本发明属于长距离激光测距
技术领域：
，尤其是涉及一种基于等光频间隔重采样的远距离高精度测量装置及方法。技术背景激光具有单色性好、相干性强、直线度高等优点广泛应用于科学研究、工业测量等方面。调频连续波(frequencymodulatedcontinuouswave，fmcw)测距是一种绝对测距技术，自上世纪八十年代以来被应用于fmcw激光雷达，其基本原理为：发射波为高频连续波，其频率随时间变化，雷达接收的回波的频率与发射的频率变化规律相同，只是有一个时间差，利用这个微小的时间差可计算出目标距离。基于频率调制的激光雷达，具有更大的调制带宽，理论上可以达到更高的测距精度，逐渐成为了研究热点，但是由于调频激光器的频率调制曲线并非严格线性，对于测距的精度造成了极大地影响。为了解决调频非线性的问题，现有的办法引入了参考光路以及等光频间隔重采样的方法，这种方法虽然在很大程度上解决了调频非线性导致的误差，但是仍然存在两个问题：1.由于奈奎斯特采样定理，测量光路的测量距离受到参考光路光纤长度的限制，最大测量距离约为参考光路光纤光程的四分之一；2.在测量实验中实际带宽只是截取扫描带宽的一部分，所以实际带宽的起止频率是未知的，导致重复测量中精密度下降。技术实现要素：本发明克服了现有技术的不足，提供了一种利用两路较短光纤实现远距离测量目的并解决测量距离受到参考光纤长度限制、而且通过新增的波长检测光路以实现实际带宽起止频率检测并提高重复测量时精密度的基于等光频间隔重采样的远距离高精度测量装置。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种基于等光频间隔重采样的远距离高精度测量装置，其特征在于：包括激光发射单元、测量光纤光路、参考光纤光路、波长检测光路、数据采集处理单元，所述激光发射单元用于输出调频激光，所述测量光纤光路内并联有一延时光纤并产生一个拍频信号，所述参考光纤光路产生另一个拍频信号，所述波长检测光路产生吸收谱信号，数据采集处理单元用于接收采集所述测量光纤光路、参考光纤光路和波长检测光路输出的两个拍频信号和吸收谱信号并计算出测量距离。再有，所述激光发射单元发射的激光被分为第一路和第二路，第一路进入所述测量光纤光路，第二路被耦合分为第三路和第四路，第三路和第四路分别进入所述参考光纤光路和所述波长检测光路；所述第一路被分为第五路和第六路，第五路经光环行器的一个通路和透镜照射到待测距目标表面，该待测距目标表面的反射光经光环行器的另一个通路返回并与通过延时光纤的所述第六路耦合处理后输入至所述数据采集处理单元；所述第四路经过气体吸收池后输入至所述数据采集处理单元。再有，所述激光被分为和耦合处理均由光纤耦合器完成。再有，所述激光发射单元包括上位机和可调频激光器，上位机连接可调频激光器的控制端。再有，所述数据采集出单元包括光电探测器用于接收所述测量光纤光路、参考光纤光路和波长检测光路的输出。本发明的另一个目的是提供一种如权利要求1或2或3或5所述的基于等光频间隔重采样的远距离高精度测量装置的使用方法，其特征在于：包括采集过程和处理过程，所述采集过程包括以下步骤：⑴激光发射单元产生激光，并分别进入测量光纤光路、参考光纤光路和波长检测光路，数据采集处理单元得到测量光纤光路的测量拍频信号、参考光纤光路的参考拍频信号和波长检测光路的吸收谱信号；⑵设置吸收谱信号用于截取测量拍频信号和参考拍频信号的两个吸收峰，设置计数变量；⑶等待采集数据；⑷判断吸收谱信号是否达到第一个吸收峰，如果达到，进入下一个步骤；如果未达到，则回到步骤⑶；⑸同步采集测量拍频信号和参考拍频信号；⑹判断吸收谱信号是否达到第二个吸收峰，如果达到，则进入下一个步骤；如果未达到，则回到步骤⑸；⑺计数变量加1；⑻判断技术变量是否大于最大值，如果达到，则进入下一个步骤；如果未达到，则回到步骤⑶；⑹完成采集过程；所述处理过程包括以下步骤：⑴获取参考光纤光路中的参考光纤长度、延时光纤长度、光纤折射率和采集到的数据，竖直计数变量；⑵按顺序读取采集到的数据，进行等光频间隔重采样；⑶对等光频间隔重采样的数据进行快速傅里叶变换，得到该数据的频谱图像；⑷根据频谱图像中得到峰值对应的点数和总点数，计算频谱图像的距离；⑸计数变量加1,并判断是否为最后一个采集到的数据，如果是最后一个，则进入下一步骤；如果不是最后一个，则回到步骤⑵；⑹计算所有距离的平均值。再有，所述处理过程中的步骤⑵的等光频间隔重采样的过程包括以下步骤：⑴寻找采集到的数据中的参考拍频信号的波峰值、波谷值所对应的位置；⑵获取测量拍频信号中在所述位置处的采样点数据。再有，所述处理过程中的步骤⑷使用的计算频谱图像距离的公式是：rk＝(tk-1)/tk*rr*n+0.5*rd*n其中，rk为待测距目标的第k次测量时的距离值，tk为第k时测量时的频谱图像中波峰值对应的点数，tk表示第k次测量时的频谱图像的总点数，rr为参考光纤长度，rd为延时光纤的长度，n为光纤的折射率。本发明获得的技术效果是：本发明中，将激光发射单元、测量光纤光路、参考光纤光路、波长检测光路、数据采集处理单元等集成在一起，激光发射单元用于输出调频激光，测量光纤光路内并联有一延时光纤并产生一个拍频信号，参考光纤光路产生另一个拍频信号，波长检测光路产生吸收谱信号，数据采集处理单元用于接收采集所述测量光纤光路、参考光纤光路和波长检测光路输出的两个拍频信号和吸收谱信号并计算出测量距离。延迟光纤拓展了测量距离，波长检测光路提高了测量结果的精密度，相对于现有的调频连续波实验装置和测距方法，本发明可以在不增加参考光纤长度的情况下实现远距离测量，并且可以使用波长检测光路精确测定实际扫描的波长范围，提高测量的精密度。附图说明图1为本发明的光路示意图；图2为图1的调频连续波测距原理图；图3为图1的数据采集示意图；图4为图1的采集过程的工作流程图；图5为图1的处理过程的工作流程图；图6为等光频间隔重采样的示意图；图7为实施例输出结果的连线图。具体实施方式下面通过实施案例及对比例对本发明作进一步阐述，但不限于本实施例。一种基于等光频间隔重采样的远距离高精度测量装置，如图1～7所示，本发明的创新在于：包括激光发射单元、测量光纤光路3、参考光纤光路13、波长检测光路17、数据采集处理单元。激光发射单元包括上位机和可调频激光器，上位机设定参数并由可调频激光器输出调频激光，测量光纤光路内并联有一延时光纤4并产生一个拍频信号p1，参考光纤光路产生另一个拍频信号p2，所述波长检测光路产生吸收谱信号p3。数据采集处理单元中的光电探测器用于接收上述拍频信号和吸收谱信号，由数据采集部分进行数据采集，这些数据最后经过数据处理部分处理后得到测量距离以及标准差。本实施例中，激光发射单元发射的激光被光纤耦合器fc(1)分为第一路a和第二路b，第一路a进入测量光纤光路，第二路b被光纤耦合器fc(11)分为第三路e和第四路f，第三路e和第四路f分别进入参考光纤光路和波长检测光路；第一路a被光纤耦合器fc(2)分为第五路c和第六路d，第五路c经光环行器5的一个通路(a～b)和透镜7照射到待测距目标8表面，该待测距目标表面的反射光经光环行器的另一个通路(b～c)返回并与通过延时光纤4的第六路d经光纤耦合器fc(6)耦合处理后的信号输入至数据采集处理单元中的光电探测器9处，该信号为拍频信号p1。第三路e被光纤耦合器fc(12)分为第七路g和第八路h，第七路g和经过参考光纤14的第八路h经光纤耦合器fc(15)耦合处理后的信号输入至数据采集处理单元中的光电探测器10处，该信号为拍频信号p2。第四路f经过hcn气体吸收池16后的信号输入至所述数据采集处理单元中的光电探测器18处,该信号为吸收谱信号p3。可调频激光器的信号为lunaphoenix1400，其产生的激光为波长在1545～1555纳米之间的线型调制激光，光纤耦合器的信号为tw1550r5f1，光环行器的信号为6015-3-fc，光电探测器的型号为pdb450c-ac，hcn气体吸收池的型号为hcn-13-h(16.5)-25-fcapc。透镜为准直透镜，待测距目标使用角锥棱镜。延时光纤的光程(长度乘以折射率)略小于待测长度，参考光纤光程(长度乘以折射率)大于延时光纤与待测长度的光程差(待测长度减去延时光纤的光程)的2倍。参考拍频信号p2大于测量拍频信号p1的2倍，上述激光的波长范围在hcn气体吸收池的吸收范围以内。数据采集处理单元中的数据处理部分可以采用单片机、plc或计算机，当然具有数据接收能力和计算能力的设备均可以应用在此处。本发明的测距原理如图2所示，图中曲线为在测量光路增加延时光纤的调频连续波光频随时间变化的曲线，其中，实线表示可调频激光器发出激光的光频曲线，长虚线表示d路光经过已知长度的延时光纤后的光频曲线，短虚线表示c路光进入光纤耦合器fc(6)之前的光频曲线，b表示光频调制范围，τ表示c、d两路光进入光纤耦合器fc(6)时的时间差，δf表示c、d两路光进入光纤耦合器fc(6)时的频率差，根据δf可以计算出c、d两路光的光程差，再根据已知长度的延时光纤的光程便可以计算出待测距目标的距离。上述装置的使用方法包括采集过程和处理过程：采集过程如图4所示，包括以下步骤：⑴激光发射单元产生激光，并分别进入测量光纤光路、参考光纤光路和波长检测光路，数据采集处理单元得到测量光纤光路的测量拍频信号p1、参考光纤光路的参考拍频信号p2和波长检测光路的吸收谱信号p3；⑵设置吸收谱信号用于截取测量拍频信号和参考拍频信号的两个吸收峰(图3中的f1和f2)，设置需要采集的数据数量为n，并设置计数变量m＝1；⑶等待采集第m组数据；⑷判断吸收谱信号是否达到第一个吸收峰f1，如果达到，进入下一个步骤；如果未达到，则回到步骤⑶；⑸同步采集测量拍频信号p1和参考拍频信号p2；⑹判断吸收谱信号是否达到第二个吸收峰f2，如果达到，则进入下一个步骤；如果未达到，则回到步骤⑸；⑺计数变量m加1；⑻判断m是否大于n，如果达到，则进入下一个步骤；如果未达到，则回到步骤⑶；⑹完成采集过程；所述处理过程如图5所示，包括以下步骤：⑴获取参考光纤光路中的参考光纤长度、延时光纤长度、光纤折射率和采集到的数据，计数变量k＝1；⑵按顺序读取采集到的第n组数据中的第k组数据，进行等光频间隔重采样；⑶对等光频间隔重采样的数据进行快速傅里叶变换(fft)，得到该数据的频谱图像；⑷根据频谱图像中得到峰值对应的点数和总点数，计算频谱图像的距离；⑸k＝k+1,并判断是否为最后一个采集到的数据(k是否大于n)，如果是最后一个，则进入下一步骤；如果不是最后一个，则回到步骤⑵；⑹计算所有距离的平均值和标准差；⑺显示结果。上述处理过程中的步骤⑵的等光频间隔重采样的过程如图6所示，包括以下步骤：⑴寻找采集到的数据中的参考拍频信号p2的波峰值、波谷值所对应的位置；⑵获取测量拍频信号p1中在所述位置处的采样点数据。上述处理过程中的步骤⑷使用的计算频谱图像距离的公式是：rk＝(tk-1)/tk*rr*n+0.5*rd*n其中，rk为待测距目标的第k次测量时的距离值，tk为第k时测量时的频谱图像中波峰值对应的点数，tk表示第k次测量时的频谱图像的总点数，rr为参考光纤长度，rd为延时光纤的长度，n为光纤的折射率。实施例使用本发明的装置对30米左右处的一个角锥棱镜进行探测；各光路的示意图如图1所示，设置hcn气体吸收池用于截取拍频信号的两个吸收峰f1为1545.23纳米、f2为1553.76纳米，需要采集的数据数量为n为10。按照采集过程进行数据采集，并根据rk＝(tk-1)/tk*rr*n+0.5*rd*n进行计算，其中:rr表示参考光纤长度，rr＝80.323m；rd表示延迟光纤的长度，rd＝20.629m；n表示上述光纤的折射率，n＝1.467。测量的10组数据见表1：组别ttrr/mrd/mnr/m1248083194514780.32320.6271.46730.1583082248086194517580.32320.6271.46730.1582743248076194510180.32320.6271.46730.1582404248079194512380.32320.6271.46730.1582525248080194512880.32320.6271.46730.1582746248078194511080.32320.6271.46730.1582917248073194506680.32320.6271.46730.1583298248082194512880.32320.6271.46730.1583959248075194507980.32320.6271.46730.15834910248081194513380.32320.6271.46730.158296表1：测距结果由表1可知，10组测距数据分别为30.158310m、30.158275m、30.158239m、30.158257m、30.158275m、30.158292m、30.158328m、30.158396m、30.158346m、30.158292m，各数据之间连线见图7，10组测距数据的距离平均值为30.158301m，标准差为46μm。现有技术中，基于等光频重采样调频连续波测距装置在约30m的距离上得到的测量标准差在300μm～500μm之间，可见，本发明应用于远距离高精密度测距时仅适用两盘较短的光纤，而且重复测量时的精密度更高。本发明中，将激光发射单元、测量光纤光路、参考光纤光路、波长检测光路、数据采集处理单元等集成在一起，激光发射单元用于输出调频激光，测量光纤光路内并联有一延时光纤并产生一个拍频信号，参考光纤光路产生另一个拍频信号，波长检测光路产生吸收谱信号，数据采集处理单元用于接收采集所述测量光纤光路、参考光纤光路和波长检测光路输出的两个拍频信号和吸收谱信号并计算出测量距离。延迟光纤拓展了测量距离，波长检测光路提高了测量结果的精密度，相对于现有的调频连续波实验装置和测距方法，本发明可以在不增加参考光纤长度的情况下实现远距离测量，并且可以使用波长检测光路精确测定实际扫描的波长范围，提高测量的精密度。当前第1页12