[發明專利]基于光學分頻鎖相非線性校正的動態掃頻干涉測距系統及測距方法

在審

• 申請號: 201811057540.8
• 申請日: 2018-09-11
• 公開（公告）號: CN109029246A
• 公開（公告）日: 2018-12-18
• 發明（設計）人: 甘雨;劉國棟;路程;陳鳳東
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01B9/02
• 分類號: G01B9/02
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 岳泉清

基于光學分頻鎖相非線性校正的動態掃頻干涉測距系統及測距方法，本發明涉及動態掃頻干涉測距系統及測距方法。本發明的目的是為了解決現有方法中由輔助干涉儀提供的非線性采樣時鐘在校正掃頻干涉測量信號非線性的同時會引起測振信號產生非線性，造成運動測量信號頻譜展寬，信噪比下降，嚴重影響運動相位測量精度，繼而影響測距精度的問題。系統包括掃頻干涉測距光路、運動測量光路、鎖相環、1號輔助干涉儀、2號輔助干涉儀、外腔式激光器、可見激光器、單頻激光器、1號光纖耦合器、數據采集卡、1號探測器、3號探測器。本發明用于掃頻干涉測量、FMCW激光雷達等技術領域。

技術領域

本發明涉及動態掃頻干涉測距系統及測距方法。

背景技術

掃頻干涉測量具有發射功率低、無模糊測距、無需導軌與合作目標、可實現高分辨率等突出優點，因而在高精度絕對距離測量方面得到了廣泛的應用，如調頻連續波激光雷達、光學頻域計、光學相干斷層掃描等領域。其基本原理是利用發射的測量掃頻光信號與被測目標反射的掃頻測量光信號之間因時間差而產生的頻率差來確定目標距離，依靠較容易處理的信號頻域特征來反映目標的距離參數。高線性的寬帶掃頻測量光可以得到很高的距離分辨率與測距精度，但這種測量方法對目標的運動極為敏感，由目標運動引起的位移在多普勒效應的作用下，導致最終測量距離產生幾百至上千倍的誤差，嚴重影響距離測量精度，必須對其進行補償。現有主要方法是使用兩臺掃頻激光器沿不同方向掃頻或者使用一臺激光器進行三角波掃頻。前者將直接導致昂貴的掃頻激光器成本翻倍，而后者將無法對運動速度過快的目標進行有效地補償，因此，研究一種低成本的掃頻干涉運動補償方法一直是該種測量方式的研究重點。

現有基于超外差的同步運動測量與補償技術(圖1)可以是一種有效的解決方法；

現有基于超外差的同步運動測量與補償技術包括外腔式激光器、1號光纖耦合器、輔助干涉儀、1號探測器、數據采集卡、2號光纖耦合器、1號耦合器、2號耦合器、3號耦合器、偏振保持分束器PBS、波分復用器WDM、光纖端面、聚焦光學子系統、1/4波片、平衡探測器、可見光激光器、單頻激光器、3號光纖耦合器、1號聲光調制器、2號聲光調制器、4號光纖耦合器、5號耦合器、4號耦合器、2號探測器；

該方法中利用單頻激光器與雙聲光調制器模塊形成的超外差干涉儀對目標的相對運動信息進行在線檢測，測量結果同步補償掃頻干涉測量信號中多普勒效應導致的放大誤差項。該方法中由輔助干涉儀提供的非線性采樣時鐘在校正掃頻干涉測量信號非線性的同時會引起測振信號產生非線性，造成運動測量信號頻譜展寬，信噪比下降，嚴重影響運動相位測量精度，繼而影響測距精度。

發明內容

本發明的目的是為了解決現有方法中由輔助干涉儀提供的非線性采樣時鐘在校正掃頻干涉測量信號非線性的同時會引起測振信號產生非線性，造成運動測量信號頻譜展寬，信噪比下降，嚴重影響運動相位測量精度，繼而影響測距精度的問題，而提出基于光學分頻鎖相非線性校正的動態掃頻干涉測距系統及測距方法。

基于光學分頻鎖相非線性校正的動態掃頻干涉測距系統包括掃頻干涉測距光路、運動測量光路、鎖相環模塊、1號輔助干涉儀、2號輔助干涉儀、外腔式激光器、可見激光器、單頻激光器、1號光纖耦合器、數據采集卡、1號探測器、3號探測器；

所述掃頻干涉測距光路由2號光纖耦合器，6號光纖耦合器、7號光纖耦合器、8號光纖耦合器、偏振保持分束器PBS、波分復用器WDM、聚焦光學子系統、1/4波片以及平衡探測器組成；

所述運動測量光路由3號光纖耦合器、1號聲光調制器、2號聲光調制器、4號光纖耦合器、5號光纖耦合器、9號光纖耦合器以及2號光電探測器構成；

外腔式激光器輸出的激光入射至1號光纖耦合器進行分路；

1號光纖耦合器輸出的1路光經1號輔助干涉儀后入射至1號探測器，經1號探測器后輸出信號輸入至數據采集卡；