FMCW激光测距仪的标定系统和方法与流程

本发明涉及激光测距，尤其是指一种fmcw激光测距仪的标定系统和方法。

背景技术：

1、fmcw(frequency modulated continuous wave，调频连续波雷达)激光测距仪有着高精度、长距离、抗干扰等诸多优点，在高精密测量场景下有着越来越多的应用。相较于tof(time of flight，飞行时间)光测距，fmcw激光测距具有个几个数量级的精度优势；相较于三角法激光测距，fmcw激光测距不仅精度更高、而且探测范围更远。

2、目前，激光测距仪的校准大多是以标准尺为参考，多步移动测得标准尺读数yi和待测尺读数xi，然后通过最小二乘法求得标准尺读数和待测尺读数之间的拟合直线yi＝k*xi+b，根据拟合直线对激光测距仪进行校准。但是，该方法仅适用于温度恒定不变或低测量精度的场景。当测量时的温度发生变化，激光器的波长、光芯片波导的长度、折射率都会因热胀冷缩而发生变化，从而导致激光器测距结果产生误差。同时，温度精确值也无法通过外部值测得，测温探头无法进入激光器或光芯片内部，需要其他变量来间接测量。并且，当热膨胀系数在10^-5时，1m的距离会产生10um的偏差，无法满足高精度测量的需求。

技术实现思路

1、为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中的不足，提供一种fmcw激光测距仪的标定系统和方法，可以在不同温度下实现高精度的测量。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种fmcw激光测距仪的标定系统，包括恒温恒湿箱、温度控制模块、待标定测距仪、被测物、标准测距仪和距离调整模块，

3、所述温度控制模块、待标定测距仪、被测物、标准测距仪和距离调整模块均设于所述恒温恒湿箱内，所述待标定测距仪和所述标准测距仪的出射光束都投射在所述被测物上，所述温度控制模块调整所述待标定测距仪的工作温度，所述距离调整模块调整所述待标定测距仪和所述标准测距仪距离所述被测物的距离；

4、在不同的工作温度下和所述待标定测距仪、所述标准测距仪距离所述被测物的不同距离的情况下，通过测量所述被测物上光束的情况获取所述待标定测距仪的光模块的相位温度系数、波长温度系数和光芯片温度系数，对待标定测距仪进行校准。

5、在本发明的一个实施例中，所述距离调整模块包括三个二维调整架和位移平台，所述待标定测距仪、被测物、标准测距仪分别设在三个所述二维调整架上，设有所述被测物的二维调整架设于所述位移平台上；

6、所述被测物位于所述待标定测距仪和所述标准测距仪之间，所述位移平台通过移动所述被测物调整所述被测物距离所述待标定测距仪和所述标准测距仪的距离；

7、三个所述二维调整架调整所述待标定测距仪、被测物和标准测距仪的相对位置，使得所述待标定测距仪和所述标准测距仪的出射光束平行并垂直于所述被测物。

8、在本发明的一个实施例中，还包括光学平台，所述光学平台设于所述恒温恒湿箱内，设有所述待标定测距仪和所述标准测距仪的两个所述二维调整架设于所述光学平台上，设有所述被测物和一个所述二维调整架的所述位移平台设于所述光学平台上。

9、在本发明的一个实施例中，所述待标定测距仪包括光模块、控制及数据采集处理单元，所述光模块包括激光器和光芯片，所述激光器和光芯片分别包括测温探头；

10、所述温度控制模块设于所述待标定测距仪表面，在所述温度控制模块调整所述恒温恒湿箱内的温度时，所述测温探头探测所述激光器和光芯片的工作温度。

11、在本发明的一个实施例中，所述待标定测距仪的出射光束由所述激光器产生，所述激光器产生的光束使用非线性正弦波调制。

12、在本发明的一个实施例中，所述标准测距仪的精度优于所述待标定测距仪的精度，所述温度控制模块的精度小于等于0.1℃；所述恒温恒湿箱的温度为26℃±0.1℃、湿度为50±5％rh，所述恒温恒湿箱的压缩机外置，所述测温探头的精度小于等于0.1℃。

13、本发明还提供了一种fmcw激光测距仪的标定方法，包括以下步骤：

14、将待标定测距仪、被测物和标准测距仪设于恒温恒湿箱内，将所述待标定测距仪和所述标准测距仪的出射光束都投射在所述被测物上；

15、调整所述待标定测距仪的工作温度，调整所述待标定测距仪和所述标准测距仪距离所述被测物的距离；在不同的工作温度下和所述待标定测距仪、所述标准测距仪距离所述被测物的不同距离的情况下，通过测量所述被测物上光束的情况获取所述待标定测距仪的光模块的相位温度系数、波长温度系数和光芯片温度系数，对待标定测距仪进行校准。

16、在本发明的一个实施例中，所述光模块的相位温度系数dφ/dt的校准方法具体为：

17、调节待标定测距仪的工作温度使待标定测距仪的光模块发生温度变化，获取不同工作温度下待标定测距仪的光束的相位值φ和工作温度值t；

18、当整体调整的温度变化达到预设值后，使用最小二乘法拟合φ和t得到拟合曲线，将拟合曲线的斜率作为所述光模块的相位温度系数dφ/dt。

19、在本发明的一个实施例中，所述波长温度系数dλ/dt和光芯片温度系数dl/dt的校准方法具体为：

20、移动所述被测物调整所述被测物距离所述待标定测距仪、所述标准测距仪的距离，每移动一次所述被测物调节一次待标定测距仪的工作温度使待标定测距仪的光模块发生温度变化；

21、在每次移动被测物和调节工作温度时，获取被测物的位移x(0)和此次移动的距离值xd(0)、待标定测距仪的位移x(i)和此次移动的距离值xd(i)、标准测距仪的位移y(i)和此次移动的距离值yd(i)、当前待标定测距仪中激光器的温度tb和光芯片的温度tc；

22、使用最小二乘法拟合得到标准测距仪的位移拟合函数和标准测距仪的距离拟合函数，将所述位移拟合函数的斜率k(tb)作为当前激光器的温度tb下激光器的出射光束的波长λ，将所述距离拟合函数的斜率kd(tc)作为当前光芯片的温度tc下的光芯片的链路长度l；

23、在不同的工作温度下调节待标定测距仪、所述标准测距仪距离被测物的距离，得到不同的位移拟合函数的斜率k(tn)和不同的距离拟合函数的斜率kd(tn)；

24、直到调整的工作温度变化达到预设值后，使用最小二乘法拟合不同的位移拟合函数的斜率k(tn)得到不同的位移拟合函数的斜率k(tn)的拟合函数，将不同的位移拟合函数的斜率k(tn)的拟合函数的斜率作为所述波长温度系数dλ/dt；使用最小二乘法拟合不同的距离拟合函数的斜率kd(tn)得到不同的距离拟合函数的斜率kd(tn)的拟合函数，将不同的距离拟合函数的斜率kd(tn)的拟合函数的斜率作为所述光芯片温度系数dl/dt。

25、在本发明的一个实施例中，所述对待标定测距仪进行校准，具体为：

26、在移动被测物和调节工作温度的过程中，选择温度波动最小时的数据对应的激光器的出射光束的波长和光芯片的链路长度作为初始激光器的出射光束的波长λ0、初始光芯片的链路长度l0，将温度波动最小时的温度作为初始工作温度t0，结合所述光模块的相位温度系数dφ/dt、波长温度系数dλ/dt、光芯片温度系数dl/dt完成对待标定测距仪的校准得到标定后的测距仪。

27、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

28、本发明通过设计并计算待标定测距仪的光模块的相位温度系数、波长温度系数和光芯片温度系数，在测距仪的测距过程中结合光模块的相位温度系数、波长温度系数和光芯片温度系数计算测量值，可以使测距仪在不同温度下实现高精度的测量，扩展了fmcw激光测距仪的应用范围、保证了高精度测量值输出。