本發(fā)明涉及光電，具體涉及一種基于多音探測與相干低頻接收的高速高精度相位式激光測距裝置實現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

1、激光測距技術(shù)在工業(yè)和科學(xué)領(lǐng)域具有重要地位，在空間信息測繪、遙感、時間-頻率同步和距離測量方面都提供了有效解決方案。激光測距技術(shù)通過測量光束收發(fā)的延時時間來推算物體與激光雷達(dá)的距離；然而，延時測量面臨著無法同時兼顧測量精度、測試時間和非模糊測試范圍的挑戰(zhàn)。一些研究人員利用基于飛行時間(tof)的測量方法來測試光延時(y.na?et?al.,ultrafast,sub-nanometre-precision?and?multifunctional?time-of-flight?detection,2020,14,355-360)。利用鎖模激光器產(chǎn)生穩(wěn)定的光脈沖，可以提取本振信號和探測信號之間的脈沖飛行時間，實現(xiàn)幾十飛秒的測量精度和幾微秒的單次測量時間的延時測量。除此之外，利用兩束鎖模激光光源，可構(gòu)成雙光梳延時測量系統(tǒng)(b.chang?etal.,dispersive?fourier?transform?based?dual-comb?ranging,2024,15,1-10)。利用光頻梳的大帶寬特性，延時測量的精度可以達(dá)到飛秒量級。但是，多個光頻梳和一系列高速器件的使用會導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜性和費用的急劇增加，此外，目前多個光梳之間的同步還不夠穩(wěn)定，尚且無法適應(yīng)較為復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。

2、延時測量方法還包括調(diào)頻連續(xù)波法，該方法將參考啁啾信號與包含延遲信息的探測啁啾信號在光電探測器處進(jìn)行拍頻，得到去斜的單音信號。這種方式可以有效的消除模糊測試距離，實現(xiàn)大范圍的測試。但是光學(xué)掃頻源卻存在掃頻非線性和光相位噪聲高的缺陷，導(dǎo)致去斜測試結(jié)果精度較低。電子科技大學(xué)張耀文等研究工作者提出互補(bǔ)掃頻調(diào)制與移頻去斜的方式，可以有效的克服上述難題，但是高速awg的使用會使得系統(tǒng)成本較高(y.zhang?et?al.,ultrafast?and?high-precision?time?delay?measurement?based?oncomplementary?frequency-swept?light?and?frequency-shifted?dechirping,2024,42,1927-1933)。

3、基于相位的延時測量方法通過區(qū)分參考微波信號和探測微波信號的相位差，實現(xiàn)延時的高精度檢測。該方法需要一個穩(wěn)定且高精度的鑒相器來保證系統(tǒng)的高精度工作；此外，多頻點頻率合成消除模糊測試距離也是此測試方法的關(guān)鍵技術(shù)難題之一。南京航空航天大學(xué)首次利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的相頻響應(yīng)測試，進(jìn)行延時測量(s.li?et?al.,opticalfiber?transfer?delay?measurement?based?on?phase-derived?ranging,2019,31,1351-1354)。這種方式在一定程度上解決了鑒相法模糊距離檢測的關(guān)鍵問題，但是掃頻過程需要將頻點一個一個改變，在時間上犧牲了很多的檢測時間?；诖?，研究者們改進(jìn)了鑒相頻點的選擇方式，使得只需要檢測少量頻點就可以得到非模糊的演示測試結(jié)果，在測試時間改良上有了新的突破(s.li?et?al.,high-accuracy?and?fast?measurement?of?opticaltransfer?delay,2021,70,8000204)。但是，目前大多數(shù)測試系統(tǒng)均為非相干探測，無法實現(xiàn)大動態(tài)范圍的測試，在低功率信號探測時不能實現(xiàn)高精度探測。所以，研究者們提出用相干探測與光相位噪聲抑制接收的方式來實現(xiàn)高精度大動態(tài)的光延時測量(l.wang?etal.,coherent?optical?phase-derived?ranging?with?high?sensitivity?and?accuracy,2024,42,579-587)。盡管研究者們做出了如此之多的貢獻(xiàn)，但只是解決了大動態(tài)范圍與高速測試的問題，系統(tǒng)仍然工作在一個高頻狀態(tài)，需要一個大帶寬高速接收系統(tǒng)，使得探測精度無法進(jìn)一步提升；而且，相位式非模糊測距的問題仍然通過改變頻點的方式解決，這使得單次測距得到非模糊測試距離始終無法實現(xiàn)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對光源引起的相位噪聲，本發(fā)明首先通過移頻器產(chǎn)生固定的頻移以獲得具有互補(bǔ)相位噪聲的光信號，然后在數(shù)據(jù)處理部分采用光相位噪聲抑制算法消除光相位噪聲，同時采用低頻接收可解決由adc引入的噪聲問題。本發(fā)明采用多音信號測距，可消除延時測量中的模糊測試范圍。此外，采用相干檢測，測量精度比非相干系統(tǒng)有顯著提高。綜上，本發(fā)明可實現(xiàn)大非模糊測試范圍下的高速高精度激光測距。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案：一種基于多音探測與相干低頻接收的高速高精度相位式激光測距裝置，所述裝置包括：連續(xù)波激光器(1)，光分束器(2)，電光強(qiáng)度調(diào)制器(3)，微波源(4)，直流電源(5)，聲光移頻器(6)，功率放大器(7)，微波源(8)，電光強(qiáng)度調(diào)制器(9)，直流電源(10)，微波源(11)，光分束器(12)，光分束器(13)，待測光延時器件(14)，光合路器(15)，光電探測器(16)，光合路器(17)，光電探測器(18)，數(shù)據(jù)采集模塊(19)，數(shù)據(jù)處理模塊(20)。其特征在于，各個器件按照如下順序進(jìn)行連接：連續(xù)波激光器(1)的輸出端連接光分束器(2)的輸入端。光分束器(2)的一個輸出端連接電光強(qiáng)度調(diào)制器(3)的光學(xué)輸入端，其中電光強(qiáng)度調(diào)制器(3)的電信號輸入端和偏置電壓輸入端分別連接微波源(4)的輸出端和直流電源(5)的輸出端。光分束器(2)的另一個輸出端口連接聲光移頻器(6)的光學(xué)輸入端，其中微波源(8)的輸出端連接功率放大器(7)的輸入端，功率放大器(7)的輸出端連接聲光移頻器(6)的電信號輸入端。聲光移頻器(6)的光學(xué)輸出端連接電光強(qiáng)度調(diào)制器(9)的光學(xué)輸入端，其中電光強(qiáng)度調(diào)制器(9)的電信號輸入端和偏置電壓輸入端分別連接微波源(11)的輸出端和直流電源(10)的輸出端。電光強(qiáng)度調(diào)制器(3)和電光強(qiáng)度調(diào)制器(9)的輸出端分別連接光分束器(12)和光分束器(13)的輸入端。光分束器(12)的上輸出端連接待測延時器件(14)的輸入端，待測延時器件(14)的輸出端與光分束器(13)的下輸出端分別連接光合路器(15)的兩個輸入端。光合路器(15)的輸出端連接光電探測器(16)的輸入端。光分束器(12)的下輸出端和光分束器(13)的上輸入端分別連接光合路器(17)的兩個輸入端。光合路器(17)的輸出端連接光電探測器(18)的輸入端。光電探測器(16)和光電探測器(18)的輸入端連接數(shù)據(jù)采集模塊的輸入端(19)，數(shù)據(jù)采集模塊的輸出端(19)連接數(shù)據(jù)處理模塊(20)的輸入端。

3、所述基于多音探測與相干低頻接收的高速高精度相位式激光測距實現(xiàn)方法，包括以下步驟：

4、步驟1：連續(xù)波激光器(1)輸出的一路光信號輸入到電光強(qiáng)度調(diào)制器(3)。通過調(diào)節(jié)直流電源(5)改變加載在該調(diào)制器上偏置電壓，使其工作在最小偏置點。微波源(4)輸出頻率為ω1的射頻信號，用于驅(qū)動電光強(qiáng)度調(diào)制器(3)，使得該調(diào)制器輸出頻率為ωc±ω1光信號。

5、步驟2：連續(xù)波激光器(1)輸出的另一路光信號輸入聲光移頻器(6)引入一個頻移ω后輸入電光強(qiáng)度調(diào)制器(9)，通過調(diào)節(jié)直流電源(10)改變加載在該調(diào)制器上偏置電壓，使其工作在最小偏置點。微波源(11)輸出頻率為ω2的射頻信號，用于驅(qū)動電光強(qiáng)度調(diào)制器(9)，使得該調(diào)制器輸出頻率為ωc+ω±ω2的光信號。

6、步驟3：電光強(qiáng)度調(diào)制器(3)和電光強(qiáng)度調(diào)制器(9)輸出的光信號分別經(jīng)過光分束器(12)和光分束器(13)被分為兩路。其中光分束器(12)輸出的上路光信號輸入到待測延時器件(14)引入一個光延時后與光分束器(13)輸出的下路光信號進(jìn)行合路(測試路)，合路后的信號輸入到光電探測器(16)完成光電轉(zhuǎn)換。光分束器(12)輸出的下路光信號與光分束器(13)輸出的上路光信號進(jìn)行合路(參考路)，合路后的信號輸入到光電探測器(18)完成光電轉(zhuǎn)換。

7、步驟4：光電探測器(16)和光電探測器(18)的輸出光電流由數(shù)據(jù)采集模塊(19)接收，完成光電流的模數(shù)轉(zhuǎn)換。由數(shù)據(jù)采集模塊(19)采集到的數(shù)字化的光電流信號輸入到數(shù)據(jù)處理模塊(20)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得到待測延時器件(14)的延時，從而得到光束經(jīng)過的距離。

8、步驟5：圖2所示為光電探測器(16)和光電探測器(18)的輸入光信號的光譜和輸出電信號的電譜圖。若光信號經(jīng)歷時間延遲，則相應(yīng)的傅立葉域僅引入相移，由于不考慮由于光相位噪聲引起的探測信號的頻譜展寬，故兩個光電探測器信號功率譜保持一致。圖2左圖為合路的探測和參考光信號的光譜圖，圖2右圖為經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的光電流頻譜圖，包含兩個頻率成分的電信號，兩個電信號攜帶了可相互補(bǔ)償?shù)墓庠吹南辔辉肼?。通過數(shù)據(jù)處理模塊(20)，可抑制電信號中的光源的相位噪聲，從而實現(xiàn)高速高精度的激光測距。

9、綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：

10、(1)本發(fā)明首先通過移頻器產(chǎn)生固定的頻移以獲得具有互補(bǔ)相位噪聲的光信號，然后在數(shù)據(jù)處理部分采用光相位噪聲抑制算法消除光相位噪聲，從而實現(xiàn)高速高精度激光測距。

11、(2)采用多音信號測距，可消除延時測量中的模糊測試范圍，可實現(xiàn)大非模糊測試范圍下的高速高精度測量。

12、(3)采用低頻接收可解決由adc引入的噪聲問題。此外，采用相干檢測，測量動態(tài)范圍比非相干系統(tǒng)有顯著提高。

13、(4)由于該結(jié)構(gòu)良好的光源相位噪聲抑制效果，因此，該延時測量方案不依賴窄線寬激光器，有效降低了系統(tǒng)成本。