CN105785386B - 基于f‑p标准具的高精度调频连续波激光测距系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于F‑P标准具的高精度调频连续波激光测距系统。现有调频连续波测距系统以光纤长度作为基准，受外界影响大。本发明中可调谐激光器发射的激光经分路器分为A0、B0两路，B0路进入马赫增德尔干涉系统，A0路由分光棱镜分为A1、A2两路，A1路进入测量干涉系统，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；A2路激光与F‑P标准具发生干涉后，由第二光电探测探测得到干涉信号；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探测得到干涉信号；同步采样系统将三路同步采样信号发送至上位机处理得出被测目标距离。本发明消除外界因素对马赫增德尔干涉系统两干涉臂光程差的影响。
Description
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系统。
背景技术
自激光器的诞生之初就被应用于测距领域，激光的方向性好、亮度高、单色性好等特性，决定了其在测量领域的独特优势。在地形测量、空间技术、军事领域以及工程测量中，激光测量技术的引入，使得测量范围不断增加，测量精度不断提高，测量方法不断创新，激光测量一直以来都是测量领域的热门研究课题。
调频连续波(FMCW)激光测距是一种干涉式大尺寸激光绝对测距技术，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。
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。但是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导致精度较低。
发明内容
本发明目的就是在于克服现有调频连续波激光测距系统的缺点和不足，提供了一种基于F-P标准具的高精度调频连续波激光测距系统。本发明结构较为简易，在有效抑制激光器调制非线性影响的同时，利用法布里－珀罗(F-P)标准具作为测距基准，进一步提高系统的测距精度。
本发明包括可调谐激光器、测量干涉系统、分路器、分光棱镜、第一光电探测器、上位机、同步采样系统、F-P标准具、第二光电探测、第三光电探测器和马赫增德尔干涉系统；所述可调谐激光器发射的经光频线性调制的窄线宽调频连续波激光经过分路器分为A0、B0两路，其中，B0路进入马赫增德尔干涉系统，A0路经准直透镜后由分光棱镜分为A1、A2两路，A1路进入测量干涉系统，A2路进入F-P标准具；所述的测量干涉系统和第一光电探测器用于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。所述的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处理得到被测反射棱镜与测量干涉系统中参考反射棱镜的光程差，进而得出被测目标的距离。
所述的测量干涉系统包括二分之一波片、参考反射棱镜、四分之一波片一、偏振分光立方体、偏振片、凸透镜和四分之一波片二；A1路激光经由二分之一波片调整偏振方向，并由偏振分光立方体控制分光比，经偏振分光立方体分为两束，其中一束经四分之一波片一被参考反射棱镜反射，另一束经四分之一波片二被被测反射棱镜反射，在偏振分光立方体的反射面汇合为一束合束激光；四分之一波片一和四分之一波片二用于将经过的激光偏振方向旋转90度，从而改变经过偏振分光立方体的激光传播方向；合束激光经依次经偏振片和凸透镜后由第一光电探测器进行探测，得到干涉信号sig1。
所述的上位机以干涉信号sig2作为基准对干涉信号sig3进行校正，得到信号sig4，具体为：干涉信号sig2的三个峰值为a、b和c，干涉信号sig3的三个峰值A、B和C分别间隔6个周期，调整干涉信号sig3得到信号sig4，使信号sig4分别间隔6个周期的三个峰值A＇、B＇、C＇和干涉信号sig2的三个峰值a、b、c一一对齐。利用信号sig4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sig5，对重采样信号sig5进行时频变换即可得到被测反射棱镜与参考反射棱镜的光程差，进而得出被测目标的距离。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
利用法布里-珀罗标准具作为基准，对马赫增德尔干涉系统得到的干涉信号进行校准，消除了由于外界振动、温度等因素对马赫增德尔干涉系统两干涉臂的光程差产生的影响。将测距结果溯源到了法布里-珀罗标准具的长度，提高了测距精度。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为利用F-P标准具对马赫增德尔干涉系统的信号进行校正的过程图。
图中：1、可调谐激光器，2、分路器，3、准直透镜，4、分光棱镜，5、二分之一波片，6、参考反射棱镜，7、四分之一波片一，8、偏振分光立方体，9、偏振片，10、凸透镜，11、第一光电探测器，12、四分之一波片二，13、被测反射棱镜，14、上位机，15、同步采样系统，16、F-P标准具，17、第二光电探测器，18、第三光电探测器，19、马赫增德尔干涉系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步描述。
如图1所示，基于F-P标准具的高精度调频连续波激光测距系统，包括可调谐激光器1、测量干涉系统、分路器2、分光棱镜4、第一光电探测器11、上位机14、同步采样系统15、F-P标准具16、第二光电探测17、第三光电探测器18和马赫增德尔干涉系统19；可调谐激光器1发射的经光频线性调制的窄线宽调频连续波激光经过分路器2分为A0、B0两路，其中，B0路进入马赫增德尔干涉系统19，A0路经准直透镜3后由分光棱镜4分为A1、A2两路，A1路进入测量干涉系统，A2路进入F-P标准具16；测量干涉系统和第一光电探测器11用于对被测反射棱镜13进行探测，产生干涉信号sig1；A2路激光与F-P标准具16发生干涉后，由第二光电探测17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19发生干涉，并由第三光电探测器18进行探测，得到干涉信号sig3。同步采样系统15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处理得到被测反射棱镜13与测量干涉系统中参考反射棱镜6的光程差，进而得出被测目标的距离。
测量干涉系统包括二分之一波片5、参考反射棱镜6、四分之一波片一7、偏振分光立方体8、偏振片9、凸透镜10和四分之一波片二12；A1路激光经由二分之一波片5调整偏振方向，并由偏振分光立方体8控制分光比，经偏振分光立方体8分为两束，其中一束经四分之一波片一7被参考反射棱镜6反射，另一束经四分之一波片二12被被测反射棱镜13反射，在偏振分光立方体8的反射面汇合为一束合束激光；四分之一波片一7和四分之一波片二12用于将经过的激光偏振方向旋转90度，从而改变经过偏振分光立方体的激光传播方向；合束激光经依次经偏振片9和凸透镜10后由第一光电探测器11进行探测，得到干涉信号sig1。
干涉信号sig2和sig3如图2所示。上位机14以干涉信号sig2作为基准对干涉信号sig3进行校正，得到信号sig4。图2中，干涉信号sig2的三个峰值为a、b和c，干涉信号sig3的三个峰值A、B和C分别间隔6个周期，调整干涉信号sig3得到信号sig4，使信号sig4分别间隔6个周期的三个峰值A＇、B＇、C＇和干涉信号sig2的三个峰值a、b、c一一对齐。利用信号sig4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sig5，对重采样信号sig5进行时频变换即可得到被测反射棱镜13与参考反射棱镜6的光程差，进而得出被测目标的距离。
Claims (3)
1.基于F-P标准具的高精度调频连续波激光测距系统，包括可调谐激光器、测量干涉系统、分路器、分光棱镜、第一光电探测器、上位机、同步采样系统、F-P标准具、第二光电探测、第三光电探测器和马赫增德尔干涉系统，其特征在于：所述可调谐激光器发射的经光频线性调制的窄线宽调频连续波激光经过分路器分为A0、B0两路，其中，B0路进入马赫增德尔干涉系统，A0路经准直透镜后由分光棱镜分为A1、A2两路，A1路进入测量干涉系统，A2路进入F-P标准具；所述的测量干涉系统和第一光电探测器用于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；所述的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处理得到被测反射棱镜与测量干涉系统中参考反射棱镜的光程差，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标准具的高精度调频连续波激光测距系统，其特征在于：所述的测量干涉系统包括二分之一波片、参考反射棱镜、四分之一波片一、偏振分光立方体、偏振片、凸透镜和四分之一波片二；A1路激光经由二分之一波片调整偏振方向，并由偏振分光立方体控制分光比，经偏振分光立方体分为两束，其中一束经四分之一波片一被参考反射棱镜反射，另一束经四分之一波片二被被测反射棱镜反射，在偏振分光立方体的反射面汇合为一束合束激光；四分之一波片一和四分之一波片二用于将经过的激光偏振方向旋转90度，从而改变经过偏振分光立方体的激光传播方向；合束激光经依次经偏振片和凸透镜后由第一光电探测器进行探测，得到干涉信号sig1。
3.根据权利要求1所述的基于F-P标准具的高精度调频连续波激光测距系统，其特征在于：所述的上位机以干涉信号sig2作为基准对干涉信号sig3进行校正，得到信号sig4，具体为：干涉信号sig2的三个峰值为a、b和c，干涉信号sig3的三个峰值A、B和C分别间隔6个周期，调整干涉信号sig3得到信号sig4，使信号sig4分别间隔6个周期的三个峰值A＇、B＇、C＇和干涉信号sig2的三个峰值a、b、c一一对齐；利用信号sig4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sig5，对重采样信号sig5进行时频变换即可得到被测反射棱镜与参考反射棱镜的光程差，进而得出被测目标的距离。
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