融合扫频和单频的光纤激光动态测距系统的制作方法

本发明属于激光测距技术领域，涉及融合扫频和单频的光纤激光动态测距系统。

背景技术：

目标绝对距离或位移的测量在诸多领域具有广泛的需求。扫频光纤激光测距技术具备测量精度高、抗干扰能力强、无测距模糊等优点，得到了广泛的研究和应用。扫频光纤激光测距系统原理如图1所示，扫频激光器将线性调频光通过耦合器注入光纤探头，光纤在光纤探头端面和被测目标表面反射分别形成的参考光和测量光；由于光纤探头端面和被测目标表面存在一定距离l，因此到达光电探测器的参考光和测量光存在一定的时间延迟τ，两者相干涉最终形成如(1)式所示的拍频信号s1(t)

式中a1表示信号强度、c表示光速、fs0为起始扫频频率、b为扫频带宽、t为扫频周期、为初始相位，l表示距离。通过估计信号s1(t)的频率，便可实现距离l的测量。在扫频周期t内，倘若距离l保持恒定，此方法能够实现高精度的绝对距离测量。但是，倘若扫频周期t内被测目标发生△l的位移，将产生多普勒效应的影响，这会使得测量误差达△l的几十至数百倍，难以实现对动态目标的高精度测量。

随着技术的发展，对动态非合作目标高精度的绝对距离测量需求日益增加。消除多普勒效应对扫频光纤激光测距精度的影响，提升其对动态目标的适应性对拓展其应用具有重要意义。针对此问题，下面提出一种融合扫频测距和单频测速的激光动态测距系统方案。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种融合扫频和单频的光纤激光动态测距系统。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种融合扫频和单频的光纤激光动态测距系统，该系统采用单频激光器及调频激光器提供两种不同的输入光，利用波分复用器w1将两种输入光进行融合，并通过耦合器到达光纤探头；两种频段的光束经光纤探头出射照射到振动目标表面，并由光纤探头端面和振动目标表面反射而形成各自的参考光和测量光；参考光和测量光再经过耦合器、光纤放大器、波分复用器后到达光电探测器，在光电探测器d1和光电探测器d2中分别获得调频测距信号和单频测速信号；最后通过同步数据采集模块将信号发送至信号处理模块进行融合处理。

进一步，所述单频激光器及调频激光器采用的光频段不一样，通过波分复用器的合并和分离后，两者互不影响，光电探测器d1处所获得的信号形式为

式中a2表示信号强度、v表示目标运动速度，为初始相位；为消除被测目标运动速度v(多普勒效应)对扫频测距信号测量精度的影响，在光电探测器d2处，同步获得由单频激光器产生测速信号；假设单频激光的光频率为fd0，单频光在光纤探头端面和被测目标表面反射分别形成的参考光和测量光，当动被测目标以速度v发生位移时，由于多普勒效应，测量光相对于参考光会发生一定的频移fdop＝2vfd0/c；并在光电探测器d2处干涉信号s3(t)

式中a3表示信号幅度，c表示光速，为初始相位；通过估计信号s3(t)的频率，获得被测目标运动速度的绝对值|v|；

为消除多普勒效应的影响，实现对动态目标绝对距离的准确测量，将从系统的处理软件上综合利用扫频测距信号s2(t)和单频测速信号s3(t)；

软件处理方法为：首先对扫频测距信号进行时频分析，通过速度判向原理对被测目标的运动方向进行判断；同时对单频测速信号频率进行估计获得目标运动速度的绝对值|v|；然后，综合|v|及其方向信息，获知被测目标运动的真实速度v；最后，利用多普勒补偿原理，消除多普勒效应的影响，解出距离l0。

进一步，所述系统中利用运动目标速度判向原理和多普勒效应补偿原理；

其中，运动目标速度判向原理为：

通过时频分析方法求出扫频测距信号s2(t)的瞬时频率分布为：

根据的斜率判断v的方向，当斜率为正时，被测目标远离光纤探头；当斜率为负时，被测目标接近光纤探头；

多普勒效应补偿原理为：

当通过单频测速信号s3(t)的频率解调出速度的绝对值|v|，以及通过速度判向原理判断出速度方向之后，获得距离l0为

式中f(s2)fft为信号s2(t)的频率。

本发明的有益效果在于：

1.融合扫频和单频的光纤激光动态测距系统硬件方案：利用波分复用法实现全光纤光路扫频测距与单频测速信号的同步测量，利用光纤放大器提升弱干涉信号的质量。

2.系统的软件处理方法：利用扫频信号判断单频测速方向的原理，利用单频测速信号对扫频测距信号进行多普勒效应影响补偿的原理。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为扫频光纤激光测距原理；

图2为融合扫频和单频的动态测距系统原理示意图；

图3为扫频和单频的融合测距系统的软件处理流程；

图4为采用时频分析法对速度v进行判向的示例；

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

硬件系统原理：

针对动态目标，提出一种如图2所示的动态测距系统方案。采用单频激光器及调频激光器提供两种不同的输入光，利用波分复用器w1将两种输入光进行融合，通过并通过耦合器到达光纤探头；两种频段的光束经光纤探头出射、照射到振动目标表面，并由光纤探头端面和振动目标表面反射而形成各自的参考光和测量光；参考光和测量光再经过耦合器、光纤放大器(光纤放大器可在信号较弱时选择性使用)、波分复用器后到达光电探测器，在光电探测器d1和光电探测器d2中分别获得调频测距信号和单频测速信号；最后通过同步数据采集模块将信号发送至信号处理模块进行处理。

由于单频激光器及调频激光器采用的光频段不一样，通过波分复用器的合并和分离后，两者互不影响，当被测目标以速度v发生运动时，光电探测器d1处所获得的信号为s2(t)。由于被测目标运动速度v(多普勒效应)的影响，仅通过解调s2(t)的频率难以保证测距精度。为此，在光电探测器d2处，将同步获得由单频激光器产生测速信号s3(t)。通过估计信号s3(t)的频率，便可实现被测目标的运动速度绝对值|v|的测量(注意，单利用s3(t)无法判别运动速度v的方向)。为消除多普勒效应对距离测量精度的影响，将进一步结合速度判向原理与多普勒补偿原理，从系统的处理软件上综合利用扫频测距信号s2(t)和单频测速信号s3(t)。

软件处理方法流程示例：

软件处理的流程图3所示，首先利用时频分析方法对扫频测距信号进行分析，通过速度判向原理对被测目标的运动方向进行判断；同时对单频测速信号频率进行估计获得目标运动速度的绝对值|v|；然后，综合|v|及其方向信息，便可获知被测目标运动的真实速度v；最后，结合速度v及扫频测距信号，利用多普勒效应补偿原理，便可消除多普勒效应的对动态距离测量精度的影响，准确解出距离l0。

运动目标速度判向示例：

根据公式(4)，利用扫频测距信号s2(t)的瞬时频率分布斜率的正负可以判断被测目标的运动方向。图4给出了一个对速度v进行判向的示例：从图4(a)和图4(b)中可以看出当v为正时，时频分布的斜率为正；从图4(c)和图4(d)中可以看出当v为负时，时频分布的斜率为负。

图4利用时频分析方法实现速度v的判向。图4(a)v为正时的扫频信号s2(t)；图4(b)v为正时的时频分布图；(c)v为负时的扫频信号s2(t)；图4(d)v为负时的时频分布图。

多普勒效应补偿示例：

当通过单频测速信号s3(t)的频率解调出速度的绝对值|v|，以及通过扫频测距信号判断出速度方向之后，可以利用(5)准确计算出距离l0，相比于不进行补偿时，解调误差可以减少例如，l0＝1mm,fs0＝100b,vt＝10μm,不补偿的情况误差将达到100％，而补偿后将大幅度地提高测量精度，提升对动态目标的适应性。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。