一种高精度激光测距装置与测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光学检测技术领域，特别是涉及一种基于光纤光路波导调制的高频偏 振调制测距装置与测量方法。
【背景技术】
[0002] 大尺寸空间绝对精密测距是我国大型装备制造中的一项重要关键技术。传统的绝 对距离测量法包括脉冲飞行时间法、相位测距法、多波长干涉法、调频连续波测量法等等。 但是，脉冲飞行时间法和相位测距法的测量精度无法满足精密测距的精度要求；多波长干 涉法和调频连续波测距法对测量光的稳定性要求很高，抗干扰性差，无法满足工业现场测 量的需求。
[0003] 瑞士莱卡公司提出的基于菲索齿轮测光速的测距方法将出射波和回波的相位差 信息转化为光强信息，并寻找零相差点的调制频率，最后解算距离信息，该测距方法具有较 高的测量精度。但是这种方法对空间光路中光线的准直有极高的要求，且所用空间光调制 器受到驱动电压和调制带宽的限制，稳定性较低，使得测量范围受到限制。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本发明的目的在于提出一种高精度激光测距装置与测量方法，以解决 传统相位测距法中鉴相精度低的问题，从而提高测量精度和测量系统的稳定性。
[0005] 基于上述目的，本发明提供了一种测距装置，包括由左至右依次设置的激光器、光 纤隔离器、光纤光分束器、光纤偏振光分束器、偏振调制器、方波扫频信号源、光纤耦合器和 反射镜。
[0006] 在本发明的一些实施例中，所述激光器用于发出P型线偏光，所述光纤隔离器用于 隔离后向P型线偏光，使前向P型线偏光传输至光纤光分束器，所述光纤光分束器作为能量 分束器，用于将P型线偏光传输至光纤偏振光分束器，所述光纤偏振光分束器用于将P型线 偏光传输至偏振调制器，同时用于将返回的P型线偏光传输至所述光纤光分束器。
[0007] 在本发明的一些实施例中，所述偏振调制器用于改变光的偏振态，形成P型和S型 周期性交替的偏振光，同时将光传输至光纤耦合器，所述光纤耦合器用于将光传输至反射 镜，所述反射镜用于将光反射至所述光纤耦合器，所述光纤耦合器用于将光传输至偏振调 制器；
[0008] 所述方波扫频信号源用于向所述偏振调制器施加交变电平信号。
[0009] 在本发明的一些实施例中，所述偏振调制器为波导型调制器，所述方波扫频信号 源产生的驱动电压达到偏振调制器的半波电压。
[0010] 可选地，所述反射镜可以为金属镀膜的角锥棱镜，所述金属可以为铂、铬、铑或铱 等金属，以实现偏振光在反射前后的偏振保持。
[0011] 在本发明的一些实施例中，所述测距装置还包括光纤1/4波片，所述光纤1/4波片 位于光纤偏振光分束器、偏振调制器之间，用于将出射线偏振光转化成圆偏振光。经调制器 调制后产生左旋和右旋交替的圆偏振光在大气中传播，并将经调制器二次调制后的后向圆 偏振还原为线偏振光。圆偏振光受到大气影响较线偏振光小，因而更有利于提高测距精度。
[0012] 在本发明的一些实施例中，所述测距装置还包括第一光电探测器和第二光电探测 器，所述第一光电探测器用于接收光纤偏振光分束器传来的光电压信号，所述第二光电探 测器用于接收光纤光分束器传来的光电压信号。
[0013] 在本发明的一些实施例中，所述测距装置还包括测量控制单元，用于处理第一光 电探测器、第二光电探测器输出的电压信号；同时对方波扫频信号源进行扫频控制，并采集 频率值进行待测距离的解算。
[0014] 在本发明的一些实施例中，所述待测距离
[0015] 其中，C为光速；
[0016] &为第一光电探测器输出低电平，第二光电探测器输出高电平时的调制频率；
[0017] f2为基于第一光电探测器输出低电平，第二光电探测器输出高电平，继续对调制 频率进行单向扫频后，第二光电探测器输出的脉冲信号脉宽逐渐减小，直到脉冲信号消失， 电压恒为零，第一光电探测器输出脉宽逐渐变大的脉冲信号直到电压值最大，此时第二光 电探测器输出低电平，第一光电探测器输出高电平时的调制频率。
[0018] 本发明还提供一种采用上述测距装置进行的测量方法，包括以下步骤：
[0019] 令激光器发出的P型线偏光进入自由空间到达反射镜后返回所经历光程为2D，其 中D为待测距离；
[0020] 对偏振调制器的调制频率进行单向扫频，若在调制频率h下光程2D为调制波长的 整数倍，则经过再次调制的光全部为P型偏振光，第一光电探测器输出低电平，第二光电探 测器输出高电平，则
[0022] 其中，C为光速，见为正整数；
[0023]继续对调制频率进行单向扫频，扫频中，第二光电探测器输出的脉冲信号脉宽逐 渐减小，直到脉冲信号消失，电压恒为零，第一光电探测器输出脉宽逐渐变大的脉冲信号直 到电压值最大，此时第二光电探测器输出低电平，第一光电探测器输出高电平时的调制频 率，此时在调制频率f2下，光程2D为调制波
[0027]由上式可知，被测距离D的测量精度由调制频率Π 和f2的数量级及测量精度决定。 目前，频率测量精度远高于鉴相精度，因此，本发明提供的测量方法能够提高被测距离D的 测量精度。
[0028] 从上面的所述可以看出，本发明提供的基于光纤光路波导调制的测距装置以及测 量方法，通过探测光强极小值来寻找相位零点，解决了传统相位测距法中鉴相精度低的问 题，同时利用波导型调制器的宽带特性，也解决了空间光偏振调制测距中光路复杂，调制带 宽小、因而测距范围受限的问题。本发明简化了测量装置，提高了测量精度和测量系统的稳
【附图说明】
[0029] 图1为本发明实施例的测距装置的结构示意图；
[0030] 图2为本发明实施例的第一次调制波和第二次调制波的比相结果。
[0031 ] 其中：1-激光器，2-光纤隔离器，3-光纤光分束器，4-光纤偏振光分束器，5-光纤1/ 4波片，6-偏振调制器，7-方波扫频信号源，8-光纤耦合器，9-反射镜，10-第一光电探测器， 11-第二光电探测器，12-测量控制单元。
【具体实施方式】
[0032]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。
[0033]需要说明的是，发明实施例中所有使用"第一"和"第二"的表述均是为了区分两个 相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见"第一""第二"仅为了表述的方便，不应理 解为对发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
[0034] 参见图1，其为本发明实施例的测距装置的结构示意图。作为本发明的一个实施 例，所述高频圆偏振调制测距装置包括激光器1、光纤隔离器2、光纤光分束器3、光纤偏振光 分束器4、偏振调制器6、方波扫频信号源7、光纤耦合器8和反射镜9,如图1所示，所述激光器 1、光纤隔离器2、光纤光分束器3、光纤偏振光分束器4、偏振调制器6、方波扫频信号源7、光 纤耦合器8和反射镜9由左至右依次设置。
[0035] 所述激光器1用于发出P型线偏光，所述光纤隔离器2用于隔离后向P型线偏光，避 免对激光器1产生损伤，同时使前向P型线偏光传输至光纤光分束器3。所述光纤光分束器3 作为能量分束器，用于将P型线偏光传输至光纤偏振光分束器4,同时将回光引入第二光电 探测器11。所述光纤偏振光分束器4用于将P型线偏光传输至偏振调制器6,同时用于将返回 的P型线偏光传输至光纤光分束器3、并将S型线偏光引入第一光电探测器10。
[0036] 所述偏振调制器6用于改变光的偏振态，形成P型和S型周期性交替的偏振光，同时 将光传输至光纤耦合器8,所述光纤耦合器8用于将光传输至反射镜9,所述反射镜9用于将 光反射至所述光纤耦合器8,所述光纤耦合器8用于将光传输至偏振调制器6。可选地，所述 反射镜9可以为金属镀膜的角锥棱镜，所述金属可以为铂、铬、铑或铱等金属，以实现偏振光 在反射前后的偏振保持。
[0037] 所述方波扫频信号源7用于向偏振调制器6施加交变电平信号，即偏振调制器6由 方波扫频信号源7产生的交变电平信号驱动，方波扫频信号源7产生的驱动电压须达到偏振 调制器6的半波电压。
[0038] 优选地，所述偏振调制器6为波导型调制器，半波电压小，不会产生太大的功率。在 本发明的一个较佳实施例中，所述测距装置还包括光纤1/4波片5,所述光纤1/4波片5位于 光纤偏振光分束器4、偏振调制器6之间，用于将线偏振光转化成圆偏振光（即将P型线偏振 光转化成圆偏振光），圆偏振光收到大气影响较线偏振光小，因而更有利于提高测距精度。 [0039] 较佳地，所述测距装置可以进一步包括第一光电探测器10和第二光电探测器11， 所述光纤光分束器3同时将回光引入第二光电探测器11，所述第二光电探测器11则用于接 收光纤光分束器3传来的光电压，所述光纤偏振光分束器4同时将S型线偏光引入第一光电 探测器10,所述第一光电探测器10用于接收光纤偏振光分束器4传来的光电压信号。优选 地，所述第一光电探测器10和第二光电探测器11性能完全一样，都可以为高速光电探测器。
[0040] 在本发明的一个较佳实施例中，所述测距装置还包括测量控制单元12,所述测量 控制单元12用于处理第一光电探测器10、第二光电探测器11输出的电压信号，以进行往返 波的相位比对;同时对信号源7进行扫频控制，并采集频率值进行待测距离的解算。
[0041] 可见，自激光器发出P型线偏光后，P型线偏光依次通过光纤隔离器2、光纤光分束 器3、光纤偏振光分束器4和光纤1/4波片5,而从反射镜9反射的光中，从光纤偏振光分束器 4_光纤光分束器3-光纤隔离器2这条光路只存在P型线偏振光(S型偏振光被光纤偏振光分 束器4分离掉了），并通过第二光电探测器11检测。
[0042] 需要说明的是，偏振调制器6利用了其双折射晶体的电致双折射效应，只有在高电 平时，偏振调制器6才会起作用，改变其偏振态，因此施加