一種快速掃描的高精度激光測距方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種測距技術(shù)，特別涉及一種快速掃描的高精度激光測距方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖激光器作為光源在工業(yè)領(lǐng)域有許多應(yīng)用，如激光材料打標(biāo)、焊接、切割和深雕等。同時(shí)，光纖脈沖激光器在激光測距、激光雷達(dá)、精密光譜學(xué)以及激光武器等國防和科學(xué)研宄領(lǐng)域也發(fā)揮著重要的作用。由于其體積小，長期可靠，對準(zhǔn)方便等優(yōu)勢，光纖激光器已經(jīng)靈活地應(yīng)用到各種實(shí)際條件中。近年來，隨著光纖頻率梳的飛速發(fā)展，重復(fù)頻率穩(wěn)定的超短脈沖光纖激光器在高精度遠(yuǎn)距離光學(xué)頻率測量和天文觀測中，趨向于扮演更加重要的角色。
[0003]現(xiàn)階段，基于脈沖激光器的測距方法大體可以分為飛行時(shí)間法和干涉法，其中，飛行時(shí)間法是通過激光器發(fā)射脈沖，照射到待測物體，經(jīng)過反射后回到探測器，通過計(jì)算發(fā)射脈沖到接收到脈沖的時(shí)間差，計(jì)算出待測距離。這種方法一般可以測量較大范圍的距離，但其精度受到光源脈沖寬度的限制，難以提高。干涉法通常采用兩個(gè)重復(fù)頻率或者波長存在微小差異的光源，通過測量其時(shí)域拍頻信號或者光譜干涉信號，計(jì)算出待測物體的距離信息。干涉法的核心是多波長干涉或者多重復(fù)頻率拍頻，從本質(zhì)上相當(dāng)于采用多把測尺同時(shí)測量，測距分辨率由最短的測尺保證，量程由最長測尺保證，因此可以實(shí)現(xiàn)大范圍高精度的測距。但是，由于采用了至少兩個(gè)重復(fù)頻率存在差異的光源，對光源之間的同步控制、噪聲抑制提出了更高的要求，系統(tǒng)復(fù)雜度也進(jìn)一步提高。
[0004]采用兩個(gè)重復(fù)頻率存在微小差異的光源用于激光測距時(shí)，為了提高測量的精度，通常需要鎖定兩臺(tái)激光器的重復(fù)頻率，現(xiàn)階段，鎖定激光器重復(fù)頻率的常用方法是在激光器諧振腔內(nèi)，安裝一個(gè)壓電陶瓷，通過控制壓電陶瓷的伸長量來改變激光器諧振腔的幾何長度，從而使激光器的重復(fù)頻率發(fā)生改變。然而，利用壓電陶瓷改變激光器重復(fù)頻率的方案存在一些缺點(diǎn)。比如需要較高的工作電壓、對環(huán)境擾動(dòng)比較敏感，長期工作易磨損，鎖定精度受機(jī)械穩(wěn)定性影響大等。同時(shí)，兩臺(tái)獨(dú)立的激光器的重復(fù)頻率鎖定精度也會(huì)隨著激光器的結(jié)構(gòu)、環(huán)境條件、電子線路的參數(shù)而發(fā)生變化，這會(huì)導(dǎo)致在拍頻測量中引入噪聲，降低激光測距的精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明是針對基于脈沖激光器的測距方法中采用兩臺(tái)獨(dú)立的激光器存在的問題，提出了一種快速掃描的高精度激光測距方法，僅用一臺(tái)光纖激光器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、快速、大范圍、尚精度測距。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種快速掃描的高精度激光測距方法，具體包括如下步驟:
I)光纖激光器內(nèi)部增加一泵浦激光器、一段摻雜光纖和一個(gè)波分復(fù)用器，光纖激光器輸出鎖模激光，經(jīng)過1:99的分束器，1%的激光作為重復(fù)頻率的探測信號，被探測器接收轉(zhuǎn)換為電信號輸出，輸出電信號與可調(diào)諧標(biāo)準(zhǔn)頻率信號經(jīng)過混頻器后，得到兩個(gè)輸入電信號的頻率誤差信號，經(jīng)過低通濾波器和電壓放大器的處理后，作為反饋信號驅(qū)動(dòng)增加的泵浦激光器，泵浦激光器輸出的泵浦光經(jīng)過增加的波分復(fù)用器耦合到增加的摻雜光纖上，引起光纖激光器腔長的改變，進(jìn)行重復(fù)頻率鎖定；
2)實(shí)現(xiàn)重復(fù)鎖頻后，進(jìn)行測距，將99%的輸出激光再經(jīng)過1:1的分束器分成兩束，一束光經(jīng)過確定長度的延時(shí)線，另一束光不經(jīng)過延時(shí)，聚焦模塊將兩束光在空間上聚焦到待測物體的同一位置，再通過激光收集和探測模塊，得到兩束光的拍頻信號，通過測量拍頻信號強(qiáng)度隨時(shí)間的變化，得到待測物體表面的距離信息。
[0007]所述光纖激光器為環(huán)形腔激光器，增加的波分復(fù)用器與一段摻雜光纖串聯(lián)，接在環(huán)形腔激光器的增益光纖輸出端與輸出親合器輸出端之間。
[0008]所述光纖激光器為二駐波腔激光器，增加的波分復(fù)用器與一段摻雜光纖串聯(lián)，接在增益光纖輸出端與反射及輸出親合器輸入端之間。
[0009]所述光纖激光器為8字腔激光器，增加一個(gè)1:1的光纖耦合器，串接在8字腔激光器增益光纖的子環(huán)中，增加的波分復(fù)用器與一段摻雜光纖串聯(lián)后，再接與1:1的光纖耦合器輸入輸出兩端。
[0010]所述聚焦模塊包括耦合器和準(zhǔn)直器，兩束光通過耦合器合成一束，合束后的兩束光經(jīng)過準(zhǔn)直器變換成空間光，照射到待測物體表面，通過透鏡收集反射光，采用光電探測器測量兩束光的拍頻信號。
[0011]所述聚焦模塊為聚焦透鏡，一束光先經(jīng)過確定長度的一段空間延時(shí)線，再通過反射鏡反射到聚焦透鏡；另一束光不經(jīng)過延時(shí)，直接入射到聚焦透鏡，聚焦透鏡將兩束光聚焦后，同時(shí)照射到待測物體表面，通過透鏡收集透射光，采用光電探測器測量兩束光的拍頻信號。
[0012]所述聚焦模塊為聚焦透鏡，一束光先經(jīng)過確定長度的一段空間延時(shí)線，再通過三個(gè)反射鏡組成的反射鏡組反射到聚焦透鏡；另一束光不經(jīng)過延時(shí)，直接入射到聚焦透鏡，聚焦透鏡將兩束光聚焦后，同時(shí)照射到待測物體表面，通過透鏡收集反射光，采用光電探測器測量兩束光的拍頻信號。
[0013]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明快速掃描的高精度激光測距方法，采用全光式重復(fù)頻率鎖定方式，無機(jī)械移動(dòng)部分，重復(fù)頻率的鎖定精度高，長期穩(wěn)定性好，易于集成；僅采用一臺(tái)光纖激光器即可實(shí)現(xiàn)拍頻激光測距，實(shí)驗(yàn)裝置更簡單，成本更低；采用重復(fù)頻率鎖定并且可掃描的光纖激光器作為光源，其鎖定精度決定了測距的精度，掃描范圍決定了測距的范圍，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度大范圍的激光測距；采用掃描激光器重復(fù)頻率的方式，在激光測距的過程中，避免了傳統(tǒng)式的機(jī)械位移臺(tái)或者壓電陶瓷掃描的方式，能降低掃描時(shí)間，提高相應(yīng)速度；激光器的重復(fù)頻率可以隨著參考標(biāo)準(zhǔn)頻率的變化方式，實(shí)現(xiàn)多種波形的掃描輸出，有利于提高拍頻信號的信噪比，提高測距精度。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明原理圖；
圖2為本發(fā)明實(shí)施例一環(huán)形腔激光器作為光源的激光測距結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為本發(fā)明實(shí)施例二駐波腔激光器作為光源的激光測距結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為本發(fā)明實(shí)施例三8字腔激光器作為光源的激光測距結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]如圖1所示原理圖，本發(fā)明公開了一種快速掃描的高精度激光測距方法，包括一個(gè)重復(fù)頻率鎖定并且快速掃描的光纖激光器部分和激光測距結(jié)構(gòu)部分。
[0016]如圖1左邊部分為重復(fù)頻率鎖定并且快速掃描的光纖激光器部分，光纖激光器采用全光調(diào)制的方法實(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率的鎖定，光纖激光器當(dāng)中額外增加了一段摻雜光纖，一個(gè)波分復(fù)用器和一個(gè)泵浦激光器，激光器的輸出經(jīng)過1:99的分束裝置后，99%作為輸出，1%耦合到光電探測器，測量其重復(fù)頻率，采用可調(diào)諧標(biāo)準(zhǔn)頻率作為參考，與光電探測器測量得到的激光器重復(fù)頻率進(jìn)行混頻，產(chǎn)生一個(gè)代表激光器重復(fù)頻率與標(biāo)準(zhǔn)頻率差的誤差信號，利用低通濾波和前置放大，獲得低頻的誤差信號，再經(jīng)過電路處理，作為驅(qū)動(dòng)信號，加載在額外增加的泵浦激光器上，泵浦激光器的輸出光經(jīng)過波分復(fù)用器，作用到額外增加的摻雜光纖上，通過改變摻雜光纖的折射率，實(shí)現(xiàn)全光式的高精度重復(fù)頻率鎖定。
[0017]如圖1右邊圖為激光測距結(jié)構(gòu)部分，重復(fù)頻率鎖定并且快速掃描的光纖激光器的輸出脈沖經(jīng)過1:1的分束器分成兩束，一束光經(jīng)過確定長度的延時(shí)線，另一束光不經(jīng)過延時(shí)，聚焦模塊將兩束光在空間上聚焦到待測物體的同一位置，再通過激光收集和探測模塊，得到兩束光的拍頻信號，通過測量拍頻信號強(qiáng)度隨時(shí)間的變化，得到待測物體表面的距離信息。
[0018]圖2為實(shí)施例一環(huán)形腔激光器作為光源的激光測距結(jié)構(gòu)示意圖:光纖激光器包括泵浦激光器LDl，增益光纖Fl，波分復(fù)用器WDMl，兩個(gè)偏振控制器K1、K2，隔離器01，輸出耦合器0C。光纖激光器中增加額外的泵浦激光器LD2，摻雜光纖F2，波分復(fù)用器WDM2。按圖示結(jié)構(gòu)熔接上述器件，打開泵浦激光器LDl，調(diào)節(jié)腔內(nèi)的兩個(gè)偏振控制器，能實(shí)現(xiàn)鎖模激光輸出。額外的泵浦激光器LD2，摻雜光纖F2，波分復(fù)用器WDM2的存在對激光器的鎖模無影響。
[0019]實(shí)現(xiàn)鎖模后，脈沖激光經(jīng)過1:99的分束器Cl，99%的激光作為測距的輸出，1%的激光作為重復(fù)頻率的探測信號。通過探測器Dl測量激光器的重復(fù)頻率信號作為一個(gè)輸入信號，可調(diào)諧標(biāo)準(zhǔn)頻率信號作為另一個(gè)輸入信號，經(jīng)過混頻器MIX后，得到兩個(gè)輸入電信號的頻率誤差信號，經(jīng)過低通濾波器LP和電壓放大器AM的處理后，作為反饋信號，驅(qū)動(dòng)光纖激光器中的額外泵浦激光器LD2，LD2輸出的泵浦光經(jīng)過WDM2耦合到摻雜光纖F2，改變泵浦激光LD2的大小會(huì)引起摻雜光纖F2的折射率改變，進(jìn)而引起光纖激光器腔長的改變，實(shí)現(xiàn)全光式的重復(fù)頻率鎖定。激光器重復(fù)頻率的掃描是通過直接掃描可調(diào)諧的標(biāo)