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CN109212550B - 集成fp标准具的调频连续波激光测距方法 - Google Patents

集成fp标准具的调频连续波激光测距方法 Download PDF

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CN109212550B CN201811067690.7A CN201811067690A CN109212550B CN 109212550 B CN109212550 B CN 109212550B CN 201811067690 A CN201811067690 A CN 201811067690A CN 109212550 B CN109212550 B CN 109212550B
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Abstract

本发明公开了集成FP标准具的调频连续波激光测距方法。利用光纤马赫曾德尔干涉仪作为辅助干涉系统进行等光频间隔重采样，包含一段长光纤作为测量基准，稳定性较差，且存在色散现象。本发明通过在调频连续波激光测距系统中，增加FP标准具作为辅助测量系统，对采样信号进行等光频间隔重采样，然后利用希尔伯特变换算法对重采样信号进行处理，求得被测目标的绝对距离。本发明将FP标准具的腔长而非长光纤作为测距基准，克服了长光纤对环境敏感性以及光纤色散对测距精度影响，并且可以在激光器调制范围较小的情况下，实现更高精度的测量。

Description

集成FP标准具的调频连续波激光测距方法
技术领域
本发明属于激光三维测距技术领域，具体涉及一种集成FP标准具的调频连续波激光测距方法。
背景技术
近些年来，调频连续波激光测距在激光测距领域受到越来越多的关注，其具有测量精度高，可以实现绝对测距，能够对漫反射目标进行直接测量等优点。调频连续波激光测距的测量精度受到激光器扫描范围和激光器扫描线性度的影响，因此需要利用等光频间隔重采样法，对得到的干涉信号进行离线处理以提高测量精度。目前为了使用等光频间隔重采样法，通常在调频连续波激光测距系统中，增加一套光纤马赫曾德尔干涉系统，来实现等光频间隔重采样。但是由于其中包含了一段长光纤作为测量基准，其稳定性较差，而且存在色散现象，导致测量精度并不理想。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种集成FP标准具的调频连续波激光测距方法。本发明通过在调频连续波激光测距系统中，增加FP标准具作为辅助测量系统，对采样信号进行等光频间隔重采样，然后利用希尔伯特变换算法对重采样信号进行处理，求得被测目标的绝对距离。
本发明的步骤如下：
步骤1、搭建集成FP标准具的调频连续波激光测距系统，该激光测距系统中，可调谐激光器控制器控制可调谐激光器发射光频线性调制的窄线宽激光，激光依次经过光隔离器、准直透镜组和二分之一波片后，再经过偏振分光棱镜分为两路，分别进入测量干涉系统和FP干涉系统，在测量干涉系统和FP干涉系统中分别得到一路干涉信号。其中，FP干涉系统的FP标准具放置在真空腔内。
步骤2、高速数据采集系统的两路通道分别对测量干涉系统和参考干涉系统的干涉信号进行同步数据采集，得到信号sig1和sig2。将可调谐激光器的调制开始信号发出后信号sig2的第一个峰点作为起始点，可调谐激光器的调制终止信号发出前，信号sig2的最后一个峰值点作为终止点，设信号sig2在起始点和终止点之间包含起始点和终止点共有k个峰值点。
步骤3、在信号sig2的每一个峰值点位置对信号sig1进行二次采样，得到重采样信号sig3。
步骤4、记录信号sig2相邻两个峰值点之间信号sig1的极大值和极小值的数量分别为Mi，(i＝1,2,……,k-1)，计算得到Mi的平均值为Mmean。
步骤5、利用希尔伯特变换，求得重采样信号sig3的瞬时相位，并对得到的瞬时相位进行解缠绕后，得到一条递增的曲线。然后，利用最小二乘法对该曲线进行线性拟合，求得拟合后直线的斜率为l。令fI＝l/(2π)，fI即为重采样信号sig3的频率。
步骤6、利用以下公式计算得到被测目标的距离L。
Figure BDA0001798714570000021
其中，m为Mmean的整数部分，dFP为FP标准具的腔长，ng为空气的折射率。
进一步，所述可调谐激光器采用中心波长为633nm、调制范围为1nm的外腔式窄线宽可调谐激光器。
所述的步骤1进一步描述为：在测量干涉系统中，激光被非偏振分光棱镜分为两路，分别被测量逆反射棱镜和参考逆反射棱镜反射，而后在非偏振分光棱镜的半透半反面汇合，再经由准直透镜进入光纤，经过50:50光纤耦合器分为两路，分别进入平衡探测器的两个探测口形成干涉信号。
所述的步骤1进一步描述为：FP干涉系统中，激光依次经反射镜和一号凸透镜后进入FP标准具；FP标准具的出射激光经过二号凸透镜后在光电探测器表面聚焦，得到干涉信号。
进一步，通过调整偏振分光棱镜和反射镜的角度，令激光沿着FP标准具中心轴线的方向进入FP标准具，通过调整一号凸透镜的位置，令激光在FP标准具的中心聚焦。
与现有处理调频连续波激光测距信号的方法(利用光纤马赫曾德尔干涉仪作为辅助干涉系统进行等光频间隔重采样)相比，本发明的有益效果是：本发明通过在调频连续波激光测距系统中，增加FP标准具作为辅助测量系统，对采样信号进行等光频间隔重采样，然后利用希尔伯特变换算法对重采样信号进行处理，求得被测目标的绝对距离；其中，将FP标准具的腔长而非长光纤作为测距基准，克服了长光纤对环境敏感性以及光纤色散对测距精度影响，并且可以在激光器调制范围较小的情况下，实现更高精度的测量。
附图说明
图1为本发明中集成FP标准具的调频连续波激光测距系统的原理图；
图2为本发明的高速数据采集系统采集到的信号片段示意图；
图3为重采样信号sig3的示意图；
图4为利用希尔伯特变换求得的重采样信号sig3的瞬时相位图；
图5为重采样信号sig3的瞬时相位解缠绕后的相位图；
图中：1、可调谐激光器，2、光隔离器，3、准直透镜组，4、二分之一波片，5、偏振分光棱镜，6、测量逆反射棱镜，7、参考逆反射棱镜，8、非偏振分光棱镜，9、光纤准直透镜，10、50:50光纤耦合器，11、平衡探测器，12、反射镜，13、一号凸透镜，14、FP标准具，15、真空腔，16、二号凸透镜，17、光电探测器，18、可调谐激光器控制器，19、高速数据采集系统，20、计算机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
集成FP标准具的调频连续波激光测距方法，具体步骤如下：
步骤1、如图1所示，搭建集成FP标准具的调频连续波激光测距系统，该激光测距系统中，可调谐激光器控制器18控制可调谐激光器1发射中心波长为633nm、调制范围为1nm的光频线性调制激光，激光依次经过光隔离器2、准直透镜组3和二分之一波片4后，再经过偏振分光棱镜5分为两路，分别进入测量干涉系统和FP干涉系统。在测量干涉系统中，激光被非偏振分光棱镜8分为两路，分别被测量逆反射棱镜6和参考逆反射棱镜7反射，而后在非偏振分光棱镜8的半透半反面汇合，再经由准直透镜9进入光纤，经过50:50光纤耦合器10分为两路，分别进入平衡探测器11的两个探测口形成干涉信号。FP干涉系统中，激光依次经反射镜12和一号凸透镜13后进入FP标准具14，FP标准具14放置在真空腔15内；通过调整偏振分光棱镜5和反射镜12的角度，令激光沿着FP标准具14中心轴线的方向进入FP标准具14；通过调整一号凸透镜13的位置，令激光在FP标准具的中心聚焦。FP标准具的出射激光经过二号凸透镜16后在光电探测器17表面聚焦，形成干涉信号。
步骤2、高速数据采集系统19的通道一和通道二分别对测量干涉系统和FP干涉系统的干涉信号进行同步数据采集，得到信号sig1(图2中实线部分)和sig2(图2中虚线部分)。将采集得到的信号sig1和sig2存入计算机20进行处理；将可调谐激光器的调制开始信号发出后信号sig2的第一个峰点作为起始点；可调谐激光器的调制终止信号发出前，信号sig2的最后一个峰值点作为终止点，设信号sig2在起始点和终止点之间包含起始点和终止点共有k个峰值点。
步骤3、在信号sig2的每一个峰值点位置对信号sig1进行二次采样，得到重采样信号sig3，如图3所示。
步骤4、记录信号sig2每相邻两个峰值点之间信号sig1的极大值和极小值数量分别为Mi，(i＝1,2,……,k-1)，计算得到Mi的平均值为Mmean。
步骤5、利用希尔伯特变换，求得重采样信号sig3的瞬时相位，如图4所示。对得到的瞬时相位进行解缠绕后，得到一条递增的曲线，如图5所示。然后，利用最小二乘法对该曲线进行线性拟合，求得拟合后直线的斜率为l。图5中，空心圆为瞬时相位数据点，直线为最小二乘拟合得到的直线。令fI＝l/(2π)，fI即为重采样信号sig3的频率。
步骤6、利用以下公式计算得到被测目标的距离L。
Figure BDA0001798714570000041
其中，m为Mmean的整数部分，dFP为FP标准具的腔长，ng为空气的折射率。

Claims (5)

1.集成FP标准具的调频连续波激光测距方法，其特征在于：该方法具体如下：
步骤1、搭建集成FP标准具的调频连续波激光测距系统，该激光测距系统中，可调谐激光器控制器控制可调谐激光器发射光频线性调制的窄线宽激光，激光依次经过光隔离器、准直透镜组和二分之一波片后，再经过偏振分光棱镜分为两路，分别进入测量干涉系统和FP干涉系统，在测量干涉系统和FP干涉系统中分别得到一路干涉信号；其中，FP干涉系统的FP标准具放置在真空腔内；
步骤2、高速数据采集系统的两路通道分别对测量干涉系统和参考干涉系统的干涉信号进行同步数据采集，得到信号sig1和sig2；将可调谐激光器的调制开始信号发出后信号sig2的第一个峰点作为起始点，可调谐激光器的调制终止信号发出前，信号sig2的最后一个峰值点作为终止点，设信号sig2在起始点和终止点之间包含起始点和终止点共有k个峰值点；
步骤3、在信号sig2的每一个峰值点位置对信号sig1进行二次采样，得到重采样信号sig3；
步骤4、记录信号sig2相邻两个峰值点之间信号sig1的极大值和极小值的数量之和，记为Mi，(i＝1,2,……,k-1)，计算得到Mi的平均值为Mmean；
步骤5、利用希尔伯特变换，求得重采样信号sig3的瞬时相位，并对得到的瞬时相位进行解缠绕后，得到一条递增的曲线；然后，利用最小二乘法对该曲线进行线性拟合，求得拟合后直线的斜率为l；令fI＝l/(2π)，fI即为重采样信号sig3的频率；
步骤6、利用以下公式计算得到被测目标的距离L；
Figure FDA0002532520400000011
其中，m为Mmean的整数部分，dFP为FP标准具的腔长，ng为空气的折射率。
2.根据权利要求1所述的集成FP标准具的调频连续波激光测距方法，其特征在于：所述可调谐激光器采用中心波长为633nm、调制范围为1nm的外腔式窄线宽可调谐激光器。
3.根据权利要求1或2所述的集成FP标准具的调频连续波激光测距方法，其特征在于：所述的步骤1进一步描述为：在测量干涉系统中，激光被非偏振分光棱镜分为两路，分别被测量逆反射棱镜和参考逆反射棱镜反射，而后在非偏振分光棱镜的半透半反面汇合，再经由准直透镜进入光纤，经过50:50光纤耦合器分为两路，分别进入平衡探测器的两个探测口形成干涉信号。
4.根据权利要求1或2所述的集成FP标准具的调频连续波激光测距方法，其特征在于：所述的步骤1进一步描述为：FP干涉系统中，激光依次经反射镜和一号凸透镜后进入FP标准具；FP标准具的出射激光经过二号凸透镜后在光电探测器表面聚焦，得到干涉信号。
5.根据权利要求4所述的集成FP标准具的调频连续波激光测距方法，其特征在于：通过调整偏振分光棱镜和反射镜的角度，令激光沿着FP标准具中心轴线的方向进入FP标准具，通过调整一号凸透镜的位置，令激光在FP标准具的中心聚焦。
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