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CN106997047A - 基于f‑p标准具的调频连续波激光测距方法 - Google Patents

基于f‑p标准具的调频连续波激光测距方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于F‑P标准具的调频连续波激光测距方法。可调谐激光器的调制线性度较差是限制调频连续波激光测距精度的主要因素。本发明采用的激光测距系统，包括可调谐激光器、第一耦合器、准直透镜、第二耦合器、准直透镜、测量干涉系统、F‑P标准具、马赫增德尔干涉系统、第一光电探测器、同步采样系统、上位机、第二光电探测器和第三光电探测器。本发明以F‑P标准具的输出信号为基准对与马赫增德尔干涉系统干涉得到的信号进行校正。本发明能够使得干涉信号区间内的峰极值个数保持稳定，提高测距精度。

Description

基于F-P标准具的调频连续波激光测距方法
技术领域
本发明属于光学技术领域，具体涉及一种基于F-P标准具的高精度调频连续波激光测距方法。
背景技术
在飞速发展的各种高新技术产业中，高精度测量问题突出，激光具有优良的准直性及相干性，可直接应用于长度和位移的测量。激光测距精度高，决定了其在测量领域的独特优势。这些年激光测距技术迅速发展，并广泛应用于科学研究、计量、工业测量、航空航天和测绘等领域。
调频连续波(FMCW)激光测距测量技术通过连续线性或正弦调制单纵模激光器的激光频率，并利用被测距离产生的时延获得差拍信号，从差拍频率解算绝对距离。具有测量精度高、绝对测量、无相位模糊问题、可实现无合作目标测量等优点，可以为大空间几何量测量提供便捷有效的解决方案，有着广阔的应用前景。现有的调频连续波测距系统以光纤长度作为基准，受到外界温度、振动等因素影响较大，精度较低。
可调谐激光器的调制线性度较差是限制调频连续波激光测距精度的主要因素，利用等光频间隔重采样的方式可以很大程度上抑制激光器调制非线性的影响。现有的调频连续波测距系统以光纤长度作为测距基准，受到外界温度、振动等因素影响，令光程时刻发生变化，导致测距精度降低。
发明内容
本发明的目的在于减少进行重采样信号前由于外界温度、振动等因素导致的参考基准光纤长度时刻发生变化所导致的测量误差，提供了一种基于F-P标准具的调频连续波激光测距方法，作为等光频间隔重采样前的预处理，对参考基准光纤长度进行实时校准，从而提高测距系统测量精度。
本发明采用的基于F-P标准具的调频连续波激光测距系统，包括可调谐激光器、第一耦合器、准直透镜、第二耦合器、准直透镜、测量干涉系统、F-P标准具、马赫增德尔干涉系统、第一光电探测器、同步采样系统、上位机、第二光电探测器和第三光电探测器。
所述的可调谐激光器发射经光频线性调制的窄线宽调频连续波激光，该激光经过第一耦合器分为A0、B0两路，其中，B0路进入马赫增德尔干涉系统，A0路经准直透镜后由第二耦合器分为A1、A2两路，A1路进入测量干涉系统，A2路经过准直透镜进入F-P标准具；所述的测量干涉系统和第一光电探测器对被测反射棱镜进行探测，产生干涉信号sig1。A2路激光与F-P标准具发生干涉后，由第二光电探测器进行探测，得到干涉信号sig2；B0路激光与马赫增德尔干涉系统发生干涉，并由第三光电探测器进行探测，得到干涉信号sig3。同步采样系统对干涉信号sig1、sig2和sig3进行放大、滤波和同步采样，并将三路同步采样信号发送至上位机。
本发明基于F-P标准具的调频连续波激光测距方法，具体如下：
步骤一、在理想测量环境中，F-P标准具的相邻两个F-P峰值之间对应的sig3的极值数的理论值x＝2C，其中，常数C＝T2/T3，为sig2的周期T2与sig3的周期T3的比值。取一段长度为n个sig2周期的sig3信号片段，每个sig2周期内的sig3信号为一个sig3信号区间。
步骤二、将1赋值给i。
步骤三、第i个sig3信号区间内的极值数为yi，若yi大于x，则对第i个sig3信号区间内的信号进行点数为取整的三次样条插值，其中，t为sig2的周期，Δt为同步采样系统13的采样时间间隔；则第i个sig3信号区间新的采样时间间隔将第i个sig3信号区间中除第一个采样点外的新插入采样点向右水平移动，使得相邻两个新插入采样点的间距变为Δt，得到新的信号。此时，第i+1个sig3信号区间至第n个sig3信号区间内信号的相位均向右移动π(yi-x)。第i个sig3信号区间内信号的极值数yi变换为与x相等。
若在第i个sig3信号区间内的极值数yi小于x，则对第i个sig3信号区间内的信号进行点数为取整的三次样条插值，此时第i个sig3信号区间新的采样点的时间间隔将第i个sig3信号区间中除第一个采样点外的新插入采样点向左水平移动，使得相邻两个新插入采样点的间距变为Δt，得到新的信号。此时，第i+1个sig3信号区间至第n个sig3信号区间内信号的相位向左移动π(yi-x)。第i个sig3信号区间内信号的极值数yi变换为与x相等。
若第i个sig3信号区间内的极值数yi＝x，则进入步骤四。
步骤四、将i增加1，若i＜n，则重复步骤三，否则进入步骤五。
步骤五、以步骤二、三和四处理后的信号sig3作为采样时钟信号，对干涉信号sig1进行二次采样，得到重采样信号sig4。对重采样信号sig4进行时频变换即得到待测反射棱镜与测量干涉系统中参考环形器的光程差，进而得出被测目标的距离。
所述的测量干涉系统包括参考环形器、准直透镜和整形光路。A1路激光经参考环形器分为两束，其中一束依次经准直透镜和整形光路后被待测反射棱镜反射，与另一束汇合为一束合束激光，合束激光经由第一光电探测器进行探测，得到干涉信号sig1。
本发明具有的有益效果是：
1、对信号进行处理时，有效保留了参考干涉信号携带的所有激光器的调制信息，保证了测距结果的真实性。
2、本发明利用F-P标准具作为基准，对光纤长度进行实时校准，提高测距精度。
附图说明
图1为本发明所用激光测距系统的示意图；
图2为本发明基于信号sig2对信号sig3进行处理的原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，基于F-P标准具的调频连续波激光测距系统，包括可调谐激光器1、第一耦合器2、准直透镜3、第二耦合器4、准直透镜5、测量干涉系统、F-P标准具10、马赫增德尔干涉系统11、第一光电探测器12、同步采样系统13、上位机14、第二光电探测器15和第三光电探测器16。
可调谐激光器1发射经光频线性调制的窄线宽调频连续波激光，该激光经过第一耦合器2分为A0、B0两路，其中，B0路进入马赫增德尔干涉系统11，A0路经准直透镜3后由第二耦合器4分为A1、A2两路，A1路进入测量干涉系统，A2路经过准直透镜5进入F-P标准具10；测量干涉系统和第一光电探测器12对被测反射棱镜9进行探测，产生干涉信号sig1。
A2路激光与F-P标准具10发生干涉后，由第二光电探测器15进行探测，得到干涉信号sig2；B0路激光与马赫增德尔干涉系统11发生干涉，并由第三光电探测器16进行探测，得到干涉信号sig3。同步采样系统13对干涉信号sig1、sig2和sig3进行放大、滤波和同步采样，并将三路同步采样信号发送至上位机14处理得到待测反射棱镜9与测量干涉系统中参考环形器6的光程差，进而得出被测目标的距离。
测量干涉系统包括参考环形器6、准直透镜7和整形光路8。A1路激光经参考环形器6分为两束，其中一束依次经准直透镜7和整形光路8后被待测反射棱镜9反射，与另一束汇合为一束合束激光，合束激光经由第一光电探测器12进行探测，得到干涉信号sig1。
如图2所示，该基于F-P标准具的调频连续波激光测距系统的信号处理方法具体如下：
步骤一、在理想测量环境中，F-P标准具的相邻两个F-P峰值之间对应的sig3的极值数的理论值x＝2C，其中，常数C＝T2/T3，为sig2的周期T2与sig3的周期T3的比值；理想测量环境即激光传导不受干扰且没有损耗的环境，主要干扰为外界温度和振动。常数C与马赫增德尔干涉系统11内参考光纤的长度成正比例关系。取一段长度为n个sig2周期的sig3信号片段，每个sig2周期内的sig3信号为一个sig3信号区间。
步骤二、将1赋值给i。
步骤三、第i个sig3信号区间内的极值数为yi，若yi大于x，则对第i个sig3信号区间内的信号进行点数为取整的三次样条插值，其中，t为sig2的周期，Δt为同步采样系统13的采样时间；则第i个sig3信号区间新的采样时间间隔将第i个sig3信号区间中除第一个采样点外的新插入采样点向右水平移动，使得相邻两个新插入采样点的间距变为Δt，得到新的信号。此时，第i+1个sig3信号区间至第n个sig3信号区间内信号的相位均向右移动π(yi-x)。第i个sig3信号区间内信号的极值数yi变换为与x相等。
若在第i个sig3信号区间内的极值数yi小于x，则对第i个sig3信号区间内的信号进行点数为取整的三次样条插值，此时第i个sig3信号区间新的采样点的时间间隔将第i个sig3信号区间中除第一个采样点外的新插入采样点向左水平移动，使得相邻两个新插入采样点的间距变为Δt，得到新的信号。此时，第i+1个sig3信号区间至第n个sig3信号区间内信号的相位向左移动π(yi-x)。第i个sig3信号区间内信号的极值数yi变换为与x相等。
若第i个sig3信号区间内的极值数yi＝x，则进入步骤四。
步骤四、将i增加1，若i＜n，则重复步骤三，否则，进入步骤五。
步骤五、以步骤二、三和四处理后的信号sig3作为采样时钟信号，对干涉信号sig1进行二次采样，得到重采样信号sig4。对重采样信号sig4进行时频变换即得到待测反射棱镜9与测量干涉系统中参考环形器6的光程差，进而得出被测目标的距离。

Claims (2)

1.基于F-P标准具的调频连续波激光测距方法，其特征在于：采用的基于F-P标准具的调频连续波激光测距系统包括可调谐激光器、第一耦合器、准直透镜、第二耦合器、准直透镜、测量干涉系统、F-P标准具、马赫增德尔干涉系统、第一光电探测器、同步采样系统、上位机、第二光电探测器和第三光电探测器；
所述的可调谐激光器发射经光频线性调制的窄线宽调频连续波激光，该激光经过第一耦合器分为A0、B0两路，其中，B0路进入马赫增德尔干涉系统，A0路经准直透镜后由第二耦合器分为A1、A2两路，A1路进入测量干涉系统，A2路经过准直透镜进入F-P标准具；所述的测量干涉系统和第一光电探测器对被测反射棱镜进行探测，产生干涉信号sig1；A2路激光与F-P标准具发生干涉后，由第二光电探测器进行探测，得到干涉信号sig2；B0路激光与马赫增德尔干涉系统发生干涉，并由第三光电探测器进行探测，得到干涉信号sig3；同步采样系统对干涉信号sig1、sig2和sig3进行放大、滤波和同步采样，并将三路同步采样信号发送至上位机；
该方法具体如下：
步骤一、在理想测量环境中，F-P标准具的相邻两个F-P峰值之间对应的sig3的极值数的理论值x＝2C，其中，常数C＝T2/T3，为sig2的周期T2与sig3的周期T3的比值；取一段长度为n个sig2周期的sig3信号片段，每个sig2周期内的sig3信号为一个sig3信号区间；
步骤二、将1赋值给i；
步骤三、第i个sig3信号区间内的极值数为yi，若yi大于x，则对第i个sig3信号区间内的信号进行点数为取整的三次样条插值，其中，t为sig2的周期，Δt为同步采样系统13的采样时间间隔；则第i个sig3信号区间新的采样时间间隔将第i个sig3信号区间中除第一个采样点外的新插入采样点向右水平移动，使得相邻两个新插入采样点的间距变为Δt，得到新的信号；此时，第i+1个sig3信号区间至第n个sig3信号区间内信号的相位均向右移动π(yi-x)；第i个sig3信号区间内信号的极值数yi变换为与x相等；
若在第i个sig3信号区间内的极值数yi小于x，则对第i个sig3信号区间内的信号进行点数为取整的三次样条插值，此时第i个sig3信号区间新的采样点的时间间隔将第i个sig3信号区间中除第一个采样点外的新插入采样点向左水平移动，使得相邻两个新插入采样点的间距变为Δt，得到新的信号；此时，第i+1个sig3信号区间至第n个sig3信号区间内信号的相位向左移动π(yi-x)；第i个sig3信号区间内信号的极值数yi变换为与x相等；
若第i个sig3信号区间内的极值数yi＝x，则进入步骤四；
步骤四、将i增加1，若i＜n，则重复步骤三，否则进入步骤五；
步骤五、以步骤二、三和四处理后的信号sig3作为采样时钟信号，对干涉信号sig1进行二次采样，得到重采样信号sig4；对重采样信号sig4进行时频变换即得到待测反射棱镜与测量干涉系统中参考环形器的光程差，进而得出被测目标的距离。
2.根据权利要求1所述的基于F-P标准具的调频连续波激光测距方法，其特征在于：所述的测量干涉系统包括参考环形器、准直透镜和整形光路；A1路激光经参考环形器分为两束，其中一束依次经准直透镜和整形光路后被待测反射棱镜反射，与另一束汇合为一束合束激光，合束激光经由第一光电探测器进行探测，得到干涉信号sig1。
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