基于二次偏振的高精度绝对距离测量装置及其测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于二次偏振调制的高精度绝对距离测量装置，由光路部分和电路部分构成。1550nm激光器产生的激光光束自环形器1口进入，2口出射到偏振分束器起偏，经过相位调制器调制后，往返两次经过光纤准直器、1/4波片，以及一次经过反射镜反射后经过相位调制器进行二次调制；光信号在偏振分束器上偏振干涉，偏振分束器输出光强信号；微控制器控制高频微波源的调制频率输出，微控制器采集A/D转换器的数字数据；每改变一次高频微波源的调制频率输出，微控制器均采集一次A/D转换器的数字数据，从而得到输出光强信号与调制频率的扫频曲线，利用扫频曲线上两个相邻的信号强度极小值点对应的调制频率极值点从而得到被测距离。
【专利说明】
基于二次偏振的高精度绝对距离测量装置及其测量方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种偏振调制测距系统，该测距系统结构紧凑、抗环境干扰能力强，可 应用于航空航天等各种技术领域。
【背景技术】
[0002] 在科学技术的飞速发展中，对距离测量技术的要求越来越广泛，尤其在军事、大地 大气探测、机器人技术、航天航空、大型科学仪器、大型设备的制造与生产、大型设备的装配 等各个方面，都对测距技术的发展和应用提出了越来越高的要求。
[0003] 大型设备科学仪器的制造与装配过程中，对激光测距的精度要求较高。这是由于 加工与装配的精度是由测距精度直接决定的。几何测量的精度成为了决定制造装配精度的 一个重要约束条件。而目前随着火箭、轮船、飞机等大型设备对装配精度要求的不断提高， 对大量程高精度的激光测距技术的测距精度也提出了更高的要求。如在飞机的装配过程 中，为了提高装配的效率，都是通过建立各个方向的测量场的办法来实现整个装配过程的。 所谓的测量场就是说，建立相互坐标已经精确测定的坐标基准，通过测量各个部件与这些 基准的相对距离从而确定各个部件之间的相对位置信息，进而实现高精度的装配。
[0004] 传统的激光测距原理共分为3类:脉冲飞行时间法、相位法和干涉法。
[0005] 脉冲飞行时间法测距是激光在测距领域的最早应用，利用了激光脉冲持续时间极 短、瞬时功率很大的特点，有着很大的测试范围。但其测试精度与分辨率却很低，限制了其 发展应用。
[0006] 相位法激光测距是利用发射的调制光和被测目标反射的接收光之间的相位差包 含的距离信息，来实现对被测目标距离的测量。其测试精度受到调制频率高低和鉴相精度 的影响，而且存在模糊距离，需要采用多频率调制的办法来扩展测量的范围。
[0007] 干涉法测距是经典的精密测距方法，原则上它也是一种相位法测距，但它不是通 过测量激光调制信号的相位差，而是测量光波本身的相位干涉来测距。但传统的干涉法在 测量时只能得到距离的相对变化，无法获取真实的距离信息。在大量程绝对距离测量中需 要采用多个波长测量的方法，即合成波长法或者调频光源法。
[0008] 其中相位法激光测距技术由于其测量精度高等优点广泛的应用在精密测距领域， 而相位法激光测距技术的测距精度直接取决于鉴相的精度。目前常见的鉴相技术中，鉴相 精度有限，且相位法测距存在模糊距离问题，因此想要提升相位法激光测距的测距精度便 要牺牲相位激光测距的量程。这使得相位法激光测距在大量程、高精度方面遇到技术难题。
【发明内容】
[0009] 针对现有技术存在的问题，本发明提出一种基于二次偏振的高精度绝对距离测量 装置及其测量方法，本发明利用偏振调制抗干扰能力强，鉴相电路简单，附加相移噪声小等 优势，用偏振光的干涉解调过程代替了传统相位法激光测距技术中的模拟鉴相过程，同时 应用小步长改变调制频率，微波源扫频测量的方法解决了相位测距系统中的模糊距离问 题。本发明测距系统的结构紧凑，体积小，精度高，抗干扰能力强，实用性广泛，对于工业测 控、精密仪器制造等各个领域的发展都有一定的促进作用。
[0010] 为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于二次偏振调制的高精度绝对距离 测量装置，由光路部分和电路部分构成，其中：光路部分包括依次布置的一个1550nm波长激 光光源、一个环形器、一个偏振分束器、一个偏振控制器、一个相位调制器、一个光纤准直 器、一个1/4波片和一个反射镜系统;所述电路部分包括一个光电探测器、一个A/D转换器、 一个高频微波源和一个微控制器;所述环形器包括有1 口、2 口和3 口；所述1550nm波长激光 光源与所述环形器的1 口相连，所述环形器的2 口连接至所述偏振分束器，所述光电探测器 与所述环形器3 口相连。
[0011] 利用上述基于二次偏振的高精度绝对距离测量装置的测量方法，步骤如下：
[0012] 所述1550nm激光器产生的激光光束自所述环形器的1 口进入，并从2口出射;然后 经过所述偏振分束器起偏，通过所述偏振控制器控制起偏后的线偏光与所述相位调制器的 快轴呈45°角，经过所述相位调制器调制后的偏振光依次经过光纤准直器、1/4波片及反射 镜反射后再依次经过1/4波片、光纤准直器后，经过相位调制器进行二次偏振调制；光信号 携带着与被测距离D相关的相位信息在偏振分束器上偏振干涉，使得与被测距离D相关的相 位信息变成光强信息，所述偏振分束器输出光强信号；
[0013] 所述微控制器通过SPI通信控制所述高频微波源的调制频率输出，所述微控制器 采集所述A/D转换器的数字数据；以等步长改变高频微波源的调制频率输出，每改变一次高 频微波源的调制频率输出，所述微控制器均采集一次所述A/D转换器的数字数据，从而根据
下式得列絡山马fc·；因生丨I肺丧的与步页曲线：
[0014] ⑴
[0015] 式⑴中，！表示信号强度;k为相位调制器(5)的调制度，L为被测距离，单位(单位 m; c为光速，单位m; f为调制频率，单位Hz;
[0016] 当被测距离D为调制频率A对应半波长的N倍时，被测距离D与调制频率心的关系式 为：
[0017] (2)
[0018] 式(2)中，N为半波长整数倍;A1为调制频率为h时对应的微波波长，单位m; h为信 号强度极小值点对应的调制频率极值点，单位Hz;
[0019] 当实测距离D为调制频率f2对应半波长的N+1倍时，被测距离D与调制频率f2的关系 式为：
[0020] (3)
[0021 ]式(3)中，λ2为调制频率为f2时对应的微波波长，单位m; ￡2为信号强度极小值点对 应的调制频率极值点，单位Hz。
[0022] 通过扫频曲线得到扫频曲线上两个相邻的信号强度极小值点对应的调制频率极 值点将式(2)和式(3)联立，从而得到被测距离D。
[0023] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0024] (1)本发明利用偏振光分量干涉解调的过程实现传统相位法激光测距技术当中的 模拟鉴相过程。一般的模拟鉴相系统都会通过混频与低通滤波来将高频率的输入信号转变 为低频率的信号或者直流信号进行鉴相。两路相位信息不同的信号首先通过乘法器后，可 以得到两路信号的乘积信号，也就是得到了频率为两个信号频率之和与两路信号频率之差 的两个信号相加或者相减，然后再通过带通滤波器将此信号滤出去高频部分，得到乘积信 号中的低频部分，即两信号频率之差的信号。而基于二次偏振调制的测距系统中的偏振干 涉的过程相当于鉴相系统中的混频过程，低速光电探测器则起到了模拟鉴相方法中低通滤 波的作用。最终输出信号为与两路信号相位差相关的余弦函数。此过程较传统的鉴相过程， 简化了鉴相电路，减小了器件引入的附加相移噪声，使得测量精度大大提高。
[0025] (2)本发明解决了传统相位法激光测距技术中的模糊距离问题。相位法激光测距 过程中，如果被测距离为微波波长的整数N倍，N>1时，会存在模糊距离问题，无法准确得到 测距结果。本发明结合了微波源变步长扫频的测量方法，通过算法解决了模糊距离问题，实 现了绝对距离测量技术。
[0026] 本发明的结构简单，抗干扰能力强，体积小巧，应用范围广泛。克服了激光干涉测 距仪应用环境苛刻，测程范围小的问题。同时又能够满足高测距精度的要求。可以广泛的应 用于工业、航空航天领域。
[0027] (3)本发明操作简单易行，基于上述优点，本发明可广泛应用于工业测控，精密仪 器制造等领域，此外由于本测距系统抗干扰能力强，隐蔽性好，在军事领域也有着极好的应 用前景。
【附图说明】
[0028] 图1为本发明基于二次偏振的高精度绝对距离测量装置结构框图。
[0029]图2为本发明基于二次偏振的高精度绝对距离测量方法中得到的扫频结果图。 [0030]图中：
[0031] 1-激光器 2-环形器 3-偏振分束器
[0032] 4-偏振控制器 5-相位调制器 6-望远镜系统
[0033] 7-1/4波片 8-光电探测器 9-微波源
[0034] 10-A/D转换器 11-微控制器 12-反射镜
【具体实施方式】
[0035]下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体 实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
[0036]众所周知，对光信号在每个器件作用下的偏振态进行分析整个过程分别用琼斯矩 阵表示为：晶体电光调制器会在线偏光Y轴分量上调制微波信号dke°s(GJt)，偏振矩阵为
经过第一次调制后的光经过1 /4波片，1 /4波片的快轴与y轴正方向的夹角为 45°，其偏振矩阵
之后偏振光经过反射镜反射，X轴方向偏振分量反转，Y轴方向偏 振态保持，偏振矩阵可表示，
反射回来的偏振光再次经过1/4波片以及相位调制 器，由于1/4波片的快轴此时与X轴正方向夹角变为-45°，因此偏振矩阵为
相位 调制器进行二次调制的过程中，微波信号由于光信号的飞行时间有了相位的超前，在Y轴偏 振分量上调制一个信号为，偏振矩阵表不爻
[0037] 上述过程可以用琼斯矩阵表示为：
[0038]
[0039] 最终反射回来的偏振光的X轴分量与Y轴分量在PBS进行偏振干涉，可以用公式表示为：
[0040]
[0041] 上式中仍然存在COt这一项，光强依然随着时间的变化而变化，因此不能够清晰的 表示输出的光强信号与相位超前量之间的关系。在假设调制系数k并不大的情况下，对此公 式进行简化：
[0042]
[0043] 由于光电探测器的速度不高，相当于低通滤波，对信号强度做积分，因此公式可以 表示为
[0044]
[0045] 其中f与调制频率f的关系可以表示为：
[0046]
[0047] 因此最终得到光电探测器探测光强信号与调制频率呈余弦关系：
[0048]
[0049] 基于以上的理论推导，本发明设计出如图1所示的一种基于二次偏振调制的高精 度绝对距离测量装置，由光路部分和电路部分构成。
[0050] 光路部分包括依次布置的一个1550nm波长激光光源1、一个环形器2、一个偏振分 束器3、一个偏振控制器4、一个相位调制器5、一个光纤准直器6、一个1/4波片7和一个反射 镜系统12。
[0051] 所述电路部分包括一个光电探测器8、一个A/D转换器10、一个高频微波源9和一个 微控制器11。
[0052] 所述环形器2包括有1 口、2 口和3 口；所述1550nm波长激光光源1与所述环形器2的1 口相连，所述环形器2的2 口连接至所述偏振分束器3，所述光电探测器8与所述环形器23 口 相连。
[0053]利用如图1所示的本发明测量装置实现基于二次偏振的大量程高精度绝对距离测 量装置，并按照以下步骤：
[0054] 所述1550nm激光器1产生的激光光束自所述环形器2的1 口进入，并从2口出射;然 后经过所述偏振分束器3起偏，通过所述偏振控制器4控制起偏后的线偏光与所述相位调制 器5的快轴呈45°角，实现偏振调制，其中相位调制器对线偏振光Y轴偏振分量上的光调制度 较高，对X轴偏振分量上的光调制度较低。因此两个偏振分量上的相位差发生变化，使得线 偏振光变成椭圆偏振光，实现偏振调制。
[0055] 经过所述相位调制器5调制后的偏振光依次经过光纤准直器6、1/4波片7及反射镜 12反射后再依次经过1/4波片7、光纤准直器6后，经过相位调制器5进行二次偏振调制，上述 过程中，偏振光两次经过1/4波片7以及一次经过反射镜12反射后，会实现X轴与Y轴偏振分 量互换的过程。在二次调制的过程中，便是相位调制器5对线偏振光原X轴偏振分量上的光 调制度较高，对原Y轴偏振分量上的光调制度较低。光信号携带着与被测距离D相关的相位 信息在偏振分束器3上偏振干涉，使得与被测距尚D相关的相位信息变成光强信息，所述偏 振分束器3输出光强信号；
[0056]所述微控制器11通过SPI通信控制所述高频微波源9的调制频率输出，所述微控制 器11采集所述A/D转换器10的数字数据；以等步长改变高频微波源9的调制频率输出，每改 变一次高频微波源9的调制频率输出，所述微控制器11均采集一次所述A/D转换器10的数字 数据，从而根据下式得到输出光强信号与调制频率的扫频曲线。
[0057] 本发明测量方法为了解决模糊距离问题，在测量过程中是调制频率连续变化，即 小步长扫频的，将高频微波源9的调制频率输出等步长的逐渐增大。扫频过程中由于高频微 波调制频率不同，对应的偏振光相位差信息不同，最终体现在光强信号的数值差异上。图2 示出了调制频率在4.3G-4.4GHz范围内的扫频曲线。
[0058] (1)
[0059] 式（1)中，I表示信号强度;k为相位调制器5的调制度，L为被测距离，单位(单位m;c 为光速，单位m; f为调制频率，单位Hz;
[0060] 利用该扫频曲线得到被测距离D，具体内容如下：
[0061 ]在扫频过程中，微波波长λ随着调制频率f变化，当实测距离D为调制频率A对应半 波长的N倍时，探测信号强度为图2所示扫频曲线的极小值点，调制频率值h对应该极小值 点的极值点，当实测距离D为调制频率f 2对应半波长的N+1倍时，探测信号强度为扫频曲线 的相邻极小值点，调制频率值f2为对应该极小值点的极值点。通过测量得到两个扫频曲线 上相邻的极小值点对应的调制频率极值点即：
[0062]当被测距离D为调制频率A对应半波长的N倍时，被测距离D与调制频率心的关系式 为：
[0063] α)
[0064] 式(2)中，N为半波长整数倍;A1为调制频率为h时对应的微波波长，单位m;心为信 号强度极小值点对应的调制频率极值点，单位Hz;
[0065]当实测距离D为调制频率f2对应半波长的N+1倍时，被测距离D与调制频率f2的关系 式为：
[0066] (3)
[0067]式（3)中，A2为调制频卒为f2时对应的微波波长，单位m; f2为信号强度极小值点对 应的调制频率极值点，单位Hz。
[0068] 通过扫频曲线得到扫频曲线上两个相邻的信号强度极小值点对应的调制频率极 值点将式(2)和式(3)联立，从而得到被测距离D。
[0069] 综上，本发明测量方法的特点是：通过所得扫频曲线，找到两个调制频率极值点 fi、f2即可计算出测量距离D，进而消除了模糊距离带来的问题。
[0070] 本发明绝对距离测量装置及其测量方法中，通过优化系统参数、改进完善算法、提 高硬件模块噪声性能，最终测量精度能够达到ΠΓ 6。
[0071] 尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施 方式，上述的【具体实施方式】仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本 发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的 保护之内。
【主权项】
1. 一种基于二次偏振调制的高精度绝对距离测量装置，其特征在于，由光路部分和电 路部分构成，其中： 光路部分包括依次布置的一个1550nm波长激光光源（1)、一个环形器(2)、一个偏振分 束器(3)、一个偏振控制器(4)、一个相位调制器(5)、一个光纤准直器(6)、一个1/4波片（7) 和一个反射镜系统（12); 所述电路部分包括一个光电探测器(8)、一个A/D转换器（10)、一个高频微波源(9)和一 个微控制器(11); 所述环形器(2)包括有1 口、2 口和3 口；所述1550nm波长激光光源（1)与所述环形器（2) 的1 口相连，所述环形器(2)的2 口连接至所述偏振分束器(3 )，所述光电探测器(8)与所述环 形器(2)3 口相连。2. -种基于二次偏振的高精度绝对距离测量方法，其特征在于，利用如权利要求1所述 基于二次偏振的高精度绝对距离测量装置，并按照W下步骤： 所述1550nm激光器（1)产生的激光光束自所述环形器（2)的1 口进入，并从2口出射;然 后经过所述偏振分束器(3)起偏，通过所述偏振控制器(4)控制起偏后的线偏光与所述相位 调制器(5)的快轴呈45°角，经过所述调制后的偏振光依次经过光纤准直器(6)、1/4波片(7) 及反射镜（12)反射后再依次经过1/4波片（7)、光纤准直器(6)后，经过相位调制器(5)进行 二次偏振调制;光信号携带着与被测距离D相关的相位信息在偏振分束器(3)上偏振干设， 使得与被测距离D相关的相位信息变成光强信息，所述偏振分束器(3)输出光强信号； 所述微控制器（11)通过SPI通信控制所述高频微波源(9)的调制频率输出，所述微控制 器（11)采集所述A/D转换器（10)的数字数据；W等步长改变高频微波源(9)的调制频率输 出，每改变一次高频微波源(9)的调制频率输出，所述微控制器（11)均采集一次所述A/D转 换器(10)的数字数据，从而根据下式得到输出光强信号与调制频率的扫频曲线：(1) 式（1)中，I表示信号强度;k为相位调制器(5)的调制度，L为被测距离，单位(单位m;c为 光速，单位m; f为调制频率，单位化； 当被测距离D为调制频率fi对应半波长的N倍时，被测距离D与调制频率fi的关系式为：(2) 式(2)中，N为半波长整数倍;λι为调制频率为fi时对应的微波波长，单位m;fi为信号强 度极小值点对应的调制频率极值点，单位Hz; 当实测距离D为调制频率f2对应半波长的N+1倍时，被测距离D与调制频率f2的关系式 为：(3) 式(3)中，λ2为调制频率为f2时对应的微波波长，单位m;f2为信号强度极小值点对应的 调制频率极值点，单位化； 通过扫频曲线得到扫频曲线上两个相邻的和f2,将式(2)和式(3)联立，从而得到被测距 离D。
【文档编号】G01S17/32GK105938198SQ201610412017
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年6月12日
【发明人】于晋龙, 肖洋, 王菊, 吴炳阳, 朱煦然, 赵博雅, 汤轲, 李天宇
【申请人】天津大学