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CN107728134B - 集成参考光路稳定系统的调频连续波激光测距装置 - Google Patents

集成参考光路稳定系统的调频连续波激光测距装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了集成参考光路稳定系统的调频连续波激光测距装置。现有调频连续波激光测距系统测距基准容易受到外界振动影响，影响测距精度。本发明包括外腔式可调谐激光器、测量干涉系统、氦氖激光器和辅助干涉系统；外腔式可调谐激光器产生1540nm～1550nm的连续激光；氦氖激光器产生632nm的单模激光；测量干涉系统包括第二耦合器、第一环形器、第一准直透镜、第一光电探测器和第三耦合器；辅助干涉系统中设置一套光程差补偿的反馈控制系统，包括声光调制器、调频信号源、相位探测器、光电探测器、压电微动平台、压电控制器、伺服控制器和平面反射镜。本发明用于消除延时光纤长度受外界振动而变化的影响，从而提高测距精度。

Description

集成参考光路稳定系统的调频连续波激光测距装置
技术领域
本发明属于光学技术领域，具体涉及一种集成参考光路稳定系统的调频连续波激光测距装置。
背景技术
在大尺度精密测量领域，基于激光技术的测量仪器被广泛应用。量程在十几米到几十米范围的绝对测距技术是目前激光测量领域的研究热点和难点。调频连续波激光测距具有高精度，无盲区，无须合作目标，可实现绝对距离测量等优点，特别适合于工业大尺度绝对测距领域。
在调频连续波测距系统中增加光纤马赫增德尔干涉系统作为辅助干涉系统，利用等光频间隔重采样法，可以消除由于可调谐激光器调制非线性导致的测距精度下降的问题，将测距分辨率提高到几十微米。然而该测距系统将光纤马赫增德尔干涉系统中两个干涉臂的光程差作为测距基准，其长度容易受到外界振动影响，影响最终的测距精度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有调频连续波激光测距系统测距基准容易受到外界振动影响的缺点和不足，提供一种集成参考光路稳定系统的调频连续波激光测距装置。本发明可以有效抑制外界振动影响，提高测距分辨力。
本发明包括外腔式可调谐激光器、测量干涉系统、氦氖激光器和辅助干涉系统；所述的外腔式可调谐激光器用于产生波长调制范围为1540nm～1550nm的连续激光；所述的氦氖激光器用于产生波长为632nm的单模激光；外腔式可调谐激光器发射的激光经过第一耦合器分为A、B两路；所述的测量干涉系统包括第二耦合器、第一环形器、第一准直透镜、第一光电探测器和第三耦合器；A路激光经过第二耦合器分为两路光，一路光依次经过第一环形器和第一准直透镜后打到目标棱镜并原路返回进入第一环形器，然后从第一环形器射出与另外一路光汇成一束进入第三耦合器；第三耦合器射出的激光束由激光探测范围为1540nm～1550nm的第一光电探测器探测，并在第一光电探测器表面发生干涉。
所述的辅助干涉系统包括第四耦合器、第五耦合器、低通滤波器、相位探测器、第三光电探测器、声光调制器、第二准直透镜、平面反射镜、压电微动平台、压电控制器和伺服控制器；B路激光与氦氖激光器发射的单模激光汇成一束进入第四耦合器，然后经第五耦合器分成C、D两路，C路激光进入延时光纤，D路激光依次进入第二环形器和第二准直透镜后打到平面反射镜，并原路返回进入第二环形器，接着经过由调频信号源驱动的声光调制器，产生与调频信号源相等频率的频移，使得C、D两路中的632nm激光产生固定频差。延时光纤出来的C路激光与声光调制器出来的D路激光汇合为一束进入第六耦合器再分为E、F两路光。E路光经过滤波片，再由激光探测范围为1540nm～1550nm的第二光电探测器进行探测，E路光中1540nm～1550nm波长的激光在第二光电探测器表面发生干涉；F路光由激光探测波长为632nm的第三光电探测器进行探测，632nm激光束中的两路差频激光在第三光电探测器表面发生干涉，产生拍频信号。相位探测器对632nm干涉激光的拍频信号与调频信号源的原始信号两者的相位进行比较，再将比较后的信号通过低通滤波器输入至伺服控制器，通过伺服控制器控制压电控制器驱动压电微动平台，压电微动平台带动平面反射镜改变与第二准直透镜的距离，从而改变D路激光的光程大小，用于补偿C、D两路的光程差变化，消除因延时光纤长度变化导致辅助干涉系统的光程差变化的影响。
所述的采集系统接收测量干涉系统的第一光电探测器上的拍频信号，并接收B路辅助干涉系统的第二光电探测器上的拍频信号，利用等光频间隔重采样技术对这两个拍频信号进行处理，然后进行傅里叶变换得到距离数据。
所述的外腔式可调谐激光器和氦氖激光器由控制器控制同时启停。
对这两个拍频信号的处理在PC上进行。
与现有技术相比，本发明的效果是：
在常规的调频连续波测距系统的基础上，本发明对光纤马赫增德尔干涉系统中两个干涉臂的光程差即测距基准进行了反馈控制。延时光纤的长度受外界振动影响会发生变化，这会改变测距基准从而影响测距精度，本发明能有效抑制外界振动影响，形成闭环稳定系统，达到提高测距精度的目的。
附图说明
图1为本发明的光路原理图；
图中：1、外腔式可调谐激光器，2、第一耦合器，3、第二耦合器，4、第一环形器，5、第一准直透镜，6、目标棱镜，7、采集系统，8、第一光电探测器，9、第三耦合器，10、第四耦合器，11、氦氖激光器，12、第五耦合器，13、延时光纤，14、第六耦合器，15、滤波片，16、第二光电探测器，17、低通滤波器，18、相位探测器，19、第三光电探测器，20、调频信号源，21、声光调制器，22、第二环形器，23、第二准直透镜，24、电源，25、平面反射镜，26、压电微动平台，27、压电控制器，28、伺服控制器，29、PC，30、控制器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明技术方案作进一步详细描述。
如图1所示，集成参考光路稳定系统的调频连续波激光测距装置，包括外腔式可调谐激光器1、测量干涉系统、氦氖激光器11和辅助干涉系统；外腔式可调谐激光器1和氦氖激光器11由控制器30控制同时启停；氦氖激光器11由电源24供电；外腔式可调谐激光器1，用于产生波长调制范围为1540nm～1550nm的连续激光；氦氖激光器11，用于产生波长为632nm的单模激光；外腔式可调谐激光器1发射的激光经过第一耦合器2分为A、B两路；A路激光进入测量干涉系统，测量干涉系统包括第二耦合器3、第一环形器4、第一准直透镜5、第一光电探测器8和第三耦合器9；A路激光经过第二耦合器3分为两路光，一路光依次经过第一环形器4和第一准直透镜5后打到目标棱镜6并原路(先经第一准直透镜5，后回到第一环形器4)返回进入第一环形器4，然后从第一环形器4射出与另外一路光汇成一束进入第三耦合器9；第三耦合器9射出的激光束由激光探测范围为1540nm～1550nm的第一光电探测器8探测，并在第一光电探测器8表面发生干涉。
B路激光进入辅助干涉系统，辅助干涉系统包括第四耦合器10、第五耦合器12、低通滤波器17、相位探测器18、第三光电探测器19、声光调制器21、第二准直透镜23、平面反射镜25、压电微动平台26、压电控制器27和伺服控制器28；B路激光与氦氖激光器11发射的单模激光汇成一束进入第四耦合器10，然后经第五耦合器12分成C、D两路，其中C路激光进入延时光纤13，D路激光依次进入第二环形器22和第二准直透镜23后打到平面反射镜25，并原路(先经第二准直透镜23，后回到第二环形器22)返回进入第二环形器22，接着经过由调频信号源20驱动的声光调制器21，产生与调频信号源20相等频率的频移，这使得C、D两路中的632nm激光产生了固定的频差。延时光纤13出来的C路激光与声光调制器21出来的D路激光汇合为一束进入第六耦合器14再分为E、F两路光。E路光经过滤波片15，再由激光探测范围为1540nm～1550nm的第二光电探测器16进行探测，E路光中1540nm～1550nm波长的激光在第二光电探测器16表面发生干涉；F路光由激光探测波长为632nm的第三光电探测器19进行探测，632nm激光束中的两路差频激光在第三光电探测器19表面发生干涉，产生拍频信号。当C路中的延时光纤13长度受振动影响变化时，通过相位探测器18对632nm干涉激光的拍频信号与调频信号源20的原始信号两者的相位进行比较，再将比较后的信号通过低通滤波器17输入至伺服控制器28，通过伺服控制器28控制压电控制器27驱动压电微动平台26，压电微动平台26带动平面反射镜25改变与第二准直透镜23的距离，从而改变D路激光的光程大小，用于补偿C、D两路的光程差变化，从而消除因延时光纤13长度变化导致辅助干涉系统的光程差变化的影响，提高了测距精度。
采集系统7接收测量干涉系统的第一光电探测器8上的拍频信号CH1，并接收B路辅助干涉系统的第二光电探测器16上的拍频信号CH2，利用等光频间隔重采样技术在PC29上对这两个拍频信号进行处理，通过对处理后的拍频信号进行傅里叶变换得到距离数据。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.集成参考光路稳定系统的调频连续波激光测距装置，包括外腔式可调谐激光器、测量干涉系统、氦氖激光器和辅助干涉系统，其特征在于：所述的外腔式可调谐激光器用于产生波长调制范围为1540nm～1550nm的连续激光；所述的氦氖激光器用于产生波长为632nm的单模激光；外腔式可调谐激光器发射的激光经过第一耦合器分为A、B两路；所述的测量干涉系统包括第二耦合器、第一环形器、第一准直透镜、第一光电探测器和第三耦合器；A路激光经过第二耦合器分为两路光，一路光依次经过第一环形器和第一准直透镜后打到目标棱镜并原路返回进入第一环形器，然后从第一环形器射出与另外一路光汇成一束进入第三耦合器；第三耦合器射出的激光束由激光探测范围为1540nm～1550nm的第一光电探测器探测，并在第一光电探测器表面发生干涉；
所述的辅助干涉系统包括第四耦合器、第五耦合器、低通滤波器、相位探测器、第三光电探测器、声光调制器、第二准直透镜、平面反射镜、压电微动平台、压电控制器和伺服控制器；B路激光与氦氖激光器发射的单模激光汇成一束进入第四耦合器，然后经第五耦合器分成C、D两路，C路激光进入延时光纤，D路激光依次进入第二环形器和第二准直透镜后打到平面反射镜，并原路返回进入第二环形器，接着经过由调频信号源驱动的声光调制器，产生与调频信号源相等频率的频移，使得C、D两路中的632nm激光产生固定频差；延时光纤出来的C路激光与声光调制器出来的D路激光汇合为一束进入第六耦合器再分为E、F两路光；E路光经过滤波片，再由激光探测范围为1540nm～1550nm的第二光电探测器进行探测，E路光中1540nm～1550nm波长的激光在第二光电探测器表面发生干涉；F路光由激光探测波长为632nm的第三光电探测器进行探测，632nm激光束中的两路差频激光在第三光电探测器表面发生干涉，产生拍频信号；相位探测器对632nm干涉激光的拍频信号与调频信号源的原始信号两者的相位进行比较，再将比较后的信号通过低通滤波器输入至伺服控制器，通过伺服控制器控制压电控制器驱动压电微动平台，压电微动平台带动平面反射镜改变与第二准直透镜的距离，从而改变D路激光的光程大小，用于补偿C、D两路的光程差变化，消除因延时光纤长度变化导致辅助干涉系统的光程差变化的影响；
采集系统接收测量干涉系统的第一光电探测器上的拍频信号，并接收B路辅助干涉系统的第二光电探测器上的拍频信号，利用等光频间隔重采样技术对这两个拍频信号进行处理，然后进行傅里叶变换得到距离数据。
2.根据权利要求1所述的集成参考光路稳定系统的调频连续波激光测距装置，其特征在于：所述的外腔式可调谐激光器和氦氖激光器由控制器控制同时启停。
3.根据权利要求1所述的集成参考光路稳定系统的调频连续波激光测距装置，其特征在于：对这两个拍频信号的处理在PC上进行。
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