涉信号探测器和第三干涉信号探测器进行同步采集；所述计算机根据第二干涉信号探测器的探测结果对第一干涉信号探测器的探测结果进行矫正，所述计算机还根据第三干涉信号探测器的探测结果对非线性调频激光器的调频波长进行标定。
所述非线性调频激光器发出的相干光经过波长鉴定单元到达第三干涉信号探测器的光程为(l1+l2)/2，其中，l2为所述非线性调频激光器发出的相干光经过参考干涉仪的长臂到达第二干涉信号探测器的光程。
所述测距干涉仪包括第三光纤耦合器、短臂、长臂和第四光纤耦合器；所述第三光纤耦合器的输入端与第一光纤耦合器的一个输出端相连，所述第三光纤耦合器的一个输出端通过短臂直接与第四光纤耦合器的一个输入端相连，另一个输出端通过长臂与第四光纤耦合器的另一个输入端相连，所述长臂上设有光纤环形器，所述光纤环形器的出射端还连接有对准被测物的准直器。
所述参考干涉仪包括第五光纤耦合器、短臂、长臂和第六光纤耦合器；所述第五光纤耦合器的输入端与第二光纤耦合器的一个输出端相连，所述第五光纤耦合器的一个输出端通过短臂直接与第六光纤耦合器相连，另一个输出端通过长臂直接与第六光纤耦合器相连。
所述波长鉴定单元包括准直装置、扩束镜、分光镜、F-P腔、第一探测器和第二探测器；所述准直装置的输入端与所述第二光纤耦合器的另一个输出端相连，经过所述准直装置后的光依次经过所述扩束镜和分光镜，所述分光镜的反射光进入所述第一探测器，透射光依次经过所述F-P腔和所述第二探测器。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本实用新型与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本实用新型将参考干涉仪和测距干涉仪中短臂的延时光纤的长度设置相等，使得在后续处理时能够通过时间迭代的方式消除因非线性产生的偏差。
附图说明
图1是现有技术中调频连续波激光测距系统的测量距离与偏差量的关系图；
图2是本实用新型的结构示意图；
图3是本实用新型中F-P波长鉴定单元的结构示意图；
图4是本实用新型中采集100个周期的测量臂干涉条纹图；
图5是本实用新型中采集100个周期的参考臂干涉条纹图；
图6是本实用新型经过矫正后的测量距离值表示图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本实用新型的实施方式涉及一种调频连续波激光测距系统，如图2所示，包括非线性调频激光器1、驱动器2、多个光纤耦合器、光纤环行器15，测距干涉仪13、马赫曾德干涉仪9(参考干涉仪)、波长鉴定单元5、多个干涉信号探测器、信号采集装置7及计算机8：非线性调频激光器1发出的相干光进入光纤耦合器，经分光后分别进入波长鉴定单元5、测距干涉仪13、参考干涉仪9，进入测距干涉仪13的相干光先经过光纤耦合器14分光，其中一部分光经过光纤环行器15进入包含准直器18和样品的光路，返回的样品光谱信号和光纤耦合器14的另一端输出光一起进入平衡探测装置17，形成干涉光谱信号，与马赫曾德干涉仪9中形成的参考干涉信号同步进行采集。
其中，调频激光器1输出调频信号为非线性信号，调频激光器1输出调频干涉光进入光纤耦合器3；光纤耦合器3的第一输出端进入光纤耦合器4，光纤耦器4的第一输出端进入波长鉴定单元5；所述波长鉴定单元5可以对调频激光器1的频率点进行标定，用于调频波长的标定，标定信号采集装置7采集。
光纤耦合器4的第二输出端进入马赫曾德干涉仪9，光纤耦合器11输出干涉光进入探测器12；所述马赫曾德干涉仪9能提供光程差为Δl(Δl为干涉仪两个臂的光程差)的参考信号，经平衡探测器12探测后，进入信号采集装置7和计算机8进行数据采集和数据处理。
光纤耦合器3的第二输出端进入测距干涉仪13；所述测距干涉仪13包括光纤耦合器 14、光纤环行器15、光纤耦合器16、光纤准直器18及被测物19；光纤环行器15的第二端出射光进入光纤准直器18，经光纤准直器18的准直后的透射光照射在被测样品19上，被测样品19的反射光进入光纤准直器18，经光纤环行器15的第三端进入光纤耦合器16 的第一输入端。所述的测距干涉光谱信号探测装置为平衡探测器17，平衡探测器17探测的信号进入信号采集装置7和计算机8进行数据采集和数据处理。
如图3所示，波长鉴定单元5由准直器20、扩束镜21、分光镜22、F-P腔23、探测器24、探测器25组成。所述的光纤耦合器4的第二输出端进入准直器20，经准直后进入透镜21进行扩束，扩束光经分光镜22反射，反射光进入探测器24；经分光镜22的透射光，进入F-P腔23，透射光进入探测器25；探测器24和探测器25的信号通过信号采集装置7并直接由计算机8进行处理。
上述调频连续波激光测距系统中光纤长度需要满足以下要求：
(1)调频激光器1发出的相干光经马赫曾德干涉仪9的一臂(设定为短的一端)到达探测器PD-AUX的光程为l1，延时为τ1；
(2)调频激光器1发出的相干光经马赫曾德干涉仪9的另一臂(设定为长的一端)到达探测器PD-AUX的光程为l2，延时为τ2；
(3)调频激光器1发出的相干光经测距干涉仪13的一臂(设定为短的一端)到达探测器PD-DUT的光程为l1'，延时为τ1'；
(4)调频激光器1发出的相干光经测距干涉仪13的另一臂(设定为长的一端)到达探测器PD-DUT的光程为l2'，延时为τ2'；
(5)调频激光器1发出的相干光经波长鉴定单元5后到达探测器PD-Trig的光程为(l1+l2)/2；
(6)所有探测器PD到信号采集装置7的传输时间相同；
(7)延时光纤l1＝l1'，使得τ1＝τ1'。
本实施方式中的探测器PD-DUT和探测器PD-AUX可探测到测距干涉仪的干涉条纹和参考干涉仪的干涉条纹，测距干涉仪连续化相位信号
Figure DEST_PATH_GDA0002600708420000041
参考干涉仪连续化相位信号
Figure DEST_PATH_GDA0002600708420000042
由公式
Figure DEST_PATH_GDA0002600708420000043
得到，可知，相位信号
Figure DEST_PATH_GDA0002600708420000044
是波数k(t)的函数，当调谐激光器频率有非线性项时，波数k(t)可以描述成二阶多项式形式：k(t)＝a0+a1t+a2t2，则测距干涉仪相位与参考干涉仪相位之比：
Figure DEST_PATH_GDA0002600708420000045
其中，t1是测距干涉仪的延时，t2是参考干涉仪的延时，Δl'是测量距离值。当存在非线性时，比例项α(t)随着延时时间的不同而不同，所以其是非等比例变化，最终测量结果中会含有偏移量。
光源存在非线性时，测距结果有很大的偏移量，而且偏移量随着测量距离不同而不同，所以计算机根据第二干涉信号探测器的探测结果对第一干涉信号探测器的探测结果进行矫正，具体的如下：
调频连续波激光测距系统开始工作后，信号采集装置7记录100个周期的信号。以测量距离Δl'＝1m，参考臂差Δl＝5m为例，采集100个周期的测量臂干涉光谱，如图4所示；采集100个周期的参考臂干涉光谱，如图5所示。
干涉条纹强度
Figure DEST_PATH_GDA0002600708420000051
其中，τ是由于干涉仪两个臂长差引起的延时。相位差
Figure DEST_PATH_GDA0002600708420000052
对
Figure DEST_PATH_GDA0002600708420000053
求导数，可得
Figure DEST_PATH_GDA0002600708420000054
Figure DEST_PATH_GDA0002600708420000055
即是光源调频非线性系数，是光源的自身调频属性，不随测量距离而变化，而且每个调频周期激光器的非线性系数不会发生剧烈变化。
分别对测距干涉仪和参考干涉仪的干涉条纹进行傅里叶变换及逆变换后，对其相位进行解包裹，获得干涉条纹的测距干涉仪连续化相位信号
Figure DEST_PATH_GDA0002600708420000056
参考干涉仪连续化相位信号
Figure DEST_PATH_GDA0002600708420000057
对连续化相位
Figure DEST_PATH_GDA0002600708420000058
进行参数τ迭代运算，获得
Figure DEST_PATH_GDA0002600708420000059
由于本测距系统中延时光纤l1＝l1'，因此将其与参考干涉仪的
Figure DEST_PATH_GDA00026007084200000510
作比较，当比较结果符合设定值时，迭代运算结束，此时的τ值为测距干涉仪与参考干涉仪的光程差，则测量距离Δl'＝Δl-c×τ。迭代运算后获得的距离，如图6所示，可知迭代运算后距离的偏移量由原来的450μm下降到3μm，下降了两个数量级，说明本实施方式的调频连续波激光测距系统能够降低偏差量。

Claims (5)

1.一种调频连续波激光测距系统，包括非线性调频激光器、测距干涉仪、参考干涉仪、波长鉴定单元、信号采集装置和计算机，其特征在于，所述非线性调频激光器发出的相干光进入第一光纤耦合器后分成两路，一路经过所述测距干涉仪后进入第一干涉信号探测器，另一路进入第二光纤耦合器后再分成两路，其中，一路经过所述参考干涉仪后进入第二干涉信号探测器，另一路经过所述波长鉴定单元进入第三干涉信号探测器；所述非线性调频激光器发出的相干光经过测距干涉仪的短臂到达第一干涉信号探测器的光程l1'与所述非线性调频激光器发出的相干光经过参考干涉仪的短臂到达第二干涉信号探测器的光程l1相等；所述信号采集装置分别与第一干涉信号探测器、第二干涉信号探测器和第三干涉信号探测器相连，并对第一干涉信号探测器、第二干涉信号探测器和第三干涉信号探测器进行同步采集；所述计算机根据第二干涉信号探测器的探测结果对第一干涉信号探测器的探测结果进行矫正，所述计算机还根据第三干涉信号探测器的探测结果对非线性调频激光器的调频波长进行标定。
2.根据权利要求1所述的调频连续波激光测距系统，其特征在于，所述非线性调频激光器发出的相干光经过波长鉴定单元到达第三干涉信号探测器的光程为(l1+l2)/2，其中，l2为所述非线性调频激光器发出的相干光经过参考干涉仪的长臂到达第二干涉信号探测器的光程。
3.根据权利要求1所述的调频连续波激光测距系统，其特征在于，所述测距干涉仪包括第三光纤耦合器、短臂、长臂和第四光纤耦合器；所述第三光纤耦合器的输入端与第一光纤耦合器的一个输出端相连，所述第三光纤耦合器的一个输出端通过短臂直接与第四光纤耦合器的一个输入端相连，另一个输出端通过长臂与第四光纤耦合器的另一个输入端相连，所述长臂上设有光纤环形器，所述光纤环形器的出射端还连接有对准被测物的准直器。
4.根据权利要求1所述的调频连续波激光测距系统，其特征在于，所述参考干涉仪包括第五光纤耦合器、短臂、长臂和第六光纤耦合器；所述第五光纤耦合器的输入端与第二光纤耦合器的一个输出端相连，所述第五光纤耦合器的一个输出端通过短臂直接与第六光纤耦合器相连，另一个输出端通过长臂直接与第六光纤耦合器相连。
5.根据权利要求1所述的调频连续波激光测距系统，其特征在于，所述波长鉴定单元包括准直装置、扩束镜、分光镜、F-P腔、第一探测器和第二探测器；所述准直装置的输入端与所述第二光纤耦合器的另一个输出端相连，经过所述准直装置后的光依次经过所述扩束镜和分光镜，所述分光镜的反射光进入所述第一探测器，透射光依次经过所述F-P腔和所述第二探测器。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113776445A (zh) * 2021-07-20 2021-12-10 重庆大学 一种单调频干涉的转静子轴向间隙高速动态测量方法

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