本發(fā)明涉及光學(xué)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于馬赫曾德爾調(diào)制器的相位測(cè)距裝置及其測(cè)距方法。

背景技術(shù)：

大尺寸空間絕對(duì)精密測(cè)距是我國大型裝備制造中的一項(xiàng)重要關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)的絕對(duì)距離測(cè)量法包括脈沖飛行時(shí)間法、鑒相法、多波長(zhǎng)干涉法、調(diào)頻連續(xù)波測(cè)量法等。其中，脈沖飛行時(shí)間法和傳統(tǒng)鑒相法的測(cè)量精度無法滿足精密測(cè)距的精度要求；多波長(zhǎng)干涉法和調(diào)頻連續(xù)波測(cè)距法對(duì)測(cè)量光的穩(wěn)定性要求很高，抗干擾性差，無法滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的需求。

傳統(tǒng)鑒相法是將激光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，通過將測(cè)量光路和參考光路比相來實(shí)現(xiàn)絕對(duì)距離測(cè)量，但這種方法的鑒相精度受到電路精度限制，且采用參考光路會(huì)引入周期性誤差等其他問題，因此測(cè)量精度難以提高。

瑞士公司提出的偏振調(diào)制測(cè)距方法(US4759623)利用自由空間光調(diào)制器調(diào)制測(cè)量光的偏振態(tài)，將待測(cè)距離的相位信息加載在調(diào)制偏振態(tài)上，對(duì)往返波進(jìn)行掃頻偏振調(diào)制，并偏振干涉尋找零相差點(diǎn)的調(diào)制頻率，最后解算距離信息，這種方法取消了參考光路，且不需要鑒相位，具有較高的測(cè)量精度。但是，對(duì)空間光路中光線的準(zhǔn)直和對(duì)準(zhǔn)有極高的要求，且所用空間光調(diào)制器需要較大的驅(qū)動(dòng)電壓，不利于系統(tǒng)集成和系統(tǒng)穩(wěn)定性，同時(shí)高頻自由空間調(diào)制器的調(diào)制帶寬很窄，掃頻時(shí)必須同步調(diào)節(jié)調(diào)制器的諧振頻率，這也使得測(cè)量系統(tǒng)變得較為復(fù)雜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提出一種相位測(cè)距裝置及其測(cè)距方法，以提高測(cè)量精度和測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)簡(jiǎn)化裝置結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明提供的相位測(cè)距裝置包括激光器、光環(huán)形器、馬赫曾德爾調(diào)制器、光纖準(zhǔn)直鏡、擴(kuò)束鏡、反射鏡和探測(cè)器，所述激光器發(fā)出的光依次經(jīng)過光環(huán)行器、馬赫曾德爾調(diào)制器、光纖準(zhǔn)直鏡、擴(kuò)束鏡和反射鏡，并經(jīng)所述反射鏡反射后，依次經(jīng)過擴(kuò)束鏡、光纖準(zhǔn)直鏡、馬赫曾德爾調(diào)制器、光環(huán)行器和探測(cè)器，所述光環(huán)形器用于將所述激光器發(fā)出的光引入馬赫曾德爾調(diào)制器，并將經(jīng)所述反射鏡反射的回光引入探測(cè)器，所述光纖準(zhǔn)直器用于將光纖光準(zhǔn)直地輸出到自由空間，并將經(jīng)所述反射鏡反射的光耦合進(jìn)入馬赫曾德爾調(diào)制器中。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述探測(cè)器為低速連續(xù)光探測(cè)器。優(yōu)選地，所述探測(cè)器的探測(cè)速度小于調(diào)制頻率，且大于10倍的掃頻速度。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述激光器與光環(huán)行器之間的光路上還設(shè)置有光纖隔離器，所述光纖隔離器用于隔離后向激光。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，還包括掃頻信號(hào)源，所述掃頻信號(hào)源用于產(chǎn)生線性掃頻信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)馬赫曾德爾調(diào)制器產(chǎn)生連續(xù)強(qiáng)度調(diào)制。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，還包括放大器，所述放大器與探測(cè)器相連，用于將所述探測(cè)器測(cè)得的強(qiáng)度信號(hào)放大。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，還包括采集控制單元，所述采集控制單元分別與放大器、掃頻信號(hào)源相連，所述采集控制單元用于采集濾波后的強(qiáng)度信號(hào)，然后根據(jù)采集到的強(qiáng)度信號(hào)，計(jì)算馬赫曾德爾調(diào)制器與反射鏡之間的距離。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述馬赫曾德爾調(diào)制器先對(duì)光進(jìn)行第一次線性強(qiáng)度調(diào)制，再對(duì)返回的光進(jìn)行第二次強(qiáng)度調(diào)制，兩次調(diào)制后的強(qiáng)度滿足如下關(guān)系式：

其中，I_i為入射馬赫曾德爾調(diào)制器的光強(qiáng)，I_o為對(duì)返回的光進(jìn)行第二次強(qiáng)度調(diào)制后探測(cè)器接收的光強(qiáng)，為ω為調(diào)制波的角頻率，C為光速，為出射光和返回光的相位差，D為馬赫曾德爾調(diào)制器與反射鏡之間的距離。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，濾去強(qiáng)度信號(hào)中的高頻成分，則根據(jù)公式計(jì)算馬赫曾德爾調(diào)制器與反射鏡之間的距離，其中f₁，f₂分別為兩個(gè)連續(xù)的強(qiáng)度極大值對(duì)應(yīng)的頻率值，Round表示求近似的整數(shù)。

本發(fā)明還提供一種上述相位測(cè)距裝置的測(cè)距方法，包括以下步驟：

打開激光器，采集控制單元控制掃頻信號(hào)源產(chǎn)生連續(xù)的線性掃頻信號(hào)，激光器發(fā)出的光依次經(jīng)過光纖隔離器和光環(huán)行器后進(jìn)入馬赫曾德爾調(diào)制器，馬赫曾德爾調(diào)制器對(duì)光進(jìn)行第一次線性強(qiáng)度調(diào)制，然后通過光纖準(zhǔn)直鏡進(jìn)入自由空間，隨后經(jīng)過擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后到達(dá)反射鏡，再經(jīng)所述反射鏡反射后，依次經(jīng)過擴(kuò)束鏡、光纖準(zhǔn)直鏡、馬赫曾德爾調(diào)制器、光環(huán)行器和探測(cè)器，返回的光再次經(jīng)過馬赫曾德爾調(diào)制器第二次強(qiáng)度調(diào)制，兩次調(diào)制后的強(qiáng)度滿足如下關(guān)系式

其中，I_i為入射馬赫曾德爾調(diào)制器的光強(qiáng)，I_o為對(duì)返回的光進(jìn)行第二次強(qiáng)度調(diào)制后探測(cè)器接收的光強(qiáng)，為ω為調(diào)制波的角頻率，C為光速，為出射光和返回光的相位差，D為馬赫曾德爾調(diào)制器與反射鏡之間的距離；

濾去強(qiáng)度信號(hào)中的高頻成分，將上式簡(jiǎn)化為

根據(jù)公式計(jì)算馬赫曾德爾調(diào)制器與反射鏡之間的距離，其中f₁，f₂分別為兩個(gè)連續(xù)的強(qiáng)度極大值對(duì)應(yīng)的頻率值，Round表示求近似的整數(shù)。

從上面的所述可以看出，本發(fā)明提供的相位測(cè)距裝置及其測(cè)距方法利用馬赫曾德爾調(diào)制器對(duì)激光器發(fā)出的測(cè)量光進(jìn)行線性強(qiáng)度調(diào)制，當(dāng)測(cè)量光到達(dá)目標(biāo)反射器并原路返回再次進(jìn)入調(diào)制器時(shí)，被進(jìn)行第二次強(qiáng)度調(diào)制，對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行掃頻，并對(duì)第二次強(qiáng)度調(diào)制后的信號(hào)進(jìn)行處理求得待測(cè)距離。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的相位測(cè)距裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的兩次掃頻信號(hào)和采樣信號(hào)的示意圖。

其中：1-激光器，2-光纖隔離器，3-光纖環(huán)形器，4-馬赫曾德爾調(diào)制器，5-掃頻信號(hào)源，6-光纖準(zhǔn)直器，7-擴(kuò)束鏡，8-反射鏡，9-探測(cè)器，10-放大器，11-采集控制單元。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。

需要說明的是，發(fā)明實(shí)施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是為了區(qū)分兩個(gè)相同名稱非相同的實(shí)體或者非相同的參量，可見“第一”“第二”僅為了表述的方便，不應(yīng)理解為對(duì)發(fā)明實(shí)施例的限定，后續(xù)實(shí)施例對(duì)此不再一一說明。

參見圖1，其為本發(fā)明實(shí)施例的相位測(cè)距裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。作為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述相位測(cè)距裝置包括激光器1、光環(huán)形器3、馬赫曾德爾調(diào)制器4、光纖準(zhǔn)直鏡6、擴(kuò)束鏡7、反射鏡8和探測(cè)器9，所述激光器1發(fā)出的光依次經(jīng)過光環(huán)行器3、馬赫曾德爾調(diào)制器4、光纖準(zhǔn)直鏡6、擴(kuò)束鏡7和反射鏡8，并經(jīng)所述反射鏡8反射后，依次經(jīng)過擴(kuò)束鏡7、光纖準(zhǔn)直鏡6、馬赫曾德爾調(diào)制器4、光環(huán)行器3和探測(cè)器9，所述光環(huán)形器3用于將所述激光器1發(fā)出的光引入馬赫曾德爾調(diào)制器4，并將經(jīng)所述反射鏡8反射的回光引入探測(cè)器9。所述光纖準(zhǔn)直器6用于將光纖光準(zhǔn)直地輸出到自由空間，并將經(jīng)所述反射鏡8反射的光耦合進(jìn)入馬赫曾德爾調(diào)制器4中。

可選地，所述探測(cè)器9為低速連續(xù)光探測(cè)器。采用低速探測(cè)器可以濾去強(qiáng)度信號(hào)中的高頻成分，則強(qiáng)度和調(diào)制頻率唯一相關(guān)。優(yōu)選地，所述探測(cè)器9的探測(cè)速度小于調(diào)制頻率，且大于10倍的掃頻速度。在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例中，所述激光器1與光環(huán)行器3之間的光路上還設(shè)置有光纖隔離器2，所述光纖隔離器2用于隔離后向激光，避免對(duì)激光器1產(chǎn)生損傷。因此，所述激光器1發(fā)出的光依次經(jīng)過光纖隔離器2、光環(huán)行器3、馬赫曾德爾調(diào)制器4、光纖準(zhǔn)直鏡6、擴(kuò)束鏡7和反射鏡8，并經(jīng)所述反射鏡8反射后，依次經(jīng)過擴(kuò)束鏡7、光纖準(zhǔn)直鏡6、馬赫曾德爾調(diào)制器4、光環(huán)行器3和探測(cè)器9。

在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例中，所述相位測(cè)距裝置還包括掃頻信號(hào)源5，所述掃頻信號(hào)源5用于產(chǎn)生線性掃頻信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)馬赫曾德爾調(diào)制器4產(chǎn)生連續(xù)強(qiáng)度調(diào)制。

在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例中，所述相位測(cè)距裝置還包括放大器10，所述放大器10與探測(cè)器9相連，用于將所述探測(cè)器9測(cè)得的強(qiáng)度信號(hào)放大。

在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例中，所述相位測(cè)距裝置還包括采集控制單元11，所述采集控制單元11分別與放大器10、掃頻信號(hào)源5相連，所述采集控制單元11用于采集濾波后的強(qiáng)度信號(hào)，然后根據(jù)采集到的強(qiáng)度信號(hào)，計(jì)算馬赫曾德爾調(diào)制器4與反射鏡8之間的距離。所述采集控制單元11還用于產(chǎn)生掃頻控制信號(hào)，使所述掃頻信號(hào)源5產(chǎn)生線性掃頻信號(hào)。

激光器1產(chǎn)生的連續(xù)波經(jīng)光纖隔離器2和光環(huán)形器3后進(jìn)入馬赫曾德爾調(diào)制器4進(jìn)行第一次線性強(qiáng)度調(diào)制，并通過光纖準(zhǔn)直鏡6進(jìn)入自由空間，隨后經(jīng)過擴(kuò)束鏡7擴(kuò)束后到達(dá)反射鏡8，再經(jīng)所述反射鏡8返回，經(jīng)歷了2D的光程，其中D為待測(cè)距離(馬赫曾德爾調(diào)制器4與反射鏡8之間的距離)。返回的光再次經(jīng)過馬赫曾德爾調(diào)制器4第二次強(qiáng)度調(diào)制，兩次調(diào)制后的強(qiáng)度滿足如下關(guān)系式：

其中，I_i為入射馬赫曾德爾調(diào)制器的光強(qiáng)，I_o為對(duì)返回的光進(jìn)行第二次強(qiáng)度調(diào)制后探測(cè)器接收的光強(qiáng)，為ω為調(diào)制波的角頻率，為出射光和返回光的相位差。

將上式展開，則I_o可表示為：

采用低速探測(cè)器可以濾去強(qiáng)度信號(hào)中的高頻成分，則強(qiáng)度和調(diào)制頻率唯一相關(guān)。公式(1)可以簡(jiǎn)化為：

此波形為強(qiáng)度隨變化的余弦波。掃頻時(shí)，該波形出現(xiàn)的兩個(gè)連續(xù)的強(qiáng)度極大值所對(duì)應(yīng)的頻率值，滿足：

其中，f₁，f₂為兩個(gè)連續(xù)的強(qiáng)度極大值對(duì)應(yīng)的頻率值，C為光速，N₁、N₂為正整數(shù)，且N₁、N₂連續(xù)，即N₂＝N₁+1。

聯(lián)立(2)、(3)、(4)兩式，可得

其中，Round表示求近似的整數(shù)。

因而，可以計(jì)算得到待測(cè)距離D，即馬赫曾德爾調(diào)制器4與反射鏡8之間的距離。

由于本發(fā)明通過波形的兩個(gè)連續(xù)的強(qiáng)度極大值(而不是極小值)所對(duì)應(yīng)的頻率值來計(jì)算得到馬赫曾德爾調(diào)制器4與反射鏡8之間的距離，可以有效提高待測(cè)強(qiáng)度信號(hào)的信噪比，進(jìn)而提高測(cè)量準(zhǔn)確性

本發(fā)明通過馬赫曾德爾調(diào)制器進(jìn)行寬頻高速強(qiáng)度調(diào)制，可以通過寬頻調(diào)制獲得多個(gè)連續(xù)強(qiáng)度極大值，有效提高測(cè)量精度。

本發(fā)明還提供一種所述相位測(cè)距裝置的測(cè)距方法，如圖1和圖2所示，打開激光器1，采集控制單元11控制掃頻信號(hào)源5產(chǎn)生連續(xù)的線性掃頻信號(hào)，激光器1發(fā)出的光依次經(jīng)過光纖隔離器2和光環(huán)行器3后進(jìn)入馬赫曾德爾調(diào)制器4，馬赫曾德爾調(diào)制器4對(duì)光進(jìn)行第一次線性強(qiáng)度調(diào)制，然后通過光纖準(zhǔn)直鏡6進(jìn)入自由空間，隨后經(jīng)過擴(kuò)束鏡7擴(kuò)束后到達(dá)反射鏡8，再經(jīng)所述反射鏡8反射后，依次經(jīng)過擴(kuò)束鏡7、光纖準(zhǔn)直鏡6、馬赫曾德爾調(diào)制器4、光環(huán)行器3和探測(cè)器9，經(jīng)歷了2D的光程，所述D為馬赫曾德爾調(diào)制器4與反射鏡8之間的距離。返回的光再次經(jīng)過馬赫曾德爾調(diào)制器4第二次強(qiáng)度調(diào)制，兩次調(diào)制后的強(qiáng)度滿足如下關(guān)系式：

其中，I_i為入射馬赫曾德爾調(diào)制器的光強(qiáng)，I_o為對(duì)返回的光進(jìn)行第二次強(qiáng)度調(diào)制后探測(cè)器接收的光強(qiáng)，為ω為調(diào)制波的角頻率，為出射光和返回光的相位差，D為馬赫曾德爾調(diào)制器與反射鏡之間的距離。

接著，濾去強(qiáng)度信號(hào)中的高頻成分，將上式簡(jiǎn)化為

根據(jù)公式計(jì)算馬赫曾德爾調(diào)制器與反射鏡之間的距離，其中f₁，f₂分別為兩個(gè)連續(xù)的強(qiáng)度極大值對(duì)應(yīng)的頻率值，Round表示求近似的整數(shù)。

具體地，光源選用波長(zhǎng)1550nm的激光器1。馬赫曾德爾調(diào)制器4的調(diào)制頻率范圍在DC-20GHz，半波電壓為7V。掃頻信號(hào)源5的掃頻范圍在2.998GHz-3.002GHz，掃頻步長(zhǎng)為500Hz，單次掃頻時(shí)間為2.5μs。

采集控制單元11進(jìn)一步對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行采集和處理，并獲得掃頻過程中，探測(cè)器先后獲取光強(qiáng)極大值下的兩個(gè)頻率值2.9985GHz，3GHz，根據(jù)公式(5)計(jì)算待測(cè)距離D為100米。

由于馬赫曾德爾調(diào)制器的調(diào)制頻率范圍可以達(dá)到40GHz左右，因而可將大尺寸測(cè)距范圍擴(kuò)展到厘米級(jí)至千米級(jí)。同時(shí)通過寬頻調(diào)制獲得多個(gè)連續(xù)強(qiáng)度極大值，有效提高測(cè)量精度。需要說明的是，若能合理消除背景噪聲，且掃頻步長(zhǎng)和測(cè)頻精度達(dá)到Hz級(jí)別，則測(cè)距精度可達(dá)亞μm級(jí)。

因此，相比于傳統(tǒng)的相位法，本發(fā)明提供的相位測(cè)距裝置及其測(cè)距方法不需要鑒別相位，也不需要參考光路，就可以準(zhǔn)確測(cè)得距離，而且該相位測(cè)距裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。此外，本發(fā)明采用光纖光路，只需要極少的光學(xué)器件，這簡(jiǎn)化了該相位測(cè)距裝置，更具應(yīng)用價(jià)值。而且，本發(fā)明采用光纖光路偏振調(diào)制測(cè)距，其優(yōu)點(diǎn)是采用連續(xù)的模擬調(diào)制，使得光強(qiáng)信號(hào)的分辨率較高，有利于提高測(cè)量精度。

由此可見，本發(fā)明提供的相位測(cè)距裝置及其測(cè)距方法利用波導(dǎo)型調(diào)制器調(diào)制的超高調(diào)制帶寬，提高了測(cè)距范圍；而且馬赫曾德爾調(diào)制器連續(xù)強(qiáng)度調(diào)制實(shí)現(xiàn)頻率的精確測(cè)量，提高測(cè)距精度，高頻調(diào)制縮小了測(cè)距模糊范圍，提高了測(cè)距精度。另外，本發(fā)明提供的相位測(cè)距裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，裝調(diào)方便，成本低廉。

所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：以上任何實(shí)施例的討論僅為示例性的，并非旨在暗示本公開的范圍(包括權(quán)利要求)被限于這些例子；在本發(fā)明的思路下，以上實(shí)施例或者不同實(shí)施例中的技術(shù)特征之間也可以進(jìn)行組合，步驟可以以任意順序?qū)崿F(xiàn)，并存在如上所述的本發(fā)明的不同方面的許多其它變化，為了簡(jiǎn)明它們沒有在細(xì)節(jié)中提供。因此，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何省略、修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。