[发明专利]基于重采样信号拼接法的连续激光调频测距装置及其方法

摘要

本发明公开了一种基于重采样信号拼接法的连续激光调频测距装置，包括可调谐激光器、激光器控制器、自适应测量干涉系统、辅助干涉系统、同步数据采集系统、数据处理系统和温度控制系统；可调谐激光器提供了线性频率调制激光，辅助干涉系统产生用于重采样的时钟信号，自适应测量干涉系统根据被测目标实际距离调整参考光纤长度，同步数据采集系统对自适应测量干涉系统和辅助干涉系统产生的两路拍频信号进行同步采样，数据处理系统进行重采样和信号拼接，计算获得测距结果。由于测量分辨率受限于激光调制线性度和调制范围，使用本发明数据处理方法可以补偿激光调制的线性度，扩大等效调制范围，提高了测距分辨率。本发明适合于高精度激光测距领域。

主权项

一种基于重采样信号拼接法的连续激光调频测距方法，所采用基于重采样信号拼接法的连续激光调频测距装置，包括：可调谐激光器(2)，用于产生窄线宽调频连续波激光；所述可调谐激光器(2)连接有激光器控制器(1)，所述激光器控制器(1)控制可调谐激光器(2)发射光频线性调制的激光；所述可调谐激光器(2)发射的光频线性调制的激光经过耦合器FC1(3)分为A、B两路，其中，A路进入自适应测量干涉系统，B路进入辅助干涉系统；所述自适应测量干涉系统用于对被测目标镜进行探测，产生拍频信号，所述自适应测量干涉系统包括耦合器FC2(4)、光隔离器(5)、光环形器(6)、准直透镜(7)、整形光路(8)、反射镜(9)、耦合器FC3(14)和多路延时光纤(19)；进入所述自适应测量干涉系统的激光经过耦合器FC2(4)分为C路和D路，其中，C路激光依次经过所述光隔离器(5)、光环形器(6)、准直透镜(7)和整形光路(8)，由反射镜(9)反射后，原路返回进入所述光环形器(6)，再进入耦合器FC3(14)；D路激光经过已知长度的多路延时光纤(19)后进入耦合器FC3(14)与C路激光汇合，发生干涉，产生拍频信号S1，该拍频信号S1由光电探测器A(12)探测；所述辅助干涉系统用于产生进行等光频重采样所需时钟信号；所述辅助干涉系统包括耦合器FC5(17)、延时光纤(16)和耦合器FC4(15)；进入所述辅助干涉系统的激光经过耦合器FC5(17)分为E路和F路，E路和F路调制激光经过长度恒定且已知光程差的延时光纤(16)后，在耦合器FC4(15)混频后，产生拍频信号S2，该拍频信号S2由光电探测器B(13)探测；同步数据采集系统(11)，用于对上述自适应测量干涉系统产生的拍频信号S1和辅助干涉系统产生的拍频信号S2进行同步采样；数据处理系统(10)，用于对探测信号进行重采样、拼接，计算得到被测目标距离；温度控制系统用于控制自适应测量干涉系统和辅助干涉系统中参考光纤的温度，所述延时光纤(16)和所述多路延时光纤(19)均分别放置在所述温度控制系统中；其特征在于，该方法包括以下步骤：测距信号的产生：利用上述基于重采样信号拼接法的连续激光调频测距装置，对被测反射镜进行探测，得到拍频信号S1和拍频信号S2；其中，E路和F路形成了参考干涉光路，C路和D路形成了测量光路，所述参考干涉光路的光程差大于所述测量光路的光程差两倍以上，使得拍频信号S2的频率是拍频信号S1的频率的2倍以上；测距信号产生包括以下步骤：1‑1步骤、激光器控制器控制可调谐激光器发射光频线性调制的激光，经过耦合器FC1(3)分为A路和B路，A路进入自适应测量干涉系统，B路进入辅助干涉系统；1‑2步骤、进入测量干涉系统的激光经过耦合器FC2(4)，分为C路和D路；C路激光经过光隔离器(5)、光环形器(6)、准直透镜(7)和整形光路(8)，由反射镜(9)反射后，原路返回进入光环形器(6)再进入耦合器FC3(14)；D路激光经过已知长度的多路延 时光纤(19)后进入耦合器FC3(14)与C路激光汇合，发生干涉，产生拍频信号S1，该拍频信号S1由光电探测器A(12)探测；1‑3步骤、进入辅助干涉系统的激光经过耦合器FC5(17)分为E路和F路；E路和F路调制激光经过长度恒定且已知光程差的延时光纤(16)后，在耦合器FC4(15)混频后，产生拍频信号S2，该拍频信号S2由光电探测器B(13)探测；同步数据采集：同步数据采集系统对拍频信号S1和拍频信号S2进行同步采样，并将拍频信号S2转换为时钟信号后，据此对拍频信号S1进行重新采样，步骤如下：2‑1步骤、同步数据采集系统(11)的初始化，设置采样频率f、所需采样信号段数N0、每段采样点数n；并设置已采样段数N＝0；2‑2步骤、数据采集,采集过程中对同步数据采集系统(11)采集到拍频信号S1和拍频信号S2进行错误检测判断，如果没有错误则进行下一步骤，否则重新执行2‑2步骤；2‑3步骤、将拍频信号S2转化为时钟信号，对采集的拍频信号S1进行重采样，得到等光频间隔采样信号；2‑4步骤、令采样段数N＝N+1；判断采样段数N是否等于N0，如果N＝N0则进行下一步骤，否则返回2‑2步骤；2‑5步骤、对等光频间隔采样信号进行数据处理；数据处理：实现拼接等光频间隔的采样信号时满足相位匹配的原则，最终，得到拼接信号频谱图像，并从频谱图像中得到被测目标的距离，步骤如下：3‑1步骤、设置所需采样信号段数N0，并将已经拼接段数M设置为0；3‑2步骤、波峰检测找到第M段信号的最后十个波峰，循环移位分别找到这十个波峰中每个波峰的前一个采样点，将十个采样点数据存入数组X中；波峰检测找到第M+1段信号的段首十个波峰，循环移位分别找到这十个波峰中每个波峰的前一个采样点，将十个采样点数据存入数组Y中；循环相减X‑Y，找到|X‑Y|的最小值对应的Xt、Yt，并找到Xt、Yt对应的位置Xtx、Ytx；3‑3步骤、删除第M段信号中，Xtx位置之后所有采样数据，删除M+1段信号中Yt及Ytx位置之前的所有采样数据，保存删除部分采样点之后的采样数据；3‑4步骤、令M＝M+1；判断M是否等于N0‑1，如果M＝N0‑1执行下一步骤，否则返回3‑2步骤；3‑5步骤、将M组删除部分采样点之后的采样数据按顺序合并为一组；对合并后的信号进行快速傅里叶变换，得到拼接信号的频谱图像；从上述频谱图像中得到被测目标的距离并显示测量结果。