[发明专利]基于数字锁相非线性校正的动态扫频干涉测距系统及方法

说明书

基于数字锁相非线性校正的动态扫频干涉测距系统及方法，本发明涉及动态扫频干涉测距系统及测距方法。本发明的目的是为了解决现有方法中由辅助干涉仪提供的非线性采样时钟在校正扫频干涉测量信号非线性的同时会引起测振信号产生非线性，造成运动测量信号频谱展宽，信噪比下降，严重影响运动相位测量精度，继而影响测距精度的问题。系统包括扫频干涉测距光路、运动测量光路、锁相环子系统、外腔式激光器、可见激光器、单频激光器、1号光纤耦合器、辅助干涉仪、1号探测器、数字分频、数据采集卡。本发明用于扫频干涉测量、FMCW激光雷达技术领域。

技术领域

本发明涉及动态扫频干涉测距系统及方法。

背景技术

扫频干涉测量具有发射功率低、无模糊测距、无需导轨与合作目标、可实现高分辨率等突出优点，因而在高精度绝对距离测量方面得到了广泛的应用，如调频连续波激光雷达、光学频域计、光学相干断层扫描等领域。其基本原理是利用发射的测量扫频光信号与被测目标反射的扫频测量光信号之间因时间差而产生的频率差来确定目标距离，依靠较容易处理的信号频域特征来反映目标的距离参数。高线性的宽带扫频测量光可以得到很高的距离分辨率与测距精度，但这种测量方法对目标的运动极为敏感，由目标运动引起的位移在多普勒效应的作用下，导致最终测量距离产生几百至上千倍的误差，严重影响距离测量精度，必须对其进行补偿。现有主要方法是使用两台扫频激光器沿不同方向扫频或者使用一台激光器进行三角波扫频。前者将直接导致昂贵的扫频激光器成本翻倍，而后者将无法对运动速度过快的目标进行有效地补偿，因此，研究一种低成本的扫频干涉运动补偿方法一直是该种测量方式的研究重点。

现有提出的基于超外差的同步运动测量与补偿技术(图1)可以是一种有效的解决方法，该方法中利用单频激光器与双声光调制器模块形成的超外差干涉仪对目标的相对运动信息进行在线检测，测量结果同步补偿扫频干涉测量信号中多普勒效应导致的放大误差项。该方法中由辅助干涉仪提供的非线性采样时钟在校正扫频干涉测量信号非线性的同时会引起测振信号产生非线性，造成运动测量信号频谱展宽，信噪比下降，严重影响运动相位测量精度，继而影响测距精度。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有方法中由辅助干涉仪提供的非线性采样时钟在校正扫频干涉测量信号非线性的同时会引起测振信号产生非线性，造成运动测量信号频谱展宽，信噪比下降，严重影响运动相位测量精度，继而影响测距精度的问题，而提出基于数字锁相非线性校正的动态扫频干涉测距系统及方法。

基于数字锁相非线性校正的动态扫频干涉测距系统包括扫频干涉测距光路、运动测量光路、锁相环模块、外腔式激光器、可见激光器、单频激光器、1号光纤耦合器、辅助干涉仪、1号探测器、数字分频、数据采集卡；

所述扫频干涉测距光路由2号光纤耦合器，6号光纤耦合器、7号光纤耦合器、8号光纤耦合器、偏振保持分束器PBS、波分复用器WDM、聚焦光学子系统、1/4波片以及平衡探测器组成；

所述运动测量光路由3号光纤耦合器、1号声光调制器、2号声光调制器、4号光纤耦合器、5号光纤耦合器、9号光纤耦合器以及2号光电探测器构成；

外腔式激光器输出的激光入射至1号光纤耦合器进行分路；

1号光纤耦合器输出的1路光经辅助干涉仪入射至1号探测器，经1号探测器后输出信号分别输入至数据采集卡和经数字分频入射至锁相环模块；

辅助干涉仪信号经数字分频后为锁相提供锁相参考信号；

辅助干涉仪信号作为数据采集卡的外部时钟输入信号，控制数据采集卡对1号探测器、2号光电探测器、平衡探测器的信号进行采样；

1号光纤耦合器输出的99路光入射至2号光纤耦合器进行分路；

单频激光器输出的激光入射至3号光纤耦合器进行分路，3号光纤耦合器输出的99路光经1号声光调制器入射至4号光纤耦合器进行分路，3号光纤耦合器输出的1路光经2号声光调制器入射至5号光纤耦合器进行分路；