一种长距离高精度测距系统及测距方法与流程

本发明涉及激光精密测量领域，尤其涉及一种基于电光调制飞秒光梳的长距离高精度测距系统及测距方法。

背景技术：

长距离高精度激光测距是激光雷达、卫星精密编队飞行、大尺寸精密装配等领域不可或缺的关键技术。传统激光测距方法分为非相干探测和相干探测。非相干探测利用飞行时间法，受限于计时精度，无法满足微米级高精度测距要求；相干探测利用激光干涉测量技术，尽管测量精度可达微纳米，但是测量量程不够大，且测量过程是基于目标的相对测量，不能实现绝对测距。传统激光测距技术难以满足长距离高精度测距要求，必须寻求新的测距手段，突破现有测距技术瓶颈，实现长距离高精度绝对距离测量。

飞秒激光频率梳的出现提供了一种有效的方法来突破传统激光测距中的高精度和大量程之间的技术瓶颈。得益于其时间频率的高稳定性，利用飞秒光梳进行高精度绝对距离测量方案相继被提出来。2000年，日本aist的k.minoshima等人首次利用飞秒激光频率梳多波长干涉法，在240m的绝对距离实现了50μm的测量精度，但光路结构复杂。2004年，美国jila实验室叶军提出非相干飞行时间和相干条纹辨析法，但长距离传播中重复频率计时跳动和脉冲载波包络相位抖动噪声会引起包络干涉条纹对比度的下降，影响测距精度。2010年，韩国kaist的j.h.lee等人基于互相关技术的时间飞行法测量原理，实现了对0.7km的室外目标allan方差仅为7nm的测量，但该方法需要调谐重频至测量脉冲和参考脉冲重合，存在测量死区。

综上所述，传统激光测距技术难以突破长距离和高精度测距，而现有基于飞秒光梳的测距方法尽管能满足长距离和高精度测量要求，但光路结构复杂，需异步操作(调节激光器重复频率)，信号处理流程复杂，存在测量死区。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种长距离高精度测距系统及测距方法，克服传统激光测距无法同时兼顾测量距离和测量精度的缺点，以及现有飞秒激光测距光路结构复杂、需异步操作、存在测量死区的缺点。

为了达到上述目的，本发明提供一种长距离高精度测距系统，包含：飞秒激光测距光路和多路同步相位测量与距离解算电路；

所述飞秒激光测距光路包含：调制光源和迈克尔逊型干涉仪，所述光源是经过光纤电光调制器调制的飞秒激光脉冲，所述迈克尔逊型干涉仪作为测距光路，分别获得参考光路的参考信号和测量光路的测量信号；

所述多路同步相位测量与距离解算电路获取测量信号和参考信号之间的相位差，并进行多路测距数据融合与距离解算。

所述调制光源中，飞秒激光器作为初始光源，原子钟作为参考频率基准，所述原子钟的一路信号经重频稳定模块锁定飞秒激光器的重复频率，所述原子钟的另一路信号经频率综合器产生频率为fm的调制信号来驱动光纤电光调制器。

所述测距光路中，经光纤电光调制器调制的飞秒激光脉冲经过偏振分束器后分成两束相互垂直的线偏光，一束线偏光作为参考光进入参考光电探测器转换为参考信号，另一束线偏光通过1/4波片变成圆偏光，进入扩束系统，入射到零点位置或目标靶球后原路返回，作为测量光进入扩束系统缩束，再经1/4波片变成与原偏振方向垂直的线偏光进入测量光电探测器转换为测量信号。

所述测距光路中，所述扩束系统包含凹面镜和凸面镜。

所述零点位置包含置于线性平移台的反射镜，所述零点位置位于所述扩束系统和所述目标靶球之间。

所述多路同步相位测量与距离解算电路包含：分别连接所述参考光电探测器输出端和所述测量光电探测器输出端的采样变换电路，以及分别连接所述采样变换电路输出端的信号处理和距离解算电路；所述采样变换电路对参考信号或测量信号进行高速模拟数字采样，并进行傅里叶变换，获取相位信息；所述信号处理和距离解算电路利用参考信号和测量信号的相位差进行多路测距数据融合与距离解算。

本发明还提供一种长距离高精度测距方法，包含以下步骤：

步骤s1、搭建长距离高精度测距系统，通过光纤电光调制器调制飞秒激光脉冲，获取低频信号fm、基频信号fr和高次谐波信号nfr；

步骤s2、将零点位置反射镜移入飞秒激光测距光路的测量光路，测量光入射到零点位置反射镜，多路同步相位测量与距离解算电路获取参考光路光电转换后的低频信号fm、基频信号fr和高次谐波信号nfr与测量光路光电转换后的低频信号fm、基频信号fr和高次谐波信号nfr之间的相位差，并进行多路测距数据融合与距离解算，得到零点距离d0；

步骤s3、将零点位置反射镜移出飞秒激光测距光路的测量光路，测量光入射到目标靶球，多路同步相位测量与距离解算电路以与步骤s2的相同方式获取参考光路的低频信号fm、基频信号fr和高次谐波信号nfr与测量光路光电转换后的低频信号fm、基频信号fr和高次谐波信号nfr之间的相位差，并进行多路测距数据融合与距离解算，得到目标距离dm；

步骤s4、多路同步相位测量与距离解算电路得到绝对距离值dabs＝dm-d0。

获取测距数据的方法包含以下步骤：

低频信号fm粗测距离值

基频信号fr的测距结果为

高次谐波信号nfr的精测距离结果为

其中，ng为空气折射率，c为光速，参考光路的低频信号fm、基频信号fr和高次谐波信号nfr与测量光路光电转换后的低频信号fm、基频信号fr和高次谐波信号nfr之间的相位差分别为均在[0,2π]区间内，三个频率测尺对应的测程dfm、dfr、dn分别为：

进行多路测距数据融合的方法包含以下步骤：

首先对低频信号粗测距离值d1和基频信号的测距结果d2进行衔接，采用置中运算算法，求得利用基频信号fr测距结果整数部分floor表示向下取整，则利用基频信号fr的解模糊测距结果为d2inter＝n1·dfr+d2；

利用d2inter的测距结果与高次谐波信号nfr的精测距离d3衔接，采用置中运算算法，求出高次谐波信号nfr测距结果的整数部分则利用高次谐波信号nfr的绝对距离精测值为dfine＝n2·dn+d3。

本发明采用光纤电光调制器(eom)对飞秒光梳进行强度调制、高速光电探测器进行光电转换，得到低频调制信号fm以及飞秒光梳的一系列拍频信号(微波频率梳)。分别将测距光路零点位置反射镜移入和移出测距光路，通过高速ad采样以及fft鉴别测量信号与参考信号之间低频调制信号fm、飞秒激光基频信号fr和高次谐波信号nfr的相位差，可在长距离范围内得到粗测和精测距离信息。采用多测尺同步测量、多测尺数据融合的方式，可突破时间分辨率高和测量范围小的技术瓶颈，完成长距离和高精度的绝对距离解算。利用零点补偿参考信号和测量信号因光程差和电信号延时引起的偏差。本发明无需调节激光器重复频率即可完成长距离高精度测量，信号处理和距离解算简单，结构稳定，实时性好，可满足航天精密编队飞行、大尺寸精密装配等任务需求，具有实用性，易于推广。

附图说明

图1为本发明提供的一种长距离高精度测距系统的示意图。注：图中绝对距离dabs为零点到目标靶球的距离。

图2为光纤eom调制飞秒光梳经光电探测器后的频谱。注：filter1、filter2和filter3分别为中心频率为fm，fr和nfr的带通滤波器，低频信号fm、基频信号fr和高次谐波信号nfr旁边会出现很多边带，且频率间隔为fm。

图3为低频信号fm、基频信号fr和高次谐波信号nfr测距衔接示意图。

图4为本发明提供的一种长距离高精度测距方法的流程图。

具体实施方式

以下根据图1～图4，具体说明本发明的较佳实施例。

如图1所示，本发明提供一种长距离高精度测距系统，包含：飞秒激光测距光路和多路同步相位测量与距离解算电路。

所述飞秒激光测距光路包含：调制光源和迈克尔逊型干涉仪，所述光源是经过光纤电光调制器调制的飞秒激光脉冲，所述迈克尔逊型干涉仪作为测距光路。

所述调制光源中，采用飞秒激光器3作为初始光源，原子钟1作为参考频率基准，所述原子钟1的一路信号经重频稳定模块2锁定飞秒激光器3的重复频率，所述原子钟1的另一路信号经频率综合器4产生频率为fm的rf调制信号来驱动光纤电光调制器(eom)5。

所述测距光路中，经光纤电光调制器(eom)5调制的飞秒激光脉冲经过偏振分束器(pbs)6后分成两束相互垂直的线偏光，一束线偏光进入参考光电探测器7，另一束线偏光通过1/4波片9变成圆偏光，再进入由凹面镜10和凸面镜11构成的扩束系统。测量光激光束入射到目标靶球13的中心后原路返回，返回光返回至扩束系统缩束，再经1/4波片9变成与原偏振方向垂直的线偏光进入测量光电探测器14。所述参考光电探测器7和所述测量光电探测器14用于将光信号转化为电信号，为后续多路同步相位测量电路提供输入信息。在测距光路中设置测距的零点位置，所述零点位置位于所述扩束系统和所述目标靶球13之间，紧邻扩束系统。所述零点位置由置于线性平移台的反射镜12构成，通过将反射镜12移入和移出测距光路，利用零点补偿参考信号和测量信号因光程差和电信号延时引起的偏差。

所述多路同步相位测量与距离解算电路包含：连接参考光电探测器7输出端的第一采样变换电路8，连接测量光电探测器14输出端的第二采样变换电路15，以及连接所述第一采样变换电路8输出端和所述第二采样变换电路15输出端的信号处理和距离解算电路16。经光电探测器转换的参考/测量电信号通过采样变换电路直接采样，获取参考/测量信号波形。值得注意的是，采样变换电路的高速ad采样率需满足奈奎斯特采样定理，即采样率大于2nfr，高速ad采样后，对所获取的信号进行傅里叶变换fft，获取相位信息并进行数字滤波，如图2所示，低频信号fm是由eom调制得到，基频信号fr和高次谐波信号nfr是飞秒光梳模间拍频本身存在的。信号处理和距离解算电路16分别得到低频信号fm、基频信号fr和高次谐波信号nfr三组参考/测量信号相位差数据，利用这三个频率信号的相位差进行多路测距数据融合与距离解算。需要注意的是，由于测量光光程比参考光大，得到的测量信号相位滞后于参考信号相位，也即三组参考/测量信号相位差在[0,2π]之间。如果fft解算的相位差小于零，需加2π。最后，由外部输入同步时钟信号，按照同步信号时序要求，在信号下降沿输出三组参考/测量信号的相位差信息。

如图3所示，经多路同步相位测量电路获取的低频信号fm、基频信号fr和高次谐波信号nfr三组相位差分别为均在[0,2π]区间内，三个频率测尺对应的测程dfm、dfr、dn分别为：

其中，ng为空气折射率，c为光速。低频信号fm决定测距范围，保证距离粗测，例如1mhz信号测距范围为～150m。高次谐波信号nfr决定最终测距精度，实现高精度测距，例如5次谐波1ghz信号测程为0.15m，相位测量精度1/3000，则测距精度为50μm。基频信号fr是用来衔接距离粗测和距离精测的结果，确保精测测尺整数部分能够被唯一确定，必须满足精测测程不小于粗测精度的两倍，例如200mhz测程～0.75m大于粗测1mhz测距精度(假设鉴相精度1/3000)0.05m的两倍。低频信号fm粗测距离值基频信号fr的测距结果为高次谐波信号nfr的精测距离结果为假设相位测量精度为r(r通常大于3000)，则测距精度为

接下来，根据三组测尺的测距结果d1，d2，d3进行距离衔接，完成测距结果解模糊，实现长距离高精度绝对距离解算。首先对低频信号粗测距离值d1和基频信号的测距结果d2进行衔接。根据测距范围，选择合适的低频信号fm，使得测距结果不存在模糊距离，即不大于低频信号fm的测尺。采用置中运算算法，求得利用基频信号fr测距结果整数部分floor表示向下取整，则利用基频信号fr的解模糊测距结果为d2inter＝n1·dfr+d2。接着，利用d2inter的测距结果与高次谐波信号nfr的精测距离d3衔接。同样地，采用置中运算，求出高次谐波信号nfr测距结果的整数部分则利用高次谐波信号nfr的绝对距离精测值为dfine＝n2·dn+d3，测距精度为至此，利用三路同步相位值，在长距离范围内实现了解模糊，完成了高精度测距。

如图4所示，本发明提供的一种长距离高精度测距方法，包含以下步骤：

步骤s1、搭建长距离高精度测距系统，通过光纤电光调制器调制飞秒激光脉冲，获取低频信号fm、基频信号fr和高次谐波信号nfr；

步骤s2、将零点位置反射镜移入飞秒激光测距光路的测量光路，测量光入射到零点位置反射镜，多路同步相位测量与距离解算电路获取参考光路光电转换后的低频信号fm、基频信号fr和高次谐波信号nfr与测量光路光电转换后的低频信号fm、基频信号fr和高次谐波信号nfr之间的相位差，并进行多路测距数据融合与距离解算，得到零点距离d0；

零点用于补偿参考信号和测量信号因光程差和电信号延时引起的偏差，从而完成长距离高精度绝对距离测量；

步骤s3、将零点位置反射镜移出飞秒激光测距光路的测量光路，测量光入射到目标靶球，多路同步相位测量与距离解算电路以与步骤s2的相同方式获取参考光路的低频信号fm、基频信号fr和高次谐波信号nfr与测量光路光电转换后的低频信号fm、基频信号fr和高次谐波信号nfr之间的相位差，并进行多路测距数据融合与距离解算，得到目标距离dm；

步骤s4、多路同步相位测量与距离解算电路得到绝对距离值dabs＝dm-d0。

本发明采用光纤电光调制器(eom)对飞秒光梳进行强度调制、高速光电探测器进行光电转换，得到低频调制信号fm以及飞秒光梳的一系列拍频信号(微波频率梳)。分别将测距光路零点位置反射镜移入和移出测距光路，通过高速ad采样以及fft鉴别测量信号与参考信号之间低频调制信号fm、飞秒激光基频信号fr和高次谐波信号nfr的相位差，可在长距离范围内得到粗测和精测距离信息。同时，采用多测尺同步测量、多测尺数据融合的方式，可突破时间分辨率高和测量范围小的技术瓶颈，完成长距离和高精度的绝对距离解算。此外，利用零点补偿参考信号和测量信号因光程差和电信号延时引起的偏差。本发明方法已经过实验验证，可在100m范围内实现精度优于80μm的测量。本发明无需调节激光器重复频率即可完成长距离高精度测量，信号处理和距离解算简单，结构稳定，实时性好，可满足航天精密编队飞行、大尺寸精密装配等任务需求，具有实用性，易于推广。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的，其中各部件的参数、连接方式、信号处理都是可以有所变化的，例如eom调制频率、激光器重复频率、fft相位解算等。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。