一种基于偏压控制高频粗尺生成的相位式激光测距系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于偏压控制高频粗尺生成的相位式激光测距系统，包括激光调制单元，射频生成单元，偏压控制单元，主控单元，激光收发光路，晶振；所述激光调制单元采用电光调制，射频生成单元提供GHz级高频精尺，偏压控制单元提供MHz级高频粗尺并且通过分析激光调制单元的输出中粗尺对应频率的二次谐波，输出直流电压稳定调制器在+QUAD工作点，从而保证调制信号的对比度，系统实现测距精度最高可达100μm以内。所述偏压控制单元中没有带通滤波模块，抖动信号频率为MHz级，与GHz级精尺匹配作为两把互补测尺完成高精度测距，避免使用KHz级低频抖动信号的传统偏压控制方案来干扰测距，所以本发明专利技术的相位式激光测距系统精度高，稳定性强，并且结构比较精简。并且结构比较精简。并且结构比较精简。

【技术实现步骤摘要】
一种基于偏压控制高频粗尺生成的相位式激光测距系统
所属

[0001]本专利技术涉及激光测距领域，具体是一种基于偏压控制高频粗尺生成的相位式激光测距系统。

技术介绍

[0002]相位式激光测距的原理是对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，计算此相位延迟所代表的距离。
[0003]相位式激光测距方案一般用于精密测距中，测距精度与测尺频率和频率稳定度有关，常与GPS相对测距技术，射频测距技术等相结合，可以实现毫米乃至亚毫米级的测距精度。具体来说，高频测尺影响测距精度，低频测尺影响测距范围，多尺测量是广泛使用的有效技术方案。但是目前的测距装置多采用频率混合器提前混合不同频率或者采用前后发送来实现多尺测量，导致结构复杂。
[0004]目前相位式测距的光波调制方式，多采用在半导体激光器内以调制信号改变激光器注入电流的内调制方式，调制频率一般不超过150MHz，可以达到的最佳测量精度为亚毫米级。而采用外调制方式可以成功提高调制频率到GHz级，理论上测距精度可以提高到100μm以内，但是前提为至少有一个MHz级的粗尺保证测距范围。并且由于温度等因素影响，电光调制器会偏离+QUAD工作点，导致调制波形畸变以及峰峰值变小，所以提高测距精度需要稳定调制器工作点；传统调制器稳定工作点方案为使用带通滤波分析KHz级抖动信号频率的二次谐波的方法，会带来如下问题：抖动信号为KHz级的低频信号，可以实现工作点稳定，但是在高频测距方案中反而会干扰测距；并且谐波分析所需的带通滤波器在MHz级频率条件下会存在滤波波形失真的问题，导致了偏压控制的稳定精度下降，所以传统方案中难以实现较高频率的抖动信号。
[0005]此外，高频精尺到达GHz级后，常规的奈奎斯特采样方法的实现难度也大大提高，导致AD芯片选型难和成本提高，并且采样效果也开始下降，会导致相位分辨率变差。
[0006]以上
技术介绍
内容的公开仅用于辅助理解本专利技术的专利技术构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述
技术介绍
不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

技术实现思路

[0007]基于以上现有技术存在的问题，本专利技术提出一种基于偏压控制高频粗尺生成的相位式激光测距系统，实现了同时调制GHz级高频精尺和MHz级高频粗尺，并使用粗尺作为抖动信号稳定调制器工作点，此外还改进了系统结构和采样方法，都可以显著提高相位分辨率得到更高测距精度。
[0008]一种基于偏压控制高频粗尺生成的相位式激光测距系统，其特征在于：所述系统包括激光调制单元(15)，射频生成单元(17)，偏压控制单元(18)，主控单元(26)，激光收发光路(9)，晶振(23)；
[0009]所述激光调制单元(15)包括激光器(1)，电光调制器(3)，耦合器(4)和PD光电探测器(12)，用于输出经高频正弦精尺和高频正弦粗尺共同调制的测距激光，并通过耦合器(4)分为测量光输出(5)和部分光输出(11)，所述激光调制单元的测量光输出(5)连接所述激光收发光路(9)中的准直镜(6)，所述激光调制单元部分光输出(11)经过PD光电探测器(12)作为反馈输入(27)接入所述偏压控制单元(18)；
[0010]所述晶振(23)为所述测距系统提供统一的频率来源，所述晶振(23)连接所述射频生成单元(17)和所述偏压控制单元(18)以及所述主控单元(26)；
[0011]所述射频生成单元(17)输出高频正弦精尺(16)，所述高频正弦精尺(16)连接所述激光调制单元的RF接口(14)；
[0012]所述偏压控制单元(18)输出偏置电压(19)，所述偏置电压(19)为一直流电压和高频正弦粗尺信号的叠加信号，所述偏置电压(19)连接所述激光调制单元的DC接口(13)；所述偏压控制单元(18)接入激光调制单元的反馈输入(27)，通过分析所述激光调制单元部分光输出(11)中的高频正弦粗尺频率对应的二次谐波，改变偏置电压(19)中的直流分量，使所述调制器(3)稳定在+QUAD工作点，以保证调制信号的对比度和提高系统信噪比。
[0013]所述激光收发光路(9)包括准直镜(6)，分光镜(7)，原始光探测单元(20)和返回光探测单元(10)，进行激光接入，发射和接收，所述激光收发光路(9)输出连接所述主控单元(26)；
[0014]所述主控单元(26)包括AD采集模块(25)和数据处理模块(24)，进行相位检测和距离的计算，所述主控单元(26)连接激光收发光路(9)。
[0015]进一步的，详细结构使用步骤如下说明：
[0016]步骤1：激光器通过生成激光，连接到调制器的光输入口。
[0017]步骤2：将偏压控制单元的偏压输出与调制器的DC(偏置电压)口连接，在偏压控制单元中生成频率可选范围为1MHz到2MHz，峰峰值小于等于调制器半波电压的2/3的抖动信号(高频粗尺)，通过加法器加到偏置电压中。
[0018]步骤3：调制器的反馈输入接入偏压控制单元，偏压控制单元通过分析反馈输入上的高频粗尺频率对应的二次谐波稳定调制器的工作点，提高调制信号的对比度和提高系统信噪比。
[0019]步骤4：在射频生成模块中，生成频率范围为100MHz到2GHz，峰峰值小于等于调制器半波电压的2/3的高频精尺，连接到调制器的RF(射频)口。
[0020]步骤5：带有步骤2和步骤4中的两种频率信号的调制光接入激光收发光路，连接激光收发光路的和主控单元，原始光探测模块接收后发送原始光电信号给主控单元的AD采集模块进行整周期采样，数据处理模块相位解算后记为原始相位。
[0021]步骤6：激光收发光路的返回光探测模块接收到反射光后，将返回光电信号接入到主控单元的AD采集模块进行整周期采样，数据处理模块相位解算后记为测试相位。
[0022]步骤7：主控单元进行相位识别后，将步骤6中带相位时延信息的混合测尺信号得出的多组测试相位与步骤5中得到的多组原始相位进行比对，并且解析混合测尺中各测尺频率的相位时延信息，拟合出最终的测量结果。
[0023]具体来说，步骤3中，所述偏压控制单元包括，跨阻放大模块，偏压主控核心，翻转信号模块，开关模块，模拟PID模块，抖动信号模块，加法电路。跨阻放大模块连接所述激光
调制单元的PD光电探测器，将光电流信号转为电压信号；抖动信号模块生成高频正弦粗尺信号连接到加法电路，所述高频粗尺信号为：f(t)＝A*sin(ωt+θ)A表示幅度，ω表示频率，θ表示相位；所述翻转信号模块生成翻转信号连接到开关模块，所述翻转信号是频率为2*ω的方波，此方波信号在一个周期的解析式为：其中1/4ω为半个周期，τ为偏移值；所述偏压主控核心连接抖动信号模块和翻转信号模块，控制抖动信号模块生成高频粗尺信号和翻转信号模块生成翻转信号；所述开关模块接入翻转信号模块生成的翻转信号和所述跨阻放大模块输出的电压信号，输出所述翻转信号与所述电压信号相乘结果，连本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于偏压控制高频粗尺生成的相位式激光测距系统，其特征在于：所述系统包括激光调制单元(15)，射频生成单元(17)，偏压控制单元(18)，主控单元(26)，激光收发光路(9)，晶振(23)；所述激光调制单元(15)包括激光器(1)，电光调制器(3)，耦合器(4)和PD光电探测器(12)，用于输出经高频正弦精尺和高频正弦粗尺共同调制的测距激光，并通过耦合器(4)分为测量光输出(5)和部分光输出(11)，所述激光调制单元的测量光输出(5)连接所述激光收发光路(9)中的准直镜(6)，所述激光调制单元部分光输出(11)经过PD光电探测器(12)作为反馈输入(27)接入所述偏压控制单元(18)；所述晶振(23)为所述测距系统提供统一的频率来源，所述晶振(23)连接所述射频生成单元(17)和所述偏压控制单元(18)以及所述主控单元(26)；所述射频生成单元(17)输出高频正弦精尺(16)，所述高频正弦精尺(16)连接所述激光调制单元的RF接口(14)；所述偏压控制单元(18)输出偏置电压(19)，所述偏置电压(19)为一直流电压和高频正弦粗尺信号的叠加信号，所述偏置电压(19)连接所述激光调制单元的DC接口(13)；所述偏压控制单元(18)接入激光调制单元的反馈输入(27)，通过分析所述激光调制单元部分光输出(11)中的高频正弦粗尺频率对应的二次谐波，改变偏置电压(19)中的直流分量，使所述调制器(3)稳定在+QUAD工作点，以保证调制信号的对比度和提高系统信噪比；所述激光收发光路(9)包括准直镜(6)，分光镜(7)，原始光探测单元(20)和返回光探测单元(10)，进行激光接入，发射和接收，所述激光收发光路(9)输出连接所述主控单元(26)；所述主控单元(26)包括AD采集模块(25)和数据处理模块(24)，进行相位检测和距离的计算，所述主控单元(26)连接激光收发光路(9)。2.根据权利要求1所述系统，其特征在于，偏压控制单元包括跨阻放大模块，抖动信号模块，翻转信号模块，偏压主控核心，开关模块，模拟PID模块，加法电路；其中，所述跨阻放大模块连接所述激光调制单元...

【专利技术属性】
技术研发人员：周鹏威，简天浩，何卓尔，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：