一种光载微波干涉测距系统及其测试方法技术方案

本发明专利技术涉及一种光载微波干涉测距系统及其测试方法，系统包括：光载微波形成单元，用于将扫频单元发射的微波信号调制到宽带光源上，形成光载微波；干涉单元，用于将光载微波形成测量光和参考光，并根据测量光和参考光形成干涉后的光载微波；耦合单元，与干涉单元连接，用于测量干涉后的光载微波的光电流幅度；扫频单元，分别与光载微波形成单元、耦合单元连接，用于步进扫频，生成不同频点的微波信号，并根据干涉形成的光电流幅度，确定被测物与干涉单元中的准直器之间的距离。本发明专利技术利用光纤光栅作为参考面，通过光谱仪检测光纤光栅的中心波长变化的方式测量温度，减小温度对测距的影响，低成本实现高精度、大范围的空间距离测量。大范围的空间距离测量。大范围的空间距离测量。

【技术实现步骤摘要】
一种光载微波干涉测距系统及其测试方法


[0001]本专利技术涉及激光测距
，尤其涉及一种光载微波干涉测距系统及其测试方法。

技术介绍

[0002]长度信息是机械几何量测量领域内的最基本、最核心观测量，从空天尺度的测量定位系统(地球全球定位系统(GPS)、北斗)，到工业制造的三维坐标测量系统，乃至微纳米尺度的观测系统,高精度测距都扮演着基础且至关重要的角色。由于激光独有的高准直、高相干性等多重特性,激光测距技术，如干涉法、脉冲飞行时间法、相位调制法、多波长干涉法,在测距领域具有统治性地位，尤其在以飞机、火箭、船舶为代表的大型高端装备制造领域得到了广泛的应用。大型先进装备制造过程中面临尺度空间大、精度需求高、部件结构复杂以及环境不可控制等诸多问题，随着数字化制造技术的不断进步并逐渐向智能化发展，要求工业测量场景下的高精度测距技术能够保证大尺寸空间下的精度保持与统一，兼具高效的测量能力、良好的环境适应能力和现场溯源能力。现有的光频梳测距由于梳齿间距过大，即便是使用电光调制产生的光频梳的梳齿也有10GHz的间距，导致光频梳测距需要考虑最大非模糊距离的问题，应用双光频梳或者多光频梳虽然可以拓展最大非模糊距离，但成本较高且数据处理较为复杂。同时，光频梳测距系统利用光谱仪分析干涉，光谱仪的采样方式为等波长间隔采样而不是等频率间隔采样，应用傅里叶变换处理信号时需要进行重采样以减小误差，导致信号处理成本增加。
[0003]光载微波干涉传感方法将加载在光波上，融合了电磁波中光波和微波各自独特的优点，解决了传统光纤传感对波导敏感，容易受偏振影响等缺点。同时，光载微波干涉光纤传感更容易实现高空间分辨率，高精度，长距离分布式传感，这些独特的优点让这种新型传感技术在桥梁，矿井等探测方面有潜在应用价值。微波比光波频率低3
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5个数量级，应用微波信号代替光频梳进行测量可以有效的提高测距系统的测量范围。因此，如何利用光载微波信号精确测量空间距离是亟待解决的问题。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，有必要提供及一种光载微波干涉测距系统及其测试方法，用以克服现有技术中应用微波信号对空间距离测量灵敏度不够的问题。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种光载微波干涉测距系统，包括：光载微波形成单元、干涉单元、耦合单元和扫频单元，其中：
[0006]所述光载微波形成单元，用于将所述扫频单元发射的微波信号调制到宽带光源上，形成光载微波；
[0007]所述干涉单元，与所述光载微波形成单元连接，用于将光载微波形成测量光和参考光，并根据测量光和参考光形成干涉后的光载微波；
[0008]所述耦合单元，与所述干涉单元连接，用于测量所述干涉后的光载微波的光电流
幅度；
[0009]所述扫频单元，分别与所述光载微波形成单元、所述耦合单元连接，用于进行步进扫频，生成不同频点的微波信号，并根据干涉形成的光电流幅度，确定被测物与干涉单元中的准直器之间的距离。
[0010]进一步地，所述光载微波形成单元包括依次连接的宽带光源、电光调制器、光放大器，其中：
[0011]所述宽带光源，用于发射光载波；
[0012]所述电光调制器，用于将所述扫频单元发射的不同频点的微波信号调制到所述宽带光源，形成调制信号；
[0013]所述光放大器，用于对所述调制信号进行放大，形成所述光载微波。
[0014]进一步地，所述干涉单元包括依次连接的环形器、光纤光栅、准直器，其中：
[0015]所述环形器，用于将所述光载微波通过其中一个端口发送至所述光纤光栅，形成发射信号；
[0016]所述光纤光栅，用于将所述发射信号反射，形成所述参考光；
[0017]所述准直器，用于将所述发射信号发射到自由空间，被测物体的反射光通过准直器返回光纤，形成测量光，与所述参考光发生干涉，形成所述干涉后的光载微波。
[0018]进一步地，所述耦合单元包括与环形器连接的耦合器，与所述耦合器分别连接的光谱仪和光电探测器，以及与所述光电探测器连接的频谱分析仪，其中：
[0019]所述耦合器，用于将所述干涉后的光载微波分成第一路信号和第二路信号；
[0020]所述光谱仪，用于根据所述第一路信号，检测光纤光栅的中心波长，实现环境温度的监测；
[0021]所述光电探测器，用于根据所述第二路信号转换为光电流信号；
[0022]所述频谱分析仪，用于测量所述光电流信号的幅度，确定干涉信号的自由频谱范围。
[0023]进一步地，所述扫频单元包括相互连接的可调谐微波源和数据处理中心，其中：
[0024]所述可调谐微波源，用于进行步进扫频，生成不同频点的微波信号；
[0025]所述数据处理中心，与所述耦合单元的频谱分析仪连接，用于根据干涉形成的所述光电流幅度，确定被测物与干涉单元中的准直器之间的距离。
[0026]进一步地，调整所述准直器与所述光纤光栅的距离，使两路光载微波信号的光程差大于宽带载波光源的相干长度，而小于微波源的相干长度。
[0027]进一步地，所述光纤光栅还用于实现温度补偿.
[0028]本专利技术提供一种光载微波干涉测距系统的测试方法,基于如上所述的光载微波干涉测距系统，包括：
[0029]获取干涉形成的光电流幅度；
[0030]根据所述光电流幅度，确定被测物与干涉单元中的准直器之间的距离。
[0031]进一步地，所述根据所述光电流幅度，确定被测物与干涉单元中的准直器之间的距离，包括：
[0032]根据所述光电流幅度，确定光电流幅度与微波信号频率的函数关系；
[0033]根据所述光电流幅度与微波信号频率的函数关系，以及光纤光栅、准直器的相对
折射率，确定所述被测物与干涉单元中的准直器之间的距离。
[0034]进一步地，所述根据所述微波信号频率，以及光纤光栅、准直器的相对折射率，确定所述被测物与干涉单元中的准直器之间的距离，通过如下公式表示：
[0035][0036]其中，L0表示所述光纤光栅与准直器之间的距离；按照所述微波信号从小到大的顺序，f
k
表示光电流幅度的第K个波谷所对应的微波信号频率，K表示正整数；n
a
表示空气的相对折射率，n
g
表示光纤光栅到准直器之间的光纤纤芯的相对折射率，C表示真空中的光速。
[0037]与现有技术相比，本专利技术的有益效果包括：光载微波干涉对模式和偏振方向不敏感，可以避免模间干涉对测量结果的影响；应用宽谱光作为载波，不需要对光源的相位进行控制；参考面具有传感环境参量的功能。综上，本专利技术利用光纤光栅作为参考面，通过光谱仪检测光纤光栅的中心波长变化的方式测量温度，减小温度对测距的影响，低成本实现高精度、大范围的空间距离测量。
附图说明
[0038]图1为本专利技术提供的光载微波干涉测距系统一实施例的结构示意图；
[0039]图2为本专利技术提供的光载微波干本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光载微波干涉测距系统，其特征在于，包括：光载微波形成单元、干涉单元、耦合单元和扫频单元，其中：所述光载微波形成单元，用于将所述扫频单元发射的微波信号调制到宽带光源上，形成光载微波；所述干涉单元，与所述光载微波形成单元连接，用于将光载微波形成测量光和参考光，并根据测量光和参考光形成干涉后的光载微波；所述耦合单元，与所述干涉单元连接，用于测量所述干涉后的光载微波的光电流幅度；所述扫频单元，分别与所述光载微波形成单元、所述耦合单元连接，用于进行步进扫频，生成不同频点的微波信号，并根据干涉形成的光电流幅度，确定被测物与干涉单元中的准直器之间的距离。2.根据权利要求1所述的光载微波干涉测距系统，其特征在于，所述光载微波形成单元包括依次连接的宽带光源、电光调制器、光放大器，其中：所述宽带光源，用于发射光载波，形成宽带光源；所述电光调制器，用于将所述扫频单元发射的不同频点的微波信号调制到所述宽带光源，形成调制信号；所述光放大器，用于对所述调制信号进行放大，形成所述光载微波。3.根据权利要求1所述的光载微波干涉测距系统，其特征在于，所述干涉单元包括依次连接的环形器、光纤光栅、准直器，其中：所述环形器，用于将所述光载微波通过其中一个端口发送至所述光纤光栅，形成发射信号；所述光纤光栅，用于将所述发射信号反射，形成所述参考光；所述准直器，用于将所述发射信号发射到自由空间，被测物体的反射光通过准直器返回光纤，形成测量光，与所述参考光发生干涉，形成所述干涉后的光载微波。4.根据权利要求1所述的光载微波干涉测距系统，其特征在于，所述耦合单元包括与环形器连接的耦合器，与所述耦合器分别连接的光谱仪和光电探测器，以及与所述光电探测器连接的频谱分析仪，其中：所述耦合器，用于将所述干涉后的光载微波分成第一路信号和第二路信号；所述光谱仪，用于根据所述第一路信号，检测光纤光栅的中心波长，实现环境温度的监测；所述光电探测器，用于根据所述第二路信号转换为光电流信号；所...

【专利技术属性】
技术研发人员：周次明，徐培源，杨彧，范典，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：