专利名称：基于微波光子信号正交锁定的测距方法与装置的制作方法
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測量空间距离的装置，尤其是涉及ー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ー种高精度距离測量技术，其涉及光学、激光、光电子和集成电子等多种技木。由于激光具有単色性好、角分 辨カ高、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，激光测距主要有干渉法、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測量。通常是通过測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，间接地測量信号传播时间，从而得到待测距离的，在此过程中，相位差的測量就比较关键。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，提供ー种信号处理电路简単，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、三端ロ光环形器、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，送至三端ロ光环形器的第一端ロ，并由第二端ロ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ロ光环形器，并由第三端ロ输出至光放大器，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ロ光环形器的第一光端ロ，调制光就从三端ロ光环形器第二光端ロ出去，将三端ロ光环形器的第二光端ロ与光纤准直器相连，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ロ光环形器的第二光端ロ，然后从三端ロ光环形器的第三光端ロ出来，将三端ロ光环形器的第三端ロ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強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
C0S(A#) =,其中Δ#为调制光在待测距离上来回一次所产生的相位变化量， 为射频信号频率，/ 为光在空气中的折射率，7为所探測的距离的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ロ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ロ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測量精度。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ー个正交锁定点，而两个连续的相位正交点相位差为η，所以通过多次測量相邻两个正交锁定点间的频差计算得出測量距离。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測距离。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。
图I是本发明中的装置结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进ー步的说明
如I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I、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、三端ロ光环形器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I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，送至三端ロ光环形器5的第一端ロ 5-1，并由第二端ロ 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后回到三端ロ光环形器5,并由第三端ロ 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I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ロ光环形器5的第一端ロ 5-1，三端ロ光环形器5的第二端ロ 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后输送至三端ロ光环形器5的第二端ロ 5-2，三端ロ光环形器5的第三端ロ 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測器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勿，Αφ = ω^1 α ,其中Δ#为调制光在待测距离上来回所产生的相位变化量，为射频信号
频率，/ 为光在空气中的折射率，7为所探測的距离的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I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中频输出ロ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測量精度。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ー个正交锁定点，而两个连续的相位正交点相位差为η，所以通过多次測量相邻两个正交锁定点间的频差计算得出測量距离。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4 ⑴=AifM，其中為为激光场强幅
度，Wi7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イ目号发生器I广生的ホ旲拟イ目号为(り=, Vjg7为
输入射频信号的幅度，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，这样可以确保探測距离的精确度。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Vjjco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，使得強度调制效率最高。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心的位置，S卩Vjjc=匕/2，这样就可使实验当中所使用的ー阶电信号增益为最大值，同时可以很好的抑制ニ阶信号。马赫增德尔强度调制器4输出光强的表示为
: cos" ^ = -=+ cos(ちざ + ^^·^)1其中
权利要求
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(I)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)。
2.根据权利要求I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I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I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I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, Αφ = fc ,其中Δ#为调制光在待测距离上来回一次所产生的相位变化量，为射频信号频率，为光在空气中的折射率，I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H，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。
全文摘要
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。
文档编号G01S17/08GK102680981SQ20121017003
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月29日 优先权日2012年5月29日
发明者卢春燕, 池灏, 王翌, 章献民, 郑史烈, 金晓峰 申请人:浙江大学