雙干涉光路調頻連續波激光測距信號處理方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于信號處理技術領域，具體涉及一種雙干涉光路調頻連續波激光測距信 號處理方法。
【背景技術】
[0002] 調頻連續波激光測距是一種干涉式大尺寸激光絕對測距技術，具有測量精度高、 絕對式測量、可以對漫反射目標進行直接測量等特點。在大尺度幾何量測量、重大裝備制 造、軍事科技、空間技術等領域有著廣闊的應用前景。
[0003] 可調諧激光器的調制線性度較差，是限制調頻連續波激光測距精度的主要原因。 等光頻間隔采樣可以有效提高調頻連續波激光測距精度，但是現有針對該方法的信號處理 技術并不成熟。利用時頻變換的方法存在數據量大，算法復雜對硬件要求高等缺點；利用過 零比較計數法直接簡單相除得到測距結果的方法很容易引入外界干擾，導致測量結果精度 較低。
【發明內容】
[0004] 本發明目的是針對現有技術的不足，提出一種雙干涉光路調頻連續波激光測距信 號處理方法，該方法無需進行時頻變換，大大降低了對硬件系統的數據處理要求，并且可以 在不增加激光器調制范圍的前提下，提高測量分辨力。
[0005] 本發明的具體步驟如下：
[0006] 步驟1、搭建雙干涉光路調頻連續波激光測距系統，可調諧激光器發射光頻線性調 制的窄線寬激光，分別進入測量干涉系統和參考干涉系統，得到兩路頻率不相等的正弦波 信號；其中，測量干涉系統中，激光被分為兩路，一路激光被逆反射棱鏡反射后與另一路發 生干涉得到正弦波信號。
[0007] 步驟2、高速數據采集系統的通道一和通道二分別對測量干涉系統和參考干涉系 統的正弦波信號進行同步數據采集，得到信號sigl和sig2。
[0008] 步驟3、對信號sigl和sig2進行極值提取，得到信號sigl和信號sig2的極值點 集。
[0009] 步驟4、將可調諧激光器的調制開始信號發出后信號sig2的第一個極值點作為計 數起始點；可調諧激光器的調制終止信號發出后，信號sig2的第一個極值點作為計數終止 點。
[0010] 步驟5、計算計數起始點和計數終止點之間對應的時間段內，信號sigl和sig2的 極值點數量，分別記為nl和n2。測量得到計數起始點與信號sigl的第一個極值點之間的 相位為pl，計數終止點與信號sigl的最后一個極值點之間的相位為P2。
[0011] 步驟6、將測得的nl、n2、pi和p2代入測距公式得到逆反射棱鏡的距離： CN 105137444 A 說明書 2/3 頁
[0012]
[0013] 式中，dis為參考干涉系統的光程差，η為空氣折射率，EV為參考干涉系統的干涉 臂臂長補償值。
[0014] 所述的步驟1進一步描述為：在測量干涉系統中，一路激光依次經過光環行器和 準直透鏡投射至逆反射棱鏡，被逆反射棱鏡反射后再依次經過準直透鏡和光環行器反射至 第一光電探測器表面與另一路激光匯合，發生干涉，得到第一正弦波信號。參考干涉系統 中，延遲光纖令進入參考干涉系統兩個干涉臂的激光出現光程差，在第二光電探測器表面 發生干涉，得到第二正弦波信號。
[0015] 所述的參考干涉系統為不等臂馬赫增德爾干涉系統。
[0016] 與現有處理調頻連續波激光測距信號的方法相比，本發明的有益效果是：
[0017] 對測量得到的兩路拍頻信號進行處理時，無需對大量的信號進行時頻變換，大大 減少了運算量；利用極值提取的方法和相位測量的方法，其精度優于直接利用計數器進行 過零比較測量得到的測量結果。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發明的流程圖；
[0019] 圖2為本發明中雙干涉光路調頻連續波激光測距系統的原理圖；
[0020] 圖3為本發明的高速數據采集系統采集到的信號示意圖。
[0021] 圖中：1、可調諧激光器，2、光環形器。3、準直透鏡，4、逆反射棱鏡，5、高速數據采集 系統，6、第一光電探測器，7、第二光電探測器，8、延遲光纖。
【具體實施方式】
[0022] 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0023] 雙干涉光路調頻連續波激光測距信號處理方法，具體步驟如下：
[0024] 步驟1、如圖1和2所示，搭建雙干涉光路調頻連續波激光測距系統，可調諧激光器 1發射光頻線性調制的窄線寬激光，分別進入測量干涉系統和參考干涉系統。在測量干涉系 統中，激光被分為兩路，其中一路激光依次經過光環行器2和準直透鏡3投射至逆反射棱鏡 4,被逆反射棱鏡4反射后再依次經過準直透鏡3和光環行器2投射至第一光電探測器6表 面與另一路激光匯合，發生干涉，得到拍頻信號beatl。參考干涉系統為不等臂馬赫增德爾 干涉系統，延遲光纖8令進入參考干涉系統兩個干涉臂的激光出現光程差，在第二光電探 測器7表面發生干涉，得到拍頻信號beat2。其中，雙干涉光路調頻連續波激光測距系統包 括可調諧激光器1、量干涉系統、參考干涉系統、高速數據采集系統5、第一光電探測器6和 二光電探測器7。
[0025] 步驟2、高速數據采集系統5的通道CHl和通道CH2分別對測量干涉系統得到的拍 頻信號beatl和參考干涉系統得到的拍頻信號beat2進行采集，得到信號sigl和sig2。
[0026] 步驟3、對信號sigl和sig2進行極值提取，得到信號sigl的極值點集El和信號 sig2的極值點集E2。
[0027] 步驟4、如圖3所示，將可調諧激光器1的調制開始信號發出后信號sig2的第一個 極值點作為計數起始點b ;可調諧激光器1的調制終止信號發出后，信號sig2的第一個極 值點作為計數終止點S。
[0028] 步驟5、計算計數過程中，即點b和點s之間對應的時間段內，信號sigl和sig2的 極值點數量，分別記為nl和n2。如圖3所示，測量得到點b與信號sigl的第一個極值點f 之間的相位為pl，點S與信號sigl的最后一個極值點e之間的相位為p2。
[0029] 步驟6、將測得的nl、n2、pi和p2代入如下測距公式得到逆反射棱鏡4與準直透 鏡3的距離：
[0030]
(1 )
[0031] 式中，dis為參考干涉系統的光程差，η為空氣折射率，EV為參考干涉系統的干涉 臂臂長補償值。
[0032] 應用實例：
[0033] 如圖2所示，將被測的逆反射棱鏡4設置在距離測距系統約5. 5m處，固定于納 米微動臺上，設置可調諧激光器1的功率為10mW，調制范圍為1530~1550nm，掃描速度 為8nm/s，不等臂馬赫增德爾干涉系統的光程差dis = 44046mm。進行測量后得到nl = 331459、n2 = 839082、pi = (λ 23、ρ2 = (λ 02、EV = 3229. 124mm，計算得到被測逆反射棱鏡 4與準直透鏡3的距離z = 5470. 532mm。為了證明測量分辨力，控制納米微動臺移動50 μ m 進行第二次測量，得到測量結果為z = 5470. 589mm，證明了本發明的測量分辨力可以達到 50 μπι。通過上述實例驗證了利用該雙干涉光路調頻連續波激光測距信號處理方法可以實 現高分辨力的調頻連續波激光測距。
[0034] 盡管上面結合附圖對本發明進行了描述，但是本發明并不局限于上述的具體實施 方式，上述的【具體實施方式】僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本 發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨的情況下，還可以做出很多變形，這些均屬于本發明的 保護之內。
【主權項】
1. 雙干涉光路調頻連續波激光測距信號處理方法，其特征在于：該方法的具體步驟如 下： 步驟1、搭建雙干涉光路調頻連續波激光測距系統，可調諧激光器發射光頻線性調制的 窄線寬激光，分別進入測量干涉系統和參考干涉系統，得到兩路頻率不相等的正弦波信號； 其中，測量干涉系統中，激光被分為兩路，一路激光被逆反射棱鏡反射后與另一路發生干涉 得到正弦波信號； 步驟2、高速數據采集系統的通道一和通道二分別對測量干涉系統和參考干涉系統的 正弦波信號進行同步數據采集，得到信號sigl和sig2 ; 步驟3、對信號sigl和sig2進行極值提取，得到信號sigl和信號sig2的極值點集； 步驟4、將可調諧激光器的調制開始信號發出后信號sig2的第一個極值點作為計數起 始點；可調諧激光器的調制終止信號發出后，信號sig2的第一個極值點作為計數終止點； 步驟5、計算計數起始點和計數終止點之間對應的時間段內，信號sigl和sig2的極值 點數量，分別記為nl和n2 ;測量得到計數起始點與信號sigl的第一個極值點之間的相位 為pl，計數終止點與信號sigl的最后一個極值點之間的相位為P2 ; 步驟6、將測得的nl、n2、pi和p2代入測距公式得到逆反射棱鏡的距離：式中，dis為參考干涉系統的光程差，n為空氣折射率，EV為參考干涉系統的干涉臂臂 長補償值。2. 根據權利要求1所述的雙干涉光路調頻連續波激光測距信號處理方法，其特征在 于：所述的步驟1進一步描述為：在測量干涉系統中，一路激光依次經過光環行器和準直 透鏡投射至逆反射棱鏡，被逆反射棱鏡反射后再依次經過準直透鏡和光環行器反射至第一 光電探測器表面與另一路激光匯合，發生干涉，得到第一正弦波信號；參考干涉系統中，延 遲光纖令進入參考干涉系統兩個干涉臂的激光出現光程差，在第二光電探測器表面發生干 涉，得到第二正弦波信號。3. 根據權利要求1所述的雙干涉光路調頻連續波激光測距信號處理方法，其特征在 于：所述的參考干涉系統為不等臂馬赫增德爾干涉系統。
【專利摘要】本發明公開了一種雙干涉光路調頻連續波激光測距信號處理方法。調頻連續波激光測距中時頻變換方數據量大，過零比較計數法易引入干擾。本發明的步驟：可調諧激光器發射的激光分別進入測量干涉系統和參考干涉系統，得到兩路頻率不等的正弦波信號；高速數據采集系統采集兩路正弦波信號，得到信號sig1和sig2；提取信號sig1和sig2的極值點集；計算計數起始點和計數終止點對應時間段內，信號sig1和sig2的極值點數量，記為n1和n2；測量計數起始點與信號sig1的第一個極值點的相位差p1，計數終止點與信號sig1的最后一個極值點的相位差p2；計算逆反射棱鏡的距離。本發明運算量小，精度優于過零比較計數法。
【IPC分類】G01S17/32
【公開號】CN105137444
【申請號】CN201510413309
【發明人】時光, 王文
【申請人】杭州電子科技大學
【公開日】2015年12月9日
【申請日】2015年7月14日