高分辨率调频连续波激光绝对测距研究.pdf

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．18(2014)184209高分辨率调频连续波激光绝对测距研究冰时光张福民十曲兴华孟祥松(天津大学，精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津300072)(2014年3月1日收到；2014年4月17日收到修改稿)大空间精密测量在重大装备制造、空间科技、国防工业等方面发挥着重要作用，激光高精度绝对长度测量是大空间精密测量领域的重要研究课题．调频连续波激光测距是近年来激光绝对测距研究的热点，它克服了脉冲法测量分辨率低和相位法激光测距存在2丌缠绕模糊度问题的缺点，有着测量精

2、度高、量程大的优点．本文研究了调频连续波激光测距的原理，分析了影响其测距分辨率的主要原因，证明了利用等光频间隔采样来抑制激光调制非线性对测距结果影响的可行性．该方法可以提高测距分辨率，且系统构成简单、实用性强．搭建了光纤调频连续波激光测距系统，并加入了辅助干涉光路对测量信号进行等光频间隔采样．利用该系统进行了测距分辨率实验，实验结果表明，本系统测量分辨率可以达到50岫，测量范围达到了10m．关键词：连续激光调频，绝对测距，干涉测量PACS：42．79．Qx，42．60．Fc，42．62．Eh，07．60．LyDOI：1

3、0．7498／aps．63．184209对距离1．5m的目标进行测量，测距分辨率达到了1引言31岬．2011年，Iiyama等[1l】利用单模垂直腔面发射激光器搭建了测距系统，空间测距分辨率达高精度绝对距离测量在精密探测、现代制到了250岬，测距范围为1m．2013年，Baumann造、三维形貌测量和空间探测等领域均有重要应等【12]利用光学频率梳对激光器的光频进行校正，用[1-5]．而激光测距技术具有准直性好、受环境将测距分辨率提高到了130m，重复精度达到了影响小、精度高等优点，一直以来都是热门研究领6nm．目前对

4、于调频连续波激光测距的研究主要域．脉冲法和相位法[6】是激光任意绝对长度测量还是实验研究阶段，研究热点集中在反馈光源的中常用的方法，但是脉冲法测距的测量分辨力受设计，对于大尺寸的测距范围f几米到十几米的范限于电子器件的带宽，分辨率仅为毫米量级，而围)高分辨率测量还未进行深入的研究和详细的相位法测距存在2缠绕模糊度问题[7]．调频连实验．续波激光绝对测距可以有效地解决27c缠绕模糊度问题，且精度可以达到微米量级．调频连续波为了提高调频连续波激光测距的分辨率、扩大测距范围，以满足大尺寸范围精密测量的需求，利测距也称频率扫描

5、干涉测距，2O世纪80年代已被应用于调频连续波雷达近年来随着激光技术用窄线宽[13]可调谐激光器，本文设计了一种光纤的发展，高精度调频连续波激光测距成为了研究双光路调频连续波激光测距系统．利用参考干涉光热点．2009年Satyan等【0】搭建了调频连续波激光路的信号作为时钟对测量光路的干涉信号进行采测距光路，设计了半导体激光光源反馈控制系统，样，对可调谐激光器的扫描线性度进行补偿，大大测距分辨率达到了1．5mm．2009年，Roos等利提高了测距分辨率，且目前试验测量范围可以达到用光纤自混频技术对光源系统进行了改进，并

6、且10m，还有进一步提高的空间，系统构成简单．国家自然科学基金(批准号：51327006，51105274)和高等学校博士学科点专项科研基金(批准号：20120032130002)资助的课题．十通讯作者．E—mail：zhangfumin@tju．edu．ca◎2014中国物理学会ChinesePhysicalSocietyht：／／wulixb．iphy．ac．cn物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．18(2014)1842092测距原理目标的距离．经过推导可以很容易得到：=，(4)调频连续波激光测

7、距系统的基本组成为迈克耳孙干涉光路，其光源为可调谐激光器，参考反射由(4)式可以看出，在理想情况下测距分辨率仅由镜和被测目标分别位于双臂干涉光路的两臂．如激光器的调制范围JE}决定．但在实际应用中，拍频图1所示，激光器发射的调制激光经过分光棱镜分信号经过FFT后，主瓣的半高全宽(fullwidthat为两束，分别被参考镜和被测目标反射后，再经过halfmaximum，FWHM)代表了测距的分辨率．许分光棱镜合为一束，在光电探测器表面发生干涉．多因素都会令FWHM的宽度增加，如激光调制线性度、振动、温度变化等，这些因素中

8、激光的调制线性度影响最为严重．如果激光的调制线性度不理想，导致得到的拍频信号频率不稳定，从而令FWHM变宽，降低测距分辨率．光频／／>、，×，／，B、／＼／，r’!时间图1调频连续波激光测距原理图珈差拍测量过程中系统参考镜与被测目标都固定不信号动，对发射激光进行调制，令其光频按照周期性三角波的规律变化，如图2所示，纵坐标为光频，横