本发明专利技术公开了一种基于重采样信号拼接法的连续激光调频测距装置，包括可调谐激光器、激光器控制器、自适应测量干涉系统、辅助干涉系统、同步数据采集系统、数据处理系统和温度控制系统；可调谐激光器提供了线性频率调制激光，辅助干涉系统产生用于重采样的时钟信号，自适应测量干涉系统根据被测目标实际距离调整参考光纤长度，同步数据采集系统对自适应测量干涉系统和辅助干涉系统产生的两路拍频信号进行同步采样，数据处理系统进行重采样和信号拼接，计算获得测距结果。由于测量分辨率受限于激光调制线性度和调制范围，使用本发明专利技术数据处理方法可以补偿激光调制的线性度，扩大等效调制范围，提高了测距分辨率。本发明专利技术适合于高精度激光测距领域。
【技术实现步骤摘要】
基于重采样信号拼接法的连续激光调频测距装置及其方法
本专利技术涉及一种基于重采样信号拼接法的高分辨率连续激光调频测距装置及方法。
技术介绍
自激光器诞生以来，凭借方向性好、亮度高、单色性好、相干性强且频率处于光波频段的显著特点，在测距性能上有着显著的应用优势。这些年激光测距技术迅速发展，并广泛应用于科学研究、计量、工业测量、航空航天和测绘等领域。特别在飞机、航天、船舶、大型装备制造等需要大尺寸测量(十几米至几十米)的领域，由于其测量范围较大而且直线校准和装配的要求很高，相对精度一般要求达到1—10ppm，要得到更高的装配精度以及提高生产量就需要高效的测量系统的帮助。激光测距作为其系统组成主要部分，决定了系统测量范围和测量精度。连续激光调频测距技术起源于调频连续波雷达技术，是一种激光干涉测距技术。随着激光技术和硬件水平的连续激光调频测距的理论和技术水平得到迅速发展。脉冲法激光测距的分辨率受限于激光脉冲的脉宽和光电转换器件的带宽，只能达到毫米量级。相位法激光测距存在2π缠绕模糊度问题和幅-相误差的影响，测量精度一般为亚毫米量级。现有连续激光调频测距技术，测距分辨率δ受到公式δ＝c/2B制约，激光器调制范围B较小，导致了测距分辨率较低。
技术实现思路
本专利技术为了克服激光器调制范围以及调制性能对连续激光调频测距分辨率的限制，提供了一种基于重采样信号拼接法的高分辨率连续激光调频测距装置及方法。本专利技术可以利用调制范围较小的激光器达到更高的测量分辨率。本专利技术一种基于重采样信号拼接法的连续激光调频测距装置，包括：可调谐激光器，用于产生窄线宽调频连续波激光；所述可调谐激光器连接有激光器控制器，所述激光器控制器控制可调谐激光器发射光频线性调制的激光；所述可调谐激光器发射的光频线性调制的激光经过耦合器FC1分为A、B两路，其中，A路进入自适应测量干涉系统，B路进入辅助干涉系统；所述自适应测量干涉系统用于对被测目标镜进行探测，产生拍频信号，所述自适应测量干涉系统包括耦合器FC2、光隔离器、光环形器、准直透镜、整形光路、反射镜、耦合器FC3和多路延时光纤；进入所述自适应测量干涉系统的激光经过耦合器FC2分为C路和D路，其中，C路激光依次经过所述光隔离器、光环行器、准直透镜和整形光路，由反射镜反射后，原路返回进入所述光环行器，再进入耦合器FC3；D路激光经过已知长度的多路延时光纤后进入耦合器FC3与C路激光汇合，发生干涉，产生拍频信号S1，该拍频信号S1由光电探测器A探测；所述辅助干涉系统用于产生进行等光频重采样所需时钟信号；所述辅助干涉系统包括耦合器FC5、延时光纤和耦合器FC4；进入所述辅助干涉系统的激光经过耦合器FC5分为E路和F路，E路和F路调制激光经过长度恒定且已知光程差的延时光纤后，在耦合器FC4混频后，产生拍频信号S2，该拍频信号S2由光电探测器B探测；同步数据采集系统，用于对上述自适应测量干涉系统产生的拍频信号S1和辅助干涉系统产生的拍频信号S2进行同步采样；数据处理系统，用于对探测信号进行重采样、拼接，计算得到被测目标距离；温度控制系统用于控制自适应测量干涉系统和辅助干涉系统中参考光纤的温度，所述延时光纤和所述多路延时光纤均分别放置在所述温度控制系统中。本专利技术一种基于重采样信号拼接法的连续激光调频测距方法是采用上述基于重采样信号拼接法的连续激光调频测距装置，并包括以下步骤：测距信号的产生：利用如权利要求1所述基于重采样信号拼接法的连续激光调频测距装置，对被测反射镜进行探测，得到拍频信号S1和拍频信号S2；其中，E路和F路形成了参考干涉光路，C路和D路形成了测量光路，所述参考干涉光路的光程差大于所述测量光路的光程差两倍以上，使得拍频信号S2的频率是拍频信号S1的频率的2倍以上；测距信号产生包括以下步骤：1-1步骤、激光器控制器控制可调谐激光器发射光频线性调制的激光，经过耦合器FC1分为A路和B路，A路进入自适应测量干涉系统，B路进入辅助干涉系统；1-2步骤、进入测量干涉系统的激光经过耦合器FC2，分为C路和D路；C路激光经过光隔离器、光环形器、准直透镜和整形光路，由反射镜反射后，原路返回进入光环行器再进入耦合器FC3；D路激光经过已知长度的多路延时光纤后进入耦合器FC3与C路激光汇合，发生干涉，产生拍频信号S1，该拍频信号S1由光电探测器A探测；1-3步骤、进入辅助干涉系统的激光经过耦合器FC5分为E路和F路；E路和F路调制激光经过长度恒定且已知光程差的延时光纤后，在耦合器FC4混频后，产生拍频信号S2，该拍频信号S2由光电探测器B探测；同步数据采集：同步数据采集系统对拍频信号S1和拍频信号S2进行同步采样，并将拍频信号S2转换为时钟信号后，据此对拍频信号S1进行重新采样，步骤如下：2-1步骤、同步数据采集系统的初始化，设置采样频率f、所需采样信号段数N0、每段采样点数n；并设置已采样段数N＝0；2-2步骤、数据采集,采集过程中对同步数据采集系统采集到拍频信号S1和拍频信号S2进行错误检测判断，如果没有错误则进行下一步骤，否则重新执行2-2步骤；2-3步骤、将拍频信号S2转化为时钟信号，对采集的拍频信号S1进行重采样，得到等光频间隔采样信号；2-4步骤、令采样段数N＝N+1；判断采样段数N是否等于N0，如果N＝N0则进行下一步骤，否则返回2-2步骤；2-5步骤、对等光频间隔采样信号进行数据处理；数据处理：实现拼接等光频间隔的采样信号时满足相位匹配的原则，最终，得到拼接信号频谱图像，并从频谱图像中得到被测目标的距离，步骤如下：3-1步骤、设置所需采样信号段数N0，并将已经拼接段数M设置为0；3-2步骤、波峰检测找到第M段信号的最后十个波峰，循环移位分别找到这十个波峰中每个波峰的前一个采样点，将十个采样点数据存入数组X中；波峰检测找到第M+1段信号的段首十个波峰，循环移位分别找到这十个波峰中每个波峰的前一个采样点，将十个采样点数据存入数组Y中；循环相减X-Y，找到|X-Y|的最小值对应的Xt、Yt，并找到找到Xt、Yt对应的位置Xtx、Ytx；3-3步骤、删除第M段信号中，Xtx位置之后所有采样数据，删除M+1段信号中Yt及Ytx位置之前的所有采样数据，保存删除部分采样点之后的采样数据；3-4步骤、令M＝M+1；判断M是否等于N0-1，如果M＝N0-1执行下一步骤，否则返回3-2步骤；3-5步骤、将M组删除部分采样点之后的采样数据按顺序合并为一组；对合并后的信号进行快速傅里叶变换，得到拼接信号的频谱图像；从上述频谱图像中得到被测目标的距离并显示测量结果。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：相对于脉冲法和相位法等激光测距方法，本专利技术测距方法可以达到更高测量分辨率和测量精度。本专利技术利用现有激光器，对重采样信号进行拼接，克服了连续激光调频测距的测量辨率受公式δ＝c/2B限制的问题，从而可以达到更高的测量分辨率，十米范围内测量分辨率达到了50μm。附图说明图1为本专利技术基于重采样信号拼接法的连续激光调频测距装置示意图；图2为本专利技术中发射调制激光与接收到的调制激光光频随时间变化的示意图；图3为本专利技术基于重采样信号拼接法的连续激光调频测距方法的主流程图；图4为本专利技术测距方法中数据处理流程图；图5为本专利技术实施例中4段，本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于重采样信号拼接法的连续激光调频测距装置，包括：可调谐激光器(2)，用于产生窄线宽调频连续波激光；所述可调谐激光器(2)连接有激光器控制器(1)，所述激光器控制器(1)控制可调谐激光器(2)发射光频线性调制的激光；所述可调谐激光器(2)发射的光频线性调制的激光经过耦合器FC1(3)分为A、B两路，其中，A路进入自适应测量干涉系统，B路进入辅助干涉系统；所述自适应测量干涉系统用于对被测目标镜进行探测，产生拍频信号，所述自适应测量干涉系统包括耦合器FC2(4)、光隔离器(5)、光环形器(6)、准直透镜(7)、整形光路(8)、反射镜(9)、耦合器FC3(14)和多路延时光纤(19)；进入所述自适应测量干涉系统的激光经过耦合器FC2(4)分为C路和D路，其中，C路激光依次经过所述光隔离器(5)、光环行器(6)、准直透镜(7)和整形光路(8)，由反射镜(9)反射后，原路返回进入所述光环行器(6)，再进入耦合器FC3(14)；D路激光经过已知长度的多路延时光纤(19)后进入耦合器FC3(14)与C路激光汇合，发生干涉，产生拍频信号S1，该拍频信号S1由光电探测器A(12)探测；所述辅助干涉系统用于产生进行等光频重采样所需时钟信号；所述辅助干涉系统包括耦合器FC5(17)、延时光纤(16)和耦合器FC4(15)；进入所述辅助干涉系统的激光经过耦合器FC5(17)分为E路和F路，E路和F路调制激光经过长度恒定且已知光程差的延时光纤(16)后，在耦合器FC4(15)混频后，产生拍频信号S2，该拍频信号S2由光电探测器B(13)探测；同步数据采集系统(11)，用于对上述自适应测量干涉系统产生的拍频信号S1和辅助干涉系统产生的拍频信号S2进行同步采样；数据处理系统(10)，用于对探测信号进行重采样、拼接，计算得到被测目标距离；温度控制系统用于控制自适应测量干涉系统和辅助干涉系统中参考光纤的温度，所述延时光纤(16)和所述多路延时光纤(19)均分别放置在所述温度控制系统中。...
【技术特征摘要】
1.一种基于重采样信号拼接法的连续激光调频测距方法，所采用基于重采样信号拼接法的连续激光调频测距装置，包括：可调谐激光器(2)，用于产生窄线宽调频连续波激光；所述可调谐激光器(2)连接有激光器控制器(1)，所述激光器控制器(1)控制可调谐激光器(2)发射光频线性调制的激光；所述可调谐激光器(2)发射的光频线性调制的激光经过耦合器FC1(3)分为A、B两路，其中，A路进入自适应测量干涉系统，B路进入辅助干涉系统；所述自适应测量干涉系统用于对被测目标镜进行探测，产生拍频信号，所述自适应测量干涉系统包括耦合器FC2(4)、光隔离器(5)、光环形器(6)、准直透镜(7)、整形光路(8)、反射镜(9)、耦合器FC3(14)和多路延时光纤(19)；进入所述自适应测量干涉系统的激光经过耦合器FC2(4)分为C路和D路，其中，C路激光依次经过所述光隔离器(5)、光环形器(6)、准直透镜(7)和整形光路(8)，由反射镜(9)反射后，原路返回进入所述光环形器(6)，再进入耦合器FC3(14)；D路激光经过已知长度的多路延时光纤(19)后进入耦合器FC3(14)与C路激光汇合，发生干涉，产生拍频信号S1，该拍频信号S1由光电探测器A(12)探测；所述辅助干涉系统用于产生进行等光频重采样所需时钟信号；所述辅助干涉系统包括耦合器FC5(17)、延时光纤(16)和耦合器FC4(15)；进入所述辅助干涉系统的激光经过耦合器FC5(17)分为E路和F路，E路和F路调制激光经过长度恒定且已知光程差的延时光纤(16)后，在耦合器FC4(15)混频后，产生拍频信号S2，该拍频信号S2由光电探测器B(13)探测；同步数据采集系统(11)，用于对上述自适应测量干涉系统产生的拍频信号S1和辅助干涉系统产生的拍频信号S2进行同步采样；数据处理系统(10)，用于对探测信号进行重采样、拼接，计算得到被测目标距离；温度控制系统用于控制自适应测量干涉系统和辅助干涉系统中参考光纤的温度，所述延时光纤(16)和所述多路延时光纤(19)均分别放置在所述温度控制系统中；其特征在于，该方法包括以下步骤：测距信号的产生：利用上述基于重采样信号拼接法的连续激光调频测距装置，对被测反射镜进行探测，得到拍频信号S1和拍频信号S2；其中，E路和F路形成了参考干涉光路，C路和D路形成了测量光路，所述参考干涉光路的光程差大于所述测量光路的光程差两倍以上，使得拍频信号S2的频率是拍频信号S1的频率的2倍以上；测距信号产生包括以下步骤：1-1步骤、激光器控制器控制可调谐激光器发射光频线性调制的激光，经过耦合器FC1(3)分为A路和B路，A路进入自适应测量干涉系统，B路进入辅助干涉系统；1-2步骤...
【专利技术属性】
技术研发人员：时光，张福民，曲兴华，职广涛，孟祥松，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12
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