基于相位解缠的双边带扫频激光测距测速装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于相位解缠的双边带扫频激光测距测速装置及方法，其中，该装置包括单频激光器、双边带调制器、放大器、第一耦合器、第一解复用器、第二耦合器、第二解复用器、第三耦合器、环形器、光学天线、第一光电探测器、第二光电探测器、同步采集卡和相位解缠与距离速度解调模块。本发明专利技术能获得一个扫频周内所有采样时刻对应的距离值，实现系统测量速率的数量级提升；同时能适应任意运动形式的动态目标，不要求目标速度恒定。不要求目标速度恒定。不要求目标速度恒定。

【技术实现步骤摘要】
基于相位解缠的双边带扫频激光测距测速装置及方法


[0001]本专利技术属于激光测量
，尤其涉及一种基于相位解缠的双边带扫频激光测距测速装置及方法。

技术介绍

[0002]激光测距法可分为非干涉测量法(脉冲法、光强法、三角法、共焦法等)以及干涉测量法(多波长干涉法、白光干涉法、扫频干涉法等)。相较于非干涉法，基于光场相干理论的干涉测量法抗环境干扰能力更强，精度更高。而干涉法中，扫频干涉不受传统干涉测距中2π相位模糊对量程的限制，且能通过增加扫频带宽进一步提高测距分辨率和精度，因此，作为一种理想的大范围、高精度绝对距离测量方法，扫频干涉在激光测距领域一直占据主导地主，广泛应用于军事、航空航天、装备制造等领域。
[0003]然而，测距范围大、精度高的扫频干涉仅适用于静态距离测量，一旦目标运动，扫频干涉将产生多普勒误差，使测量失效。目前，常用的消除多普勒误差的方法包括单扫频激光器三角扫频、双扫频激光器锯齿扫频、扫频激光器加定频激光器。然而单扫频激光器动态适应性差；双扫频激光器、扫频激光器加定频激光器系统复杂，可靠性低。
[0004]为解决上述动态适应性问题与系统复杂度问题，南京航空航天大学提出一种基于微波光子技术的测距方案(基于双边带调制的激光测量方法及装置，授权公开号：CN107505626A)。该方法可消除多普误差，但该方法，一、必须采用两级干涉结构(光波干涉、微波干涉)来获得测量信号；二、在一个扫频周期内仅能给出一个距离值；三、必须要求目标匀速运动，对于非匀速目标，干涉信号谱峰弥散，测量失效。r/>
技术实现思路

[0005]本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于相位解缠的双边带扫频激光测距测速装置及方法，能获得一个扫频周内所有采样时刻对应的距离值，实现系统测量速率的数量级提升；同时能适应任意运动形式的动态目标，不要求目标速度恒定。
[0006]本专利技术目的通过以下技术方案予以实现：一种基于相位解缠的双边带扫频激光测距测速装置，包括：单频激光器、微波源、双边带调制器、放大器、第一耦合器、第一解复用器、第二耦合器、第二解复用器、第三耦合器、环形器、光学天线、第一光电探测器、第二光电探测器、同步采集卡和相位解缠与距离速度解调模块；其中，所述单频激光器产生光载波，光载波沿光纤进入所述双边带调制器；所述微波源产生线性变频微波信号传输至所述双边带调制器，所述双边带调制器生成以光载波频率为中心且左右完全镜像对称的上下边带扫频光，上下边带扫频光进入放大器完成功率放大，进入第一耦合器分为第一上下边带扫频光和第二上下边带扫频光；第一上下边带扫频光进入第一解复用器，波分解复用后形成上边带扫频参考光和下边带扫频参考光，上边带扫频参考光进入第二耦合器，下边带扫频参考光进入第三耦合器；第二上下边带扫频光经过所述环形器后达到所述光学天线出射，出
射光被运动目标反射，重新进入所述光学天线形成携带距离信息的测量光；携带距离信息的测量光再次经过所述环形器，经路由到达所述第二解复用器；所述第二解复用器将携带距离信息的测量光按波长分开形成上边带扫频测量光和下边带扫频测量光，上边带扫频测量光进入第二耦合器，下边带扫频测量光进入第三耦合器；上边带参考光和上边带测量光在第二耦合器中相干叠加产生上边带测距信号；下边带参考光和下边带测量光在第三耦合器中相干叠加产生下边带测距信号；上边带测距信号经第一光电探测器光电转化后得到上边带测距电信号进入所述同步采集卡，下边带测距信号经第二光电探测器光电转化后得到下边带测距电信号进入所述同步采集卡，同步采集卡采样上边带测距电信号和下边带测距电信号并传输至相位解缠与距离速度解调模块，所述相位解缠与距离速度解调模块根据上边带测距电信号和下边带测距电信号得到运动目标的实时距离。
[0007]上述基于相位解缠的双边带扫频激光测距测速装置中，还包括：偏压源；其中，所述偏压源使所述双边带调制器工作于双边带载波抑制模式，使线性变频微波信号调制到光载波上，生成以光载波频率为中心且左右完全镜像对称的上下边带扫频光。
[0008]上述基于相位解缠的双边带扫频激光测距测速装置中，所述上下边带扫频光通过如下公式得到：
[0009][0010]其中，E
out
(t)为上下边带扫频光振幅，E0为单频激光器输出光振幅，ω
c
为单频激光器输出光频率，f
a
(0)为微波源起始扫频频率，B为微波源扫频范围，T为微波源扫频周期，t为时刻，j为虚数单位。
[0011]上述基于相位解缠的双边带扫频激光测距测速装置中，所述上边带测距信号通过如下公式得到：
[0012][0013]其中，s
USB
(t)为上边带测距信号，为t时刻上边带测距信号实时相位，k为微波源扫频速率，l(t)为t时刻运动目标实时距离，υ(t)为运动目标速度，c为光速，T为微波源扫频周期，t为时刻。
[0014]上述基于相位解缠的双边带扫频激光测距测速装置中，所述下边带测距信号通过如下公式得到：
[0015][0016]其中，s
LSB
(t)为下边带测距信号，为t时刻下边带测距信号实时相位，k为微波源扫频速率，l(t)为t时刻运动目标实时距离，υ(t)为运动目标速度，c为光速，T为微波源扫频周期，t为时刻。
[0017]上述基于相位解缠的双边带扫频激光测距测速装置中，所述相位解缠与距离速度解调模块根据上边带测距电信号和下边带测距电信号得到运动目标的实时距离包括：对上
边带测距电信号和下边带测距电信号进行相位解缠以及数学等价变换得到上边带测距电信号的解缠相位增量和下边带测距电信号的解缠相位增量的关系；根据上边带测距电信号的解缠相位增量和下边带测距电信号的解缠相位增量得到运动目标速度υ(t)；根据上边带测距电信号的解缠相位增量和下边带测距电信号的解缠相位增量的关系与运动目标速度υ(t)得到运动目标的实时距离。
[0018]上述基于相位解缠的双边带扫频激光测距测速装置中，上边带测距电信号的解缠相位增量和下边带测距电信号的解缠相位增量的关系通过如下公式得到：
[0019][0020]其中，为下边带测距电信号的解缠相位增量，为上边带测距电信号的解缠相位增量，ω
c
为单频激光器输出光频率，f
a
(0)为微波源起始扫频频率，l(t)为t时刻运动目标实时距离，l(0)为起始时刻运动目标实时距离，T为微波源扫频周期，t为时刻。
[0021]上述基于相位解缠的双边带扫频激光测距测速装置中，运动目标速度υ(t)通过如下公式得到：
[0022][0023]其中，为下边带测距电信号的解缠相位增量，上边带测距电信号的解缠相位增量，ω
c
为单频激光器输出光频率，T为微波源扫频周期，t为时刻。
[0024]上述基于相位解缠的双边带扫频激光测距测速装置中，运动目标的实时距离通过如下公式得到：
[0025][0026]其中，l(t)为t时刻运动目标实时本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于相位解缠的双边带扫频激光测距测速装置，其特征在于包括：单频激光器、微波源、双边带调制器、放大器、第一耦合器、第一解复用器、第二耦合器、第二解复用器、第三耦合器、环形器、光学天线、第一光电探测器、第二光电探测器、同步采集卡和相位解缠与距离速度解调模块；其中，所述单频激光器产生光载波，光载波沿光纤进入所述双边带调制器；所述微波源产生线性变频微波信号传输至所述双边带调制器，所述双边带调制器生成以光载波频率为中心且左右完全镜像对称的上下边带扫频光，上下边带扫频光进入放大器完成功率放大，进入第一耦合器分为第一上下边带扫频光和第二上下边带扫频光；第一上下边带扫频光进入第一解复用器，波分解复用后形成上边带扫频参考光和下边带扫频参考光，上边带扫频参考光进入第二耦合器，下边带扫频参考光进入第三耦合器；第二上下边带扫频光经过所述环形器后达到所述光学天线出射，出射光被运动目标反射，重新进入所述光学天线形成携带距离信息的测量光；携带距离信息的测量光再次经过所述环形器，经路由到达所述第二解复用器；所述第二解复用器将携带距离信息的测量光按波长分开形成上边带扫频测量光和下边带扫频测量光，上边带扫频测量光进入第二耦合器，下边带扫频测量光进入第三耦合器；上边带参考光和上边带测量光在第二耦合器中相干叠加产生上边带测距信号；下边带参考光和下边带测量光在第三耦合器中相干叠加产生下边带测距信号；上边带测距信号经第一光电探测器光电转化后得到上边带测距电信号进入所述同步采集卡，下边带测距信号经第二光电探测器光电转化后得到下边带测距电信号进入所述同步采集卡，同步采集卡采样上边带测距电信号和下边带测距电信号并传输至相位解缠与距离速度解调模块，所述相位解缠与距离速度解调模块根据上边带测距电信号和下边带测距电信号得到运动目标的实时距离。2.根据权利要求1所述的基于相位解缠的双边带扫频激光测距测速装置，其特征在于还包括：偏压源；其中，所述偏压源使所述双边带调制器工作于双边带载波抑制模式，使线性变频微波信号调制到光载波上，生成以光载波频率为中心且左右完全镜像对称的上下边带扫频光。3.根据权利要求1所述的基于相位解缠的双边带扫频激光测距测速装置，其特征在于：所述上下边带扫频光通过如下公式得到：其中，E
out
(t)为上下边带扫频光振幅，E0为单频激光器输出光振幅，ω
c
为单频激光器输出光频率，f
a
(0)为微波源起始扫频频率，B为微波源扫频范围，T为微波源扫频周期，t为时刻，j为虚数单位。4.根据权利要求1所述的基于相位解缠的双边带扫频激光测距测速装置，其特征在于：所述上边带测距信号通过如下公式得到：其中，s
USB
(t)为上边带测距信号，为t时刻上边带测距信号实时相位，k为微波源
扫频速率，l(t)为t时刻运动目标实时距离，υ(t)为运动目标速度，c为光速，T为微波源扫频周期，t为时刻。5.根据权利要求1所述的基于相位解缠的双边带扫频激光测距测速装置，其特征在于：所述下边带测距信号通过如下公式得到：其中，s
LSB
(t)为下边带测距信号，为t时刻下边带测距信号实时相位，k为微波源扫频速率，l(t)为t时刻运动目标实时距离，υ(t)为运动目标速度，c为光速，T为微波源扫频周期，t为时刻。6.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵斌，谭庆贵，张武，梁栋，赵莹，门凯，龚静文，
申请(专利权)人：西安空间无线电技术研究所，
类型：发明
国别省市：