CN102680981B - 基于微波光子信号正交锁定的测距方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微波光子信号正交锁定的测距方法及装置。现有相位式激光测距鉴相电路复杂，成本高。本发明将扫频信号发生器产生的射频信号经功分器分成两路，一路送至马赫增德尔强度调制器，另一路送至混频器本振口；激光器输出经马赫增德尔强度调制器后，送至三端口环形器第一端口，再由第二端口送至光纤准直器发射；目标反射的光信号经光纤准直器后回到三端口环形器，由第三端口输出至光放大器，放大后进入光电探测器，检测出的射频信号送至混频器射频口，混频器中频口与低通滤波器相连，滤波后信号送至计算机；通过多次测量正交锁定点间的频差可得测量距离。本发明继承了相位式激光测距的优势，可实现高精度中短距离测量，精度达毫米级。
Description
技术领域
本发明涉及相位式激光测距领域，是基于光载微波信号在空气中传输、利用光强来控制相位的延迟从而实现测量空间距离的装置，尤其是涉及一种基于微波光子信号正交锁定的测距方法与装置。
背景技术
激光测距是随着科学技术尤其是激光技术的发展而发展起来的一种高精度距离测量技术，其涉及光学、激光、光电子和集成电子等多种技术。由于激光具有单色性好、角分辨力高、抗干扰能力强，所以与其他测距技术相比，激光测距可以避免微波贴近地面的多路径效应及地物干扰问题，因其良好的精确度特性而广泛的应用在军事和民用领域。根据不同的测量环境和测量领域，激光测距主要有干涉法、反馈法、脉冲法、相位法四种。其中相位式激光测距精度较高，常被用在精密测距中，其测距测量精度可达毫米量级，相对误差可达百万分之一。相位式激光测距技术利用测量发射的调制光和反射的接收光之间光波的相位差所包含的距离信息来实现对目标距离的测量。通常是通过测量调制激光信号的射频信号在待测距离上往返传播所产生的相位差，间接地测量信号传播时间，从而得到待测距离的，在此过程中，相位差的测量就比较关键。目前测相单元所使用的方法很多，可分为模拟测相法和数字测相法两大类，而传统的模拟测相法为达到较高的测相精度，选用的基本测尺频率往往较高，这样对电路要求也较高，从而使精确测相变得困难。数字测相技术所使用的后续信号处理电路复杂，从而造成成本较高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有模拟测相法的不足，提供一种信号处理电路简单，同时确保较高测距精度的装置与方法。
本发明解决技术问题所采取技术方案为：
基于微波光子信号正交锁定的测距装置，包括具有扫频功能的射频信号发生器、功分器、窄线宽半导体激光器、马赫增德尔强度调制器、三端口光环形器、光纤准直器、光放大器、高速光电探测器、混频器、低通滤波器和计算机。具有扫频功能的射频信号发生器产生的射频信号通过功分器分成两路，其中一路送至马赫增德尔强度调制器射频输入端，另外一路送至混频器的本振输入口；窄线宽半导体激光器的输出光经过马赫增德尔强度调制器后，送至三端口光环形器的第一端口，并由第二端口输出至光纤准直器发射；目标反射的光信号经光纤准直器后回到三端口光环形器，并由第三端口输出至光放大器，光放大器的输出端与高速光电探测器相连；高速光电探测器输出的射频信号送至混频器的射频输入口，混频器的中频输出口与低通滤波器相连，滤波后信号送至计算机。
利用上述装置进行测距的方法为：窄线宽半导体激光器光输出端与马赫增德尔强度调制器光输入端光连接，窄线宽半导体激光器发出的高频激光信号输入至马赫增德尔强度调制器光输入端，具有扫频功能的射频信号发生器经功分器分成两路，其中一路与马赫增德尔强度调制器射频输入端电连接，在马赫增德尔强度调制器上实现低频电信号对高频激光信号的调制，调制后的光信号经马赫增德尔强度调制器光输出端输送至三端口光环形器的第一光端口，调制光就从三端口光环形器第二光端口出去，将三端口光环形器的第二光端口与光纤准直器相连，调制光经光纤准直器发射出去。目标反射回来的光信号经光纤准直器后输送至三端口光环形器的第二光端口，然后从三端口光环形器的第三光端口出来，将三端口光环形器的第三端口与光放大器的光输入端相连，在光放大器上实现对接收光信号的放大，光放大器的光输出端与高速光电探测器光输入端相连，通过高速光电探测器实现光强度变化转化为电信号的变化，高速光电探测器的电输出端与混频器的射频输入口相连，功分器的另外一路射频信号输送至混频器的本振输入口，混频器的中频输出口与低通滤波器输入端相连，混频后通过低通滤波器得到忽略幅度大小的直流信号 
，
，其中
为调制光在待测距离上来回一次所产生的相位变化量，ω RF 为射频信号频率，n为光在空气中的折射率，l为所探测的距离的2倍，c为光速。混频滤波后所得到的直流信号随射频信号频率呈周期性变化，通过自动调节具有扫频功能的射频信号发生器的输出频率，使进入混频器的本振输入口和射频输入口的两路射频信号能锁定在相位正交点上，在此频率上混频器中频输出口的直流信号有最小功率。选择相位正交点是因为直流信号功率在最小点附近随射频信号频率变化最快，而在最大点附近随射频信号变化最慢，所以测功率最小点有最高的测量精度。计算机记录下此频率，同时射频扫频信号发生器继续寻找下一个正交锁定点，而两个连续的相位正交点相位差为π，所以通过多次测量相邻两个正交锁定点间的频差计算得出测量距离。
本发明的有益效果：本发明改进了对包含距离信息的相位差的处理方法，用相位正交锁定的方法来处理包含距离信息的相位差，通过测量正交后的直流信号在两个连续功率最小点间的频差，利用相位变化公式即可得到探测距离。本发明不仅继承了相位式激光测距的一般优势，并且可以大大简化鉴相部分电路，同时扩大测距范围和提高测距精度。
附图说明
图1是本发明中的装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
如1图所示，基于微波光子信号正交锁定的测距装置，包含具有扫频功能的射频信号发生器1、功分器2、窄线宽半导体激光器3、马赫增德尔强度调制器4、三端口光环形器5、光纤准直器6、光放大器7、高速光电探测器8、混频器9、低通滤波器10和计算机11。具有扫频功能的射频信号发生器1产生的射频信号通过功分器2分成两路，其中一路送至马赫增德尔强度调制器4射频输入端，另外一路送至混频器9的本振输入口；窄线宽半导体激光器3的输出光经过马赫增德尔强度调制器4后，送至三端口光环形器5的第一端口5-1，并由第二端口5-2输出至光纤准直器6发射；目标反射的光信号经光纤准直器6后回到三端口光环形器5，并由第三端口5-3输出至光放大器7，光放大器7的输出端与高速光电探测器8相连；高速光电探测器8输出的射频信号送至混频器9的射频输入口，混频器9的中频输出口与低通滤波器10相连，滤波后信号送至计算机11。
利用上述装置进行距离测量方法：窄线宽半导体激光器3发出的高频激光信号输入至马赫增德尔强度调制器4光输入端，具有扫频功能的射频信号发生器1经功分器2分成两路，其中一路与马赫增德尔强度调制器4射频输入端相连，在马赫增德尔强度调制器4上实现低频电信号对高频激光信号的调制，调制后的光信号经马赫增德尔强度调制器4光输出端输送至三端口光环形器5的第一端口5-1，三端口光环形器5的第二端口5-2与光纤准直器6相连，调制光经光纤准直器6发射出去。目标反射回来的光信号经光纤准直器6后输送至三端口光环形器5的第二端口5-2，三端口光环形器5的第三端口5-3与光放大器7光输入端相连，通过光放大器7实现光信号的放大，光放大器7的光输出端与高速光电探测器8光输入端相连，在高速光电探测器8上实现光强度变化转化为电信号的变化，高速光电探测器8的电输出端与混频器9的射频输入口相连，功分器2的另外一路输送至混频器9的本振输入口，混频后通过低通滤波器10得到忽略幅度大小的直流信号
，
，其中
为调制光在待测距离上来回所产生的相位变化量，ω RF 为射频信号频率，n为光在空气中的折射率，l为所探测的距离的2倍，c为光速。混频滤波后所得到的直流信号随射频信号频率ω RF 呈周期性变化，通过自动调节具有扫频功能的射频信号发生器1的输出频率，使进入混频器9的本振输入口和射频输入口的两路射频信号能锁定在相位正交点上，在此频率上混频器9中频输出口的直流信号有最小功率。选择相位正交点是因为直流信号功率在最小点附近随射频信号频率变化最快，而在最大点附近随射频信号变化最慢，所以测功率最小点有最高的测量精度。计算机记录下此频率，同时具有扫频功能的射频信号发生器继续寻找下一个正交锁定点，而两个连续的相位正交点相位差为π，所以通过多次测量相邻两个正交锁定点间的频差计算得出测量距离。
本发明的工作原理如下：
窄线宽半导体激光器3产生的光的光波表达式为
，其中
为激光场强幅度，ω 0 为光波频率。所述的窄线宽半导体激光器3，输出光为相干光，线宽很窄，相位很稳定，相噪低，更有利于高精度距离测量。
具有扫频功能的射频信号发生器1产生的模拟信号为
，V RF 为输入射频信号的幅度，ω RF 为射频信号频率。所述的具有扫频功能的射频扫频信号发生器1，具有很好的频率稳定性，同时扫频范围要很大，中心频率可达10GHz，这样可以确保探测距离的精确度。
马赫增德尔强度调制器4的直流稳压电源所需的电压值为V DC 。所述的马赫增德尔强度调制器4利用铌酸锂晶体的电光效应，通过调整直流稳压电源的大小使其工作在线性工作点，使得强度调制效率最高。
本发明中马赫增德尔强度调制器4偏置点设置在半波电压V π 的位置，即V DC = V π /2，这样就可使实验当中所使用的一阶电信号增益为最大值，同时可以很好的抑制二阶信号。
马赫增德尔强度调制器4输出光强的表示为： 
其中
为调制器的啁啾产生的相位附加量，
为激光器3输入的光强，
为马赫增德尔强度调制器4的损耗，
是从马赫增德尔强度调制器4输出的光强。
马赫增德尔强度调制器4输出光强经过距离为l的空气传播后的光强为
，其中
，为调制光在距离为l的空气中所产生的相位变化量，ω RF 为射频信号频率， n为光在空气中的折射率，c为光速。
根据光电探测器探测原理，则高速光电探测器8输出的光电流表达式为：，其中
为链路的总损耗。
所述的高速光电探测器8为高响应度的PIN光电二极管高速光电探测器，其与窄线宽半导体激光器3的工作波长相匹配，且高速光电探测器8的输出端设有隔直流电容。
将具有隔直流作用的高速光电探测器8输出的光电流表达式使用贝塞尔公式进行展开，同时忽略高阶分量，可以得到一阶信号输出电流为：
将此一阶电信号与功分器2另一路的模拟信号
在混频器9中进行混频，经低通滤波器10得到忽略幅度大小的直流信号
。所述的低通滤波器10是具有较低截止频率的低通滤波器，能有效滤除混频产生的高次谐波。
通过具有扫频功能的信号发生器1进行扫频，使得
随频率的变化而变化，从而可使直流信号功率大小也随频率的变化而变化，通过功率值的变化来确定混频结果中直流量连续两个功率最小点，同时记录这两个功率最小点分别所对应的频率值f RF1 和f RF2 ，这两个连续功率最小点的频差为，通过多次测量相邻两个正交锁定点间的频差和公式
，可计算得出测量距离
，所得测量距离l的一半即是我们要测定的目标被探测物的距离
。
本发明是用相位正交锁定的方法实现距离的测量，在确保高精度测距的情况下实现了在现有仪器设备的基础上降低后续信号处理电路的复杂性，大大降低了成本，同时所采用的具有扫频功能的信号发生器可扫频范围很大，中心频率可达10GHz，所以所测距离可达很高的精度。
Claims (5)
1.基于微波光子信号正交锁定的测距装置，包括具有扫频功能的射频信号发生器（1）、功分器（2）、窄线宽半导体激光器（3）、马赫增德尔强度调制器（4）、三端口光环形器（5）、光纤准直器（6）、光放大器（7）、高速光电探测器（8）、混频器（9）、低通滤波器（10）和计算机（11），其特征在于：具有扫频功能的射频信号发生器（1）产生的射频信号通过功分器（2）分成两路，其中一路送至马赫增德尔强度调制器（4）射频输入端，另外一路送至混频器（9）的本振输入口；窄线宽半导体激光器（3）的输出光经过马赫增德尔强度调制器（4）后，送至三端口光环形器（5）的第一端口（5-1），并由第二端口（5-2）输出至光纤准直器（6）发射；目标反射的光信号经光纤准直器（6）后回到三端口光环形器（5），并由第三端口（5-3）输出至光放大器（7），光放大器（7）的输出端与高速光电探测器（8）相连；高速光电探测器（8）输出的射频信号送至混频器（9）的射频输入口，混频滤波后所得到的直流信号随射频信号频率呈周期性变化，通过自动调节具有扫频功能的射频信号发生器（1）的输出频率，使进入混频器（9）的本振输入口和射频输入口的两路射频信号能锁定在相位正交点上，在此频率上混频器中频输出口的直流信号有最小功率，混频器（9）的中频输出口与低通滤波器（10）相连，滤波后信号送至计算机（11）。
2.根据权利要求1所述的基于微波光子信号正交锁定的测距装置，其特征在于：所述的马赫增德尔强度调制器（4）利用铌酸锂晶体的电光效应，通过调整直流稳压电源的大小使其工作在线性工作点，使得强度调制效率最高。
3.根据权利要求1所述的基于微波光子信号正交锁定的测距装置，其特征在于：所述的光放大器（7）是采用掺铒离子单模光纤为增益介质的掺饵光纤光放大器，光放大器（7）工作波长与窄线宽半导体激光器（3）的工作波长相匹配。
4.根据权利要求1所述的基于微波光子信号正交锁定的测距装置，其特征在于：所述的高速光电探测器（8）为高响应度的PIN光电二极管高速光电探测器，其与窄线宽半导体激光器（3）的工作波长相匹配，且高速光电探测器（8）的输出端设有隔直流电容。
5.利用如权利要求1所述的测距装置进行测距的方法，其特征在于：窄线宽半导体激光器光输出端与马赫增德尔强度调制器光输入端光连接，窄线宽半导体激光器发出的高频激光信号输入至马赫增德尔强度调制器光输入端，具有扫频功能的射频信号发生器产生的射频信号经功分器分成两路，其中一路与马赫增德尔强度调制器射频输入端电连接，在马赫增德尔强度调制器上实现低频电信号对高频激光信号的调制，调制后的光信号经马赫增德尔强度调制器光输出端输送至三端口光环形器的第一端口，调制光就从三端口光环形器第二端口出去，将三端口光环形器的第二端口与光纤准直器相连，调制光经光纤准直器发射出去；目标反射回来的光信号经光纤准直器后输送至三端口光环形器的第二端口，然后从三端口光环形器的第三端口出来，将三端口光环形器的第三端口与光放大器的光输入端相连，在光放大器上实现对接收光信号的放大，光放大器的光输出端与高速光电探测器光输入端相连，通过高速光电探测器实现光强度变化转化为电信号的变化，高速光电探测器的电输出端与混频器的射频输入口相连，功分器的另外一路射频信号输送至混频器的本振输入口，混频器的中频输出口与低通滤波器输入端相连，混频后通过低通滤波器得到忽略幅度大小的直流信号 
，
，其中为调制光在待测距离上来回一次所产生的相位变化量，ω RF 为射频信号频率，n为光在空气中的折射率，l为所探测的距离的2倍，c为光速；混频滤波后所得到的直流信号随射频信号频率呈周期性变化，通过自动调节具有扫频功能的射频信号发生器的输出频率，使进入混频器的本振输入口和射频输入口的两路射频信号能锁定在相位正交点上，在此频率上混频器中频输出口的直流信号有最小功率；选择相位正交点是因为直流信号功率在最小点附近随射频信号频率变化最快，而在最大点附近随射频信号变化最慢，所以测功率最小点有最高的测量精度；计算机记录下此频率，同时射频扫频信号发生器继续寻找下一个正交锁定点，而两个连续的相位正交点相位差为π，所以通过多次测量相邻两个正交锁定点间的频差计算得出测量距离。
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