【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及激光测距方法领域，具体涉及一种捷变频编码脉冲波形平衡探测的高精度激光测距方法。
技术介绍
1、激光测距是精密测距领域的重要组成部分。在以空间任务与先进制造等为代表的大尺寸测距应用中，测距量程通常为数十米甚至上千米，测距精度要求在微米量级，测量要求快速高效。随着制造业、航天研究和国防军事的拓展需要，对空间定位测量和精密测距任务的要求越来越高。激光测距因提供了实现大量程、精度高、快速测距要求的不可缺少的技术工具，因此激光测距于各行业都具有重要的应用价值。激光具有能量集中、单色性好、方向性强、时间空间相干度高等优势，从而可实现远距离传送，在应用中能够弥补微波测距技术在测量精度和空间指向性等方面的不足。
2、激光测距技术是一种主动式测量方法，其原理是向目标物体发射脉冲模式或连续模式的光信号，通过检测目标物反射光的飞行时间或相位差，实现对目标距离的测定。激光测距的方法繁多，具体可分为激光干涉法、相位法、三角法以及脉冲激光飞行时间法等测距方法。激光干涉法是由激光器发射出固定波长的光束，经扩束、准直后由偏振分光镜分成两路，分别进入参考臂和测量臂，待合束后形成干涉条纹，利用干涉条纹的光强变化来计算出物体的具体位置和形状，在测量精度上表现良好。然而该方法无法实现大量程高精度测距，需要测量目标的连续移动，测量被限制在距离的相对变化，且稳定性较差、对外界环境变化敏感，目标运动速度也受到限制。为兼顾大量程与测距精度，进一步提出了合成波长法，多波长干涉理论一是利用多个单波长组成一列长度不同的合成波长；二是利用不同长度的合成波长，
3、相位法激光测距技术是通过测量激光光强调制信号中所包含的相位信息，间接测量目标距离的测距技术。光源输出光强被正弦调制的连续激光，测量光信号由被测目标反射后被探测器接收。测量信号相比参考信号经历了额外的时间延迟，因此测量信号与参考信号间存在相位差。测量相位差即可得到被测目标距离。相位法的测距精度取决于调制波长和相位测量精度，测距精度可达微米量级，但测量范围较小。为提高测量范围，提出了双波长调制的相位法测距技术。两调制波长一长一短，分别进行粗测和精测。双波长调制方法的提出有效解决了测量精度和范围之间的矛盾，将测量范围扩展到数十米，精度可达微米量级。尽管相位法的测量范围得到了扩展，但仍无法在百米级测量范围内实现微米级精度。此外，相位法要求激光回波信号波形品质高，易受噪声影响，通常需要配合目标来提高信噪比。
4、三角法激光测距主要利用激光器发出的激光聚在被测物体表面，接收透镜将入射点处的散射光成像在探测器光敏面上，当物体移动时，光点随之移动，通过计算光点在光敏面质心位置上的位移计算出物体移动的相对距离，精度可达μm级。相对其他测量技术，激光三角法测距技术不对时间进行测量，具有速度快、精度高、信号处理简单等特点，因而更适合短距离、高测速的测距场景。然而，三角测距技术存在由光敏器件的成像与理论值的偏差、光学成像系统和电子元件本身缺陷、环境变化造成测量误差以及目标物颜色造成的误差。
5、脉冲激光飞行时间测距技术是激光测距研究的重要方法之一，具有功耗低、测程远、测量速度快、易于实现等优点，对于工业应用与测绘学、地理学研究具有重要的意义。脉冲激光飞行时间测距技术，根据发射激光脉冲到目标后反射脉冲回到测量电路过程中经过的时间来计算测距距离。通过测量脉冲在激光发射端和目标之间的往返时间t，结合光在空气中的传播速度v，计算得到待测目标的距离d＝v×t/2。由于光在空气中沿直线传播，传播速度接近真空光速(300000km/s)，因此相对于相位法、三角法等激光测距方法，脉冲激光飞行时间测距技术能够实现更新速率更高的距离测量，测量精度可达毫米级以上。然而，在利用脉冲激光飞行时间测距技术进行距离测量的过程中，受目标材质、目标姿态、背景噪声、光学脉冲测量电路电学环境、回波脉冲上升时间等因素的影响，脉冲飞行时间的测量分辨率较低，受限于快速光电探测器只能分辨皮秒的电子时间，精度有限，因此常用于大距离、低精度的测距应用。
6、光学频率梳(简称光梳)为激光测距提供了一种全新的相干光源。光学频率梳在时域上表现为一系列等间隔的超短脉冲序列，在频域上同时产生了数百万的纵模模式。首先，脉冲重复频率可锁定至微波频率基准，为测量的溯源性提供了保证。其次，飞秒脉冲脉宽极短，峰值功率高，为高精度的飞行时间计时方法提供了新的可能。在此基础上发展而来的双光梳测距法，采用两台重频有微小差别的光频梳作为光源，其中光梳1为信号光梳，重复频率为fr1，光梳2为本振光梳，重复频率为fr2＝fr1+δfr，δfr为两台光频梳的重频差。由于重复频率不同，在时域上，每经过一个脉冲周期，本振光梳发出的采样脉冲和信号光梳发出的信号脉冲会产生时间滑移δt＝δfr/(fr1·fr2)。信号脉冲和采样脉冲在时域上发生周期性的重叠与错位，在每个测量周期内将产生互相关干涉信号。
7、双光梳测距系统的优势在于将距离信息由光频域映射至射频域，子频率梳的间隔相对于初始光频梳的间隔缩小了δfr/fr1，相应的时域信息周期，即干涉信号的周期则被放大了fr1/δfr。双光梳法采用低频探测的方式实现了对光信号的测量，极大程度上降低了对探测器带宽的依赖，利用双光梳系统时域线性光学互采样和频域多纵模外差干涉的特性，实现了大范围、动态高精度绝对距离测量。然而双光梳测距法需要两台光频梳作为光源，系统较复杂，光源和绝对测距系统在结构上高度耦合，导致测量灵活性受限，存在混叠盲区和量程拓展问题，利用多脉冲测量使得响应时间慢，非模糊范围拓展受限。
8、基于单光学频率梳的平衡互相关法，采用锁模激光器，利用光学平衡互相关技术探测参考脉冲与测量脉冲重合时的光梳重频信号。测量脉冲序列与参考脉冲序列合束后进入平衡光学互相关系统。两束偏振态相互垂直的飞秒脉冲两次耦合进二类相位匹配的非线性晶体中，产生的互相关信号与两束基频脉冲呈强度相关，即互相关信号由平衡探测器探测，可抵消两基频脉冲强度波动影响，此时互相关信号仅由两基频脉冲的延时δτ决定。由于晶体的双折射效应在两束和频信号之间引入固定的时延，利用固定时延调节参考脉冲与测量脉冲的延时，得到平衡互相关信号强度随两脉冲相对延时δτ变化的曲线。当测量脉冲与参考脉冲时延接近0时，平衡互相关信号与时延信号呈现高度线性关系。伺服控制系统利用该信号精确控制光频梳的重复频率，可将脉冲间隔的整数倍精确锁定到待测距离上。设脉冲飞行时间为tt，则有tt＝mts＝m/fr，m为整数，ts为相邻脉冲之间的时间间隔，fr为重复频率。连续调节光频梳的重复频率，使测量脉冲与参考脉冲先后两次重合。设两次重合时的光频梳的重频差为δfr，则m＝fr/δfr。待测距离d可本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种捷变频编码脉冲波形平衡探测的高精度激光测距方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种捷变频编码脉冲波形平衡探测的高精度激光测距方法，其特征在于：所述步骤1中，产生平衡互相关信号包括：
3.根据权利要求2所述的一种捷变频编码脉冲波形平衡探测的高精度激光测距方法，其特征在于：所述步骤1.2中，将偏振态相互垂直的两脉冲通过非线性晶体后产生固定的相对延时，作为两脉冲间的参考延时，当扫频至两脉冲相对延时与非线性晶体引入的固定时延相匹配时，由平衡探测器输出强度为零的平衡互相关信号。
4.根据权利要求1所述的一种捷变频编码脉冲波形平衡探测的高精度激光测距方法，其特征在于：所述步骤2中，当平衡互相关信号强度为零时，测量脉冲的飞行时间锁定至脉冲序列时域周期的整数倍m，对于确定的距离，整数倍m与脉冲重复频率fr一一对应，脉冲重复频率fr为时域周期的倒数，连续两次获取平衡互相关信号零点，即有：
5.根据权利要求1所述的一种捷变频编码脉冲波形平衡探测的高精度激光测距方法，其特征在于：所述步骤2中，将平衡探测器的输出端分为两路，并分别接入
6.根据权利要求1所述的一种捷变频编码脉冲波形平衡探测的高精度激光测距方法，其特征在于：所述步骤3中，目标距离的计算公式为：
7.根据权利要求3所述的一种捷变频编码脉冲波形平衡探测的高精度激光测距方法，其特征在于：所述步骤1中，通过高精度激光测距系统产生平衡互相关信号，所述高精度激光测距系统包括捷变频脉冲激光器、二分之一波片、四分之一波片、目标物、偏光分束器、反射镜、二相色镜、非线性晶体、平衡探测器和数据采集卡，由所述捷变频脉冲激光器输出重频捷变的脉冲光，经二分之一波片和偏光分束器分成两路，一路脉冲光作为参考脉冲，经四分之一波片与反射镜后再次通过四分之一波片输入偏光分束器，另一路作为测量脉冲经四分之一波片与目标物后被目标物反射沿原路返回，再次通过四分之一波片输入偏光分束器，让测量脉冲与参考脉冲在偏光分束器合束；
8.根据权利要求7所述的一种捷变频编码脉冲波形平衡探测的高精度激光测距方法，其特征在于：所述步骤1中，所述光学平衡互相关系统包括长通二相色镜、反射镜、非线性晶体、短通二相色镜和平衡探测器，将参考脉冲与测量脉冲经偏光分束器合束后，透过长通二相色镜进入非线性晶体产生互相关信号，第一次产生的互相关信号光透过短通二相色镜进入平衡探测器一端，从非线性晶体透过的合束光被短通二相色镜反射，再次进入非线性晶体产生互相关信号，第二次产生的互相关信号经长通二相色镜及反射镜反射进入平衡探测器另一端；
9.根据权利要求8所述的一种捷变频编码脉冲波形平衡探测的高精度激光测距方法，其特征在于：所述步骤1中，将捷变频脉冲激光器重复频率捷变由脉冲半导体激光器进行，捷变频脉冲半导体激光器由电学窄脉冲接入半导体激光器形成脉冲光，再由信号发生器整形电学窄脉冲，调节电脉冲的重复频率产生重复频率捷变且脉宽在皮秒量级的脉冲光。
10.根据权利要求8所述的一种捷变频编码脉冲波形平衡探测的高精度激光测距方法，其特征在于：所述步骤1中，将捷变频脉冲激光器重复频率捷变由电光调制光学频率梳进行，通过连续激光器的输出光作为种子光输入电光调制器，由信号发生器整形电脉冲发生器的电脉冲重复频率产生重频捷变的电学窄脉冲，捷变频的电脉冲输入电光调制器后对种子光进行调制，生成捷变频脉冲光。
...【技术特征摘要】
1.一种捷变频编码脉冲波形平衡探测的高精度激光测距方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种捷变频编码脉冲波形平衡探测的高精度激光测距方法，其特征在于：所述步骤1中，产生平衡互相关信号包括：
3.根据权利要求2所述的一种捷变频编码脉冲波形平衡探测的高精度激光测距方法，其特征在于：所述步骤1.2中，将偏振态相互垂直的两脉冲通过非线性晶体后产生固定的相对延时，作为两脉冲间的参考延时，当扫频至两脉冲相对延时与非线性晶体引入的固定时延相匹配时，由平衡探测器输出强度为零的平衡互相关信号。
4.根据权利要求1所述的一种捷变频编码脉冲波形平衡探测的高精度激光测距方法，其特征在于：所述步骤2中，当平衡互相关信号强度为零时，测量脉冲的飞行时间锁定至脉冲序列时域周期的整数倍m，对于确定的距离，整数倍m与脉冲重复频率fr一一对应，脉冲重复频率fr为时域周期的倒数，连续两次获取平衡互相关信号零点，即有：
5.根据权利要求1所述的一种捷变频编码脉冲波形平衡探测的高精度激光测距方法，其特征在于：所述步骤2中，将平衡探测器的输出端分为两路，并分别接入数据采集卡和频率计数器，直接读取平衡互相关信号强度为零的点的重复频率，连续两次得到零点重复频率相减，得到相邻零点的重频差δf。
6.根据权利要求1所述的一种捷变频编码脉冲波形平衡探测的高精度激光测距方法，其特征在于：所述步骤3中，目标距离的计算公式为：
7.根据权利要求3所述的一种捷变频编码脉冲波形平衡探测的高精度激光测距方法，其特征在于：所述步骤1中，通过高精度激光测距系统产生平衡互相关信号，所述高精度激光测距系统包括捷变频脉冲激光器、二分之一波片、四分之一波片、目标物、偏光分束器、反射镜、二相色...
【专利技术属性】
技术研发人员：曾和平，闫明，马慧，王子健，葛锦蔓，李小军，
申请(专利权)人：华东师范大学重庆研究院，
类型：发明
国别省市：
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