一種快速掃描的高精度激光測距方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種測距技術，特別涉及一種快速掃描的高精度激光測距方法。
【背景技術】
[0002]光纖激光器作為光源在工業領域有許多應用，如激光材料打標、焊接、切割和深雕等。同時，光纖脈沖激光器在激光測距、激光雷達、精密光譜學以及激光武器等國防和科學研宄領域也發揮著重要的作用。由于其體積小，長期可靠，對準方便等優勢，光纖激光器已經靈活地應用到各種實際條件中。近年來，隨著光纖頻率梳的飛速發展，重復頻率穩定的超短脈沖光纖激光器在高精度遠距離光學頻率測量和天文觀測中，趨向于扮演更加重要的角色。
[0003]現階段，基于脈沖激光器的測距方法大體可以分為飛行時間法和干涉法，其中，飛行時間法是通過激光器發射脈沖，照射到待測物體，經過反射后回到探測器，通過計算發射脈沖到接收到脈沖的時間差，計算出待測距離。這種方法一般可以測量較大范圍的距離，但其精度受到光源脈沖寬度的限制，難以提高。干涉法通常采用兩個重復頻率或者波長存在微小差異的光源，通過測量其時域拍頻信號或者光譜干涉信號，計算出待測物體的距離信息。干涉法的核心是多波長干涉或者多重復頻率拍頻，從本質上相當于采用多把測尺同時測量，測距分辨率由最短的測尺保證，量程由最長測尺保證，因此可以實現大范圍高精度的測距。但是，由于采用了至少兩個重復頻率存在差異的光源，對光源之間的同步控制、噪聲抑制提出了更高的要求，系統復雜度也進一步提高。
[0004]采用兩個重復頻率存在微小差異的光源用于激光測距時，為了提高測量的精度，通常需要鎖定兩臺激光器的重復頻率，現階段，鎖定激光器重復頻率的常用方法是在激光器諧振腔內，安裝一個壓電陶瓷，通過控制壓電陶瓷的伸長量來改變激光器諧振腔的幾何長度，從而使激光器的重復頻率發生改變。然而，利用壓電陶瓷改變激光器重復頻率的方案存在一些缺點。比如需要較高的工作電壓、對環境擾動比較敏感，長期工作易磨損，鎖定精度受機械穩定性影響大等。同時，兩臺獨立的激光器的重復頻率鎖定精度也會隨著激光器的結構、環境條件、電子線路的參數而發生變化，這會導致在拍頻測量中引入噪聲，降低激光測距的精度。

【發明內容】

[0005]本發明是針對基于脈沖激光器的測距方法中采用兩臺獨立的激光器存在的問題，提出了一種快速掃描的高精度激光測距方法，僅用一臺光纖激光器實現穩定、快速、大范圍、尚精度測距。
[0006]本發明的技術方案為:一種快速掃描的高精度激光測距方法，具體包括如下步驟:
I)光纖激光器內部增加一泵浦激光器、一段摻雜光纖和一個波分復用器，光纖激光器輸出鎖模激光，經過1:99的分束器，1%的激光作為重復頻率的探測信號，被探測器接收轉換為電信號輸出，輸出電信號與可調諧標準頻率信號經過混頻器后，得到兩個輸入電信號的頻率誤差信號，經過低通濾波器和電壓放大器的處理后，作為反饋信號驅動增加的泵浦激光器，泵浦激光器輸出的泵浦光經過增加的波分復用器耦合到增加的摻雜光纖上，引起光纖激光器腔長的改變，進行重復頻率鎖定；
2)實現重復鎖頻后，進行測距，將99%的輸出激光再經過1:1的分束器分成兩束，一束光經過確定長度的延時線，另一束光不經過延時，聚焦模塊將兩束光在空間上聚焦到待測物體的同一位置，再通過激光收集和探測模塊，得到兩束光的拍頻信號，通過測量拍頻信號強度隨時間的變化，得到待測物體表面的距離信息。
[0007]所述光纖激光器為環形腔激光器，增加的波分復用器與一段摻雜光纖串聯，接在環形腔激光器的增益光纖輸出端與輸出親合器輸出端之間。
[0008]所述光纖激光器為二駐波腔激光器，增加的波分復用器與一段摻雜光纖串聯，接在增益光纖輸出端與反射及輸出親合器輸入端之間。
[0009]所述光纖激光器為8字腔激光器，增加一個1:1的光纖耦合器，串接在8字腔激光器增益光纖的子環中，增加的波分復用器與一段摻雜光纖串聯后，再接與1:1的光纖耦合器輸入輸出兩端。
[0010]所述聚焦模塊包括耦合器和準直器，兩束光通過耦合器合成一束，合束后的兩束光經過準直器變換成空間光，照射到待測物體表面，通過透鏡收集反射光，采用光電探測器測量兩束光的拍頻信號。
[0011]所述聚焦模塊為聚焦透鏡，一束光先經過確定長度的一段空間延時線，再通過反射鏡反射到聚焦透鏡；另一束光不經過延時，直接入射到聚焦透鏡，聚焦透鏡將兩束光聚焦后，同時照射到待測物體表面，通過透鏡收集透射光，采用光電探測器測量兩束光的拍頻信號。
[0012]所述聚焦模塊為聚焦透鏡，一束光先經過確定長度的一段空間延時線，再通過三個反射鏡組成的反射鏡組反射到聚焦透鏡；另一束光不經過延時，直接入射到聚焦透鏡，聚焦透鏡將兩束光聚焦后，同時照射到待測物體表面，通過透鏡收集反射光，采用光電探測器測量兩束光的拍頻信號。
[0013]本發明的有益效果在于:本發明快速掃描的高精度激光測距方法，采用全光式重復頻率鎖定方式，無機械移動部分，重復頻率的鎖定精度高，長期穩定性好，易于集成；僅采用一臺光纖激光器即可實現拍頻激光測距，實驗裝置更簡單，成本更低；采用重復頻率鎖定并且可掃描的光纖激光器作為光源，其鎖定精度決定了測距的精度，掃描范圍決定了測距的范圍，能夠實現高精度大范圍的激光測距；采用掃描激光器重復頻率的方式，在激光測距的過程中，避免了傳統式的機械位移臺或者壓電陶瓷掃描的方式，能降低掃描時間，提高相應速度；激光器的重復頻率可以隨著參考標準頻率的變化方式，實現多種波形的掃描輸出，有利于提高拍頻信號的信噪比，提高測距精度。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發明原理圖；
圖2為本發明實施例一環形腔激光器作為光源的激光測距結構示意圖；
圖3為本發明實施例二駐波腔激光器作為光源的激光測距結構示意圖； 圖4為本發明實施例三8字腔激光器作為光源的激光測距結構示意圖。
【具體實施方式】
[0015]如圖1所示原理圖，本發明公開了一種快速掃描的高精度激光測距方法，包括一個重復頻率鎖定并且快速掃描的光纖激光器部分和激光測距結構部分。
[0016]如圖1左邊部分為重復頻率鎖定并且快速掃描的光纖激光器部分，光纖激光器采用全光調制的方法實現重復頻率的鎖定，光纖激光器當中額外增加了一段摻雜光纖，一個波分復用器和一個泵浦激光器，激光器的輸出經過1:99的分束裝置后，99%作為輸出，1%耦合到光電探測器，測量其重復頻率，采用可調諧標準頻率作為參考，與光電探測器測量得到的激光器重復頻率進行混頻，產生一個代表激光器重復頻率與標準頻率差的誤差信號，利用低通濾波和前置放大，獲得低頻的誤差信號，再經過電路處理，作為驅動信號，加載在額外增加的泵浦激光器上，泵浦激光器的輸出光經過波分復用器，作用到額外增加的摻雜光纖上，通過改變摻雜光纖的折射率，實現全光式的高精度重復頻率鎖定。
[0017]如圖1右邊圖為激光測距結構部分，重復頻率鎖定并且快速掃描的光纖激光器的輸出脈沖經過1:1的分束器分成兩束，一束光經過確定長度的延時線，另一束光不經過延時，聚焦模塊將兩束光在空間上聚焦到待測物體的同一位置，再通過激光收集和探測模塊，得到兩束光的拍頻信號，通過測量拍頻信號強度隨時間的變化，得到待測物體表面的距離信息。
[0018]圖2為實施例一環形腔激光器作為光源的激光測距結構示意圖:光纖激光器包括泵浦激光器LDl，增益光纖Fl，波分復用器WDMl，兩個偏振控制器K1、K2，隔離器01，輸出耦合器0C。光纖激光器中增加額外的泵浦激光器LD2，摻雜光纖F2，波分復用器WDM2。按圖示結構熔接上述器件，打開泵浦激光器LDl，調節腔內的兩個偏振控制器，能實現鎖模激光輸出。額外的泵浦激光器LD2，摻雜光纖F2，波分復用器WDM2的存在對激光器的鎖模無影響。
[0019]實現鎖模后，脈沖激光經過1:99的分束器Cl，99%的激光作為測距的輸出，1%的激光作為重復頻率的探測信號。通過探測器Dl測量激光器的重復頻率信號作為一個輸入信號，可調諧標準頻率信號作為另一個輸入信號，經過混頻器MIX后，得到兩個輸入電信號的頻率誤差信號，經過低通濾波器LP和電壓放大器AM的處理后，作為反饋信號，驅動光纖激光器中的額外泵浦激光器LD2，LD2輸出的泵浦光經過WDM2耦合到摻雜光纖F2，改變泵浦激光LD2的大小會引起摻雜光纖F2的折射率改變，進而引起光纖激光器腔長的改變，實現全光式的重復頻率鎖定。激光器重復頻率的掃描是通過直接掃描可調諧的標