本发明专利技术公开了一种基于激光外差探测的相位测距装置，包括红外光纤激光器、第一光纤耦合器、第一电光强度调制器、第二电光强度调制器、望远镜、光纤准直器、第二光纤耦合器、A/D采集电路和计算机，还包括用于产生中频正弦信号和超高频正弦信号的信号发生电路、第一自动增益控制电路、第二自动增益控制电路、光电探测器以及光电检测转化电路。利用该装置能够有效解决在超高频调制相位法测距中，由于光强变化和探测器相位不均匀性引起的相位波动问题，具有测量精度高的特点。本发明专利技术还公开了一种基于激光外差探测的相位测距的方法。
A phase ranging device and method based on laser heterodyne detection
【技术实现步骤摘要】
一种基于激光外差探测的相位测距装置及方法
本专利技术涉及激光测距技术，更具体地说，尤其涉及一种基于激光外差探测的相位测距装置；本专利技术还涉及一种基于激光外差探测的相位测距方法。
技术介绍
激光相位法测距适宜于中短程距离的绝对测量，在许多领域都有着广泛的应用，但传统相位法测距的毫米级精度已经满足不了诸如巨型制造、目标三维精确识别等应用的需求。提高激光调制信号的频率是提高距离测量精度的最有效手段，但是当调制频率提高到吉赫兹量级以上时，照射到超高频探测的探测器上的光强度变化引起的相位波动以及光电探测器相位不均匀性引起的相位误差在整个测距误差中的占比大大提高，成为制约测距精度的主要因素。随着待测目标的位置、材料或者表面粗糙度的不同，返回到探测器的光强度则不同，从而引起APD倍增因子变化，并最终表现为超高频探测后电信号的相位产生了较大的起伏，即光强度变化引起的相位波动。接收光斑中心在探测器光敏面上移动时，引起对超高频电光强度调制信号探测后的电信号产生的相位变化，即光电探测器相位不均匀性。采用测量补偿的方法难以有效的消除这两种因素引起的相位波动。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于激光外差探测的相位测距装置，利用该装置能够有效解决在超高频调制相位法测距中，由于光强变化和探测器相位不均匀性引起的相位波动问题，具有测量精度高的特点。本专利技术的另一目的在于提供一种基于激光外差探测的相位测距的方法。本专利技术采用的前一技术方案如下：一种基于激光外差探测的相位测距装置，包括红外光纤激光器、第一光纤耦合器、第一电光强度调制器、第二电光强度调制器、望远镜、光纤准直器、第二光纤耦合器、A/D采集电路和计算机，所述红外光纤激光器的光路输出端与第一光纤耦合器的光路输入端连接，所述第一光纤耦合器的两个光路输出端分别与第一电光强度调制器的光路输入端和第二电光强度调制器的光路输入端连接，所述第一电光强度调制器的光路输出端与望远镜的光路入口连接，所述的光纤准直器与望远镜的返回光路出口连接，所述第二电光强度调制器的光路输出端以及光纤准直器的光路输出端均与第二光纤耦合器的光路输入端连接，还包括用于产生中频正弦信号和超高频正弦信号的信号发生电路、第一自动增益控制电路、第二自动增益控制电路、光电探测器以及光电检测转化电路，所述信号发生电路的第一超高频正弦信号输出端通过第一自动增益控制电路与第一电光强度调制器连接，所述信号发生电路的第二超高频正弦信号输出端通过第二自动增益控制电路与第二电光强度调制器连接，所述信号发生电路的中频正弦信号输出端与A/D采集电路连接，所述的光电探测器和光电检测转化电路依次设置在第二光纤耦合器和A/D采集电路之间，所述的A/D采集电路与计算机连接。本专利技术采用的后一技术方案如下：一种基于激光外差探测的相位测距的方法，是将红外激光分路为测量光束和参考光束，将测量光束进行调制后射向被测目标，由被测目标返回的光束与调制后的参考光束合束得合光束，再将合光束转化成电压信号得外差探测信号，将外差探测信号和一参考信号同步采集转化并进行处理计算后获得待测距离。进一步的，包括以下步骤：(1)将红外激光经第一光纤耦合器分路为测量光束和参考光束，利用信号发生电路同时产生两个超高频正弦信号和中频正弦信号得主振信号和本振信号以及中频参考信号；(2)将主振信号放大后加载到第一电光强度调制器对测量光束强调制后射向被测目标并返回得测量返回光束，将本振信号放大后加载到第二电光强度调制器对参考光束强度调制后得调制参考光束；(3)测量返回光束和调制参考光束经第二光纤耦合器合束后经光电探测器和光电检测转化电路转化成电压信号得外差探测信号；(4)将外差探测信号和步骤(1)所得的中频参考信号同步输入A/D采集电路1后计算出待测距离。与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果为：1.在信号发生电路由同一恒温晶振分别经过小数分频锁相环同时产生主振信号和本振信号，同时该恒温晶振也驱动直接数字频率器件产生中频参考信号，这样即能保证调制信号和中频正弦信号的频率准确性，又无需混频电路，不会出现因电路混频而产生的高频信号串扰，从而减弱了高频信号串扰引起的距离周期误差。2.探测器的相位不均匀性在高频探测时才显著，而中低频探测时不均性误差大大减小。本专利技术采用响应频率较低的光电探测器进行光纤外差探测，以光纤外差后中频探测代替传统的高频探测后再电路混频处理，避免了高频探测器因相位不均匀性产生很大相位误差的问题。3.测量光束经待测距离返回后光强度较小，外差探测的光强度主要取决于调制参考光束的光强，从而使光强相对变化率较小，大大减小了因探测光强波动引起的相位波动。4.对外差探测信号和中频参考信号同步双通道数据采样，再计算它们之间的相位差，提高了相位差计算精度。附图说明图1是本专利技术的结构框图；图2是本专利技术的信号发生电路的结构框图。图3是本专利技术的光电检测转换电路的结构框图。具体实施方式下面结合具体实施方式，对本专利技术的技术方案作进一步的详细说明，但不构成对本专利技术的任何限制。参照图1至3所示，本专利技术的一种基于激光外差探测的相位测距装置，其中，包括红外光纤激光器1、第一光纤耦合器2、第一电光强度调制器3、第二电光强度调制器4、望远镜8、光纤准直器10、第二光纤耦合器11、A/D采集电路14和计算机15，所述红外光纤激光器1的光路输出端与第一光纤耦合器2的光路输入端连接，所述第一光纤耦合器2的两个光路输出端分别与第一电光强度调制器3的光路输入端和第二电光强度调制器4的光路输入端连接，所述第一电光强度调制器3的光路输出端与望远镜8的光路入口连接，所述的光纤准直器10与望远镜8的返回光路出口连接，所述第二电光强度调制器4的光路输出端以及光纤准直器10的光路输出端均与第二光纤耦合器11的光路输入端连接。还包括用于产生中频正弦信号和超高频正弦信号的信号发生电路5、第一自动增益控制电路6、第二自动增益控制电路7、光电探测器12以及光电检测转化电路13，所述信号发生电路5的第一超高频正弦信号输出端通过第一自动增益控制电路6与第一电光强度调制器3连接，所述信号发生电路5的第二超高频正弦信号输出端通过第二自动增益控制电路7与第二电光强度调制器4连接，所述信号发生电路5的中频正弦信号输出端与A/D采集电路14连接，所述的光电探测器12和光电检测转化电路13依次设置在第二光纤耦合器11和A/D采集电路14之间，所述的A/D采集电路14与计算机15连接。红外光纤激光器1发出波长为1550nm的激光经光纤导入第一光纤耦合器2，第一光纤耦合器2将光束分为两路：一路为测量光束，经光纤导入第一电光强度调制器3调制，另一路为参考光束，经光纤导入第二电光强度调制器4调制。第一电光强度调制器3和第二电光强度调制器4均为调制带宽优于20GHz的马赫增德尔调制器。调制后的测量光束经光纤导入望远镜8中进行准直后射向被测目标9，经被测目标9反射后又进入望远镜8，经望远镜8缩束后导入光纤准直器本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于激光外差探测的相位测距装置，其特征在于，包括红外光纤激光器(1)、第一光纤耦合器(2)、第一电光强度调制器(3)、第二电光强度调制器(4)、望远镜(8)、光纤准直器(10)、第二光纤耦合器(11)、A/D采集电路(14)和计算机(15)，所述红外光纤激光器(1)的光路输出端与第一光纤耦合器(2)的光路输入端连接，所述第一光纤耦合器(2)的两个光路输出端分别与第一电光强度调制器(3)的光路输入端和第二电光强度调制器(4)的光路输入端连接，所述第一电光强度调制器(3)的光路输出端与望远镜(8)的光路入口连接，所述的光纤准直器(10)与望远镜(8)的返回光路出口连接，所述第二电光强度调制器(4)的光路输出端以及光纤准直器(10)的光路输出端均与第二光纤耦合器(11)的光路输入端连接，还包括用于产生中频正弦信号和超高频正弦信号的信号发生电路(5)、第一自动增益控制电路(6)、第二自动增益控制电路(7)、光电探测器(12)以及光电检测转化电路(13)，所述信号发生电路(5)的第一超高频正弦信号输出端通过第一自动增益控制电路(6)与第一电光强度调制器(3)连接，所述信号发生电路(5)的第二超高频正弦信号输出端通过第二自动增益控制电路(7)与第二电光强度调制器(4)连接，所述信号发生电路(5)的中频正弦信号输出端与A/D采集电路(14)连接，所述的光电探测器(12)和光电检测转化电路(13)依次设置在第二光纤耦合器(11)和A/D采集电路(14)之间，所述的A/D采集电路(14)与计算机(15)连接。/n...
【技术特征摘要】
1.一种基于激光外差探测的相位测距装置，其特征在于，包括红外光纤激光器(1)、第一光纤耦合器(2)、第一电光强度调制器(3)、第二电光强度调制器(4)、望远镜(8)、光纤准直器(10)、第二光纤耦合器(11)、A/D采集电路(14)和计算机(15)，所述红外光纤激光器(1)的光路输出端与第一光纤耦合器(2)的光路输入端连接，所述第一光纤耦合器(2)的两个光路输出端分别与第一电光强度调制器(3)的光路输入端和第二电光强度调制器(4)的光路输入端连接，所述第一电光强度调制器(3)的光路输出端与望远镜(8)的光路入口连接，所述的光纤准直器(10)与望远镜(8)的返回光路出口连接，所述第二电光强度调制器(4)的光路输出端以及光纤准直器(10)的光路输出端均与第二光纤耦合器(11)的光路输入端连接，还包括用于产生中频正弦信号和超高频正弦信号的信号发生电路(5)、第一自动增益控制电路(6)、第二自动增益控制电路(7)、光电探测器(12)以及光电检测转化电路(13)，所述信号发生电路(5)的第一超高频正弦信号输出端通过第一自动增益控制电路(6)与第一电光强度调制器(3)连接，所述信号发生电路(5)的第二超高频正弦信号输出端通过第二自动增益控制电路(7)与第二电光强度调制器(4)连接，所述信号发生电路(5)的中频正弦信号输出端与A/D采集电路(14)连接，所述的光电探测器(12)和光电检测转化电路(13)依次设置在第二光纤耦合器(11)和A/D采集电路(14)之间，所述的A/D采集电路(14)与计算机(15)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光外差探测的相位测距装置，其特征在于，所述的信号发生电路(5)包括恒温晶振(16)、第一小数分频锁相环(18)、第二小数分频锁相环(21)、直接数字频率合成器(24)、第一低通滤波器(20)、第二低通滤波器(23)、第一带通滤波器(26)、控制器(17)和多个低噪声放大器(19)，所述的控制器(17)分别与第一小数分频锁相环(18)、第二小数分频锁相环(21)、直接数字频率合成器(24)连接，所述恒温晶振(16)的信号输出端分别与第一小数分频锁相环(18)的信号输入端、第二小数分频锁相环(21)的信号输入端、直接数字频率合成器(24)的信号输入端连接，所述的第一小数分频锁相环(18)的信号输出端通过低噪声放大器(19)与第一低通滤波器(20)的信号输入端连接，所述第一低通滤波器(20)的信号输出端与第一自动增益控制电路(6)的信号输入端连接，所述第二小数分频锁相环(21)的信号输出端通过低噪声放大器(19)与第二低通滤波器(23)的信号输入端连接，所述第二低通...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘玉周，冯静，
申请(专利权)人：梧州学院，
类型：发明
国别省市：广西;45
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