CN113671521A - 一种粗精测尺差频调制与解调的相位激光测距装置与测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种粗精测尺差频调制与解调的相位激光测距装置与测距方法。本发明测距装置包括多频率发生模块、激光调制模块、测量光路和光信号接收及处理模块；测距方法开启激光器和多频率发生模块；激光经过调制产生精测尺c/v₁、次级粗测尺c/v₂和粗测尺c/f，其中通过频率为v₃和v₃+f信号进行差频调制产生粗测尺c/f；激光分成参考光和测量光并测距；对精测尺进行频率为v₁‑f₁的差频解调并探测差频信号f₁获取精测结果，探测次级粗测尺c/v₂和粗测尺c/f并获取相位，合成相位差数据得到被测距离。本发明打破了激光干涉相干长度、探测器件带宽、调制带宽的限制，可实现在未来数十万千米的测量范围需求中达到亚毫米甚至微米级的精确测量。

Description

一种粗精测尺差频调制与解调的相位激光测距装置与测距 方法

技术领域

本发明涉及绝对距离激光测量技术领域，是一种粗精测尺差频调制与解调的相位激光测距装置与测距方法。

背景技术

激光测距技术以其高测量精度、强抗干扰能力、高时空及垂直分辨率等优点，被广泛应用于大型装备制造、航天器深空导航、交会对接以及分布式编队卫星等领域，已成为航空航天、重大科学装置与国民经济发展研究中不可或缺的关键技术。随着科学技术的发展，尤其航空航天技术的突飞猛进，对测量技术的测量范围、测量精度、稳定性提出了更高的性能要求。近年来，针对空间物理探测研究任务，采用编队小卫星对空间中复杂的物理过程进行协同探测成为研究热点，如美国NASA的GRACE-FO卫星、NMP ST-5计划、欧空局的Proba-3卫星、德国的Gemini卫星等编队卫星中小卫星之间的间距从几百米到几十千米，且对其距离的测量精度要求达到毫米、亚毫米甚至数十微米量级。而在空间引力波探测研究中，星间轨道游离引起的最大臂长差分别达到了30万千米，且为能正确捕捉引力波信号，臂长的绝对距离测量精度需达到30cm。大型构件加工和整体装配也对测距技术提出了更高的要求，以大型与超大型单体射电望远镜为例，为保证对天体和星际分子的探测灵敏度和成像精度，要对长达几百米到上千米反射面口径进行实时测量和整体控制，每个反射面的测量精度要求优于数毫米甚至数百微米。可见，随着人们对空间探索范围的加大和对探测精度要求的提高，未来将迫切要求测距技术同时兼顾超长作用距离、精密测量准确度和高实时性，实现在几百米至几十万千米范围内对快速运动目标进行亚毫米甚至微米级的精确测量。

然而，目前采用的超精密测量方法如激光干涉测距，以及超长距离测量方法如差分GPS测距、伪随机码调制测距、脉冲激光测距、可见光视觉测量技术、电光调制光频梳绝对测距等，都在原理或技术上限制了其性能的进一步提高。例如，专利[基于高速伪随机码调制和光子计数的远程激光测距***，公开号：CN102928832A]提出的伪随机码调制测距法与脉冲激光测距法相似，都是基于脉冲时间的测量方法，受限于原理误差和器件噪声的影响，其厘米级的测量精度已接近技术极限。专利[基于飞秒光频梳的正弦相位调制干涉绝对测距装置与方法，公开号：CN108120378A]提出的光频梳绝对测距方法测量精度较高，但其受限于相干长度，难以用于几百千米到几十万千米的测量距离。

专利[多频同步调制的大量程高精度快速激光测距方法与装置，公开号：CN1825138A]提出的多波长调制相位激光测距方法与装置利用测量端发射的调制光波和被测目标反射回的调制光波之间的相位差来测量两者之间的绝对距离。该方法采用调制方法产生由粗到精的多个测尺波长进行逐级测量，逐级优化，较长的测尺用于满足测量范围，而较短的测尺用于实现测量精度，其余测尺作为过渡测尺用于衔接粗、精测尺。针对在数百千米以上测量范围内实现微米级精度的测距需求，其粗测尺波长要大于200km，对应的粗测尺频率要低于1.5KHz，而在鉴相精度为0.08°的情况下，要达到1μm的测量精度，所需合成精测尺波长为9mm，对应的测尺频率为33.3GHz，因此对激光的调制带宽至少要覆盖1.5KHz至33.3GHz。而该专利中的电流调制方法不能实现高达十几至几十GHz的线性调制带宽。测量范围和测量精度不能满足背景应用需求。

专利[一种激光相位法测距装置，公开号：CN202351429U]采用了电光调制器件产生频率在1GHz以上的测尺信号，但高带宽电光调制器(10G以上)由于受到射频线阻抗、射频joule效应等影响，改变了电极与波导的物理性质，低频调制效果不佳，无法在保证精度的情况下同时用于1MHz以下的低频信号调制。因此现今使用的调制方式无法满足数十Hz到数十GHz超宽调制范围，导致多频率/波长调制相位激光测距方法在进行超长距离范围内的微米级高精度测量时受到了限制，需要进一步研究高带宽的激光调制方法即测尺产生方式，尤其是克服低频信号调制不理想特性，扩展测量范围。

其次，相位式激光测距技术需要光电探测器件将粗、精测尺转换为电信号进行后续的信号处理和鉴相，但现有的光电探测器件对高达数十GHz甚至上百GHz的测尺信号探测效果不佳甚至无法直接探测。专利[超外差与外差结合式抗光学混叠激光测距装置与方法，公开号：CN104049248A]采用了外差和超外差相结合的光电探测方法，通过探测超外差信号获取精测相位结果，避免了对高达数十至数百GHz精测尺信号的直接探测。然而，由于测量光和参考光的光程不同，当其光程差大于相干长度时，干涉信噪比下降，难以进行相位提取。因此该方法受到相干长度的限制，在保证高精度测量的同时，其测量范围被限制在数千米量级难以进一步提高。

综上所述，打破激光调制带宽、探测带宽、干涉相干长度的限制，在提高测量精度的同时，扩展多波长调制相位激光测距技术的测量范围，需要进一步改善激光测距方法，使其实现在未来数十万千米的测量范围需求中达到亚毫米甚至微米级的精确测量。

发明内容

本发明突破激光测距中干涉相干长度、探测带宽与调制带宽的限制，进一步提高多波长调制干涉测量方法测量范围和精度，使其实现在未来数十万千米的测量范围需求中达到亚毫米甚至微米级的精确测量，能够满足未来大型装备制造、航天器深空导航、交会对接以及分布式编队卫星等领域的需求，本发明提供了一种粗精测尺差频调制与解调的相位激光测距装置与测距方法，本发明提供了以下技术方案：

.一种粗精测尺差频调制与解调的相位激光测距装置，所述装置包括：多频率发生模块、激光调制模块、测量光路和光信号接收及处理模块，多频率发生模块产生三路输出，其中，两路输入到激光调制模块对激光进行调制，另一路输入到光信号处理与接收模块；激光调制模块的输出光输入到测量光路，测量光路的两路输出光分别为测量光和参考光输入到光信号接收及处理模块进行测相。

优选地，所述多频率发生模块包括一号晶振、二号晶振、三号晶振、一号锁相倍频电路、二号锁相倍频电路、三号锁相倍频电路、四号锁相倍频电路、一号至五号放大电路、一号功率合成器和二号功率合成器；

一号晶振的输出端连接到一号锁相倍频电路的输入端，经过一号放大电路；一号晶振的输出信号连接到二号锁相倍频电路的输入端，并经过二号放大电路，二号晶振的输出端连接到三号放大电路的输入端，三号晶振的输出信号连接到三号锁相倍频电路的输入端，并经过四号放大电路；三号晶振的输出信号连接到四号锁相倍频电路的输入端，并经过五号放大电路；一号放大电路的输出端和五号放大电路的输出端分别输入到一号功率合成器的两个输入端，一号功率合成器的输出端连接到一号电光调制器的输入端作为驱动信号，二号功率合成器的输出端连接到二号电光调制器的输入端作为驱动信号，二号放大电路(14)的输出端连接到三号电光调制器和四号电光调制器的输入端作为驱动信号。

优选地，激光调制模块包括激光器、一号电光调制器、二号电光调制器、一号双路分光光纤和二号双路分光光纤；激光器的输出连接到一号双路分路光纤被分成两路，一号双路分路光纤的一路输出端连接到一号电光调制器的输入端，另一路输出端连接到二号电光调制器的输入端，一号电光调制器和二号光电调制器的输出端分别连接到二号双路分路光纤的两个输入端，二号双路分路光纤的输出端连接到测量光路的输入端。

优选地，所述测量光路包括一号准直器、二号准直器、三号准直器、分光镜、扩束镜组和测量角锥；二号双路分路光纤的输出端连接到一号准直器的输入端，一号准直器的输出端连接到分光镜，分光镜的一路输出作为参考光连接到二号准直器的输入端，二号准直器的输出端连接到光信号接收及处理模块的一个输入端，分光镜的另一路输出连接到扩束镜组的输入端，扩束镜组的输出端连接到测量角锥的输入端，测量角锥的输出端经过扩束镜组连接到分光镜的输入端，分光镜的输出端连接到三号准直镜的输入端作为测量光，三号准直镜的输出端到光信号接收及处理模块的另一个输入端。

优选地，所述光信号接收及处理模块包括由三号双路分光光纤、四号双路分光光纤、三号电光调制器、四号电光调制器、一号至四号光电探测器、六号至九号放大电路、一号至四号滤波电路和高精度测相板卡；测量光路的一个输出端作为参考光与三号双路分光光纤的输入端连接后并被分成两路，三号双路分光光纤的一个输出端连接到三号电光调制器的输入端，三号电光调制器的输入端连接到一号光电探测器的输入端，一号光电探测器的输出端、六号放大电路和一号滤波电路依次连接，一号滤波电路的输出端连接到高精度测相板卡，三号双路分光光纤的另一个输出端连接到二号光电探测器的输入端后，依次经过七号放大电路和二号滤波电路后连接到高精度测相板卡；

测量光路的另一个输出端作为测量光与四号双路分路光纤的输入端连接并被分成两路，四号双路分路光纤的其中一路输出端连接到四号电光调制器的输入端，四号电光调制器的输出端、三号光电探测器、八号放大电路和三号滤波电路依次连接，三号滤波电路的输出端连接到高精度测相板卡；四号双路分路光纤的另一路输出端连接到四号光电探测器的输入端，并依次经过九号放大电路和四号滤波电路连接到高精度测相板卡。

一种粗精测尺差频调制与解调的相位激光测距方法，包括以下步骤：

步骤1：开启多频率发生模块和激光器，输出频率为v₁、v₁-f₁、v₂、v₃和v₃+f的正弦波电信号，输出的激光经过一号双路分光光纤分成两路激光，其中一路激光输入到一号电光调制器在频率为v₁和v₃的正弦波驱动下进行强度调制，另一路激光输入到二号电光调制器在频率为v₂和v₃+f的正弦波驱动下进行强度调制，两路调制输出激光经过二号双路分光光纤合成一束激光；

步骤2：由步骤1产生的一束激光经一号准直器入射到分光镜分成两束激光，一束激光作为参考光经二号准直器输入到光信号接收及处理模块，另一束作为测量光经过扩束镜组出射到测量角锥棱镜；

步骤3：移动测量角锥棱镜到目标端，测量光经过角锥棱镜的反射后，再次经过扩束镜组入射到分光镜，分光镜输出的激光为携带距离信息的测量光经三号准直器输入到光信号接收及处理模块；

步骤4：根据步骤2输入到光信号接收及处理模块的参考光经过三号双路分光光纤被分成两束激光，其中一束进入到三号电光调制器在频率为v₁-f₁的正弦波驱动下进行强度调制，参考光中光强变化频率为v₁的精测尺经过调制后产生差频信号f₁，并带有精测尺相位信息，依次经过一号光电探测器、六号放大电路和一号滤波电路放大并滤除高频信号，只输出频率为f₁的参考信号，三号双路分光光纤的另一束经过二号光电探测器、七号放大电路和二号滤波电后，滤除额外频率的信号，分别只输出频率为v₂和f的参考信号；

步骤5：根据步骤3输入到光信号接收及处理模块的测量光经过四号双路分光光纤被分成两束，其中一束进入到四号电光调制器在频率为v₁-f₁的正弦波驱动下进行强度调制，测量光中光强变化频率为v₁的精测尺经过调制后产生差频信号f₁，并带有精测尺距离测量相位信息，依次经过三号光电探测器、八号放大电路和三号滤波电路放大并滤除高频信号，只输出频率为f₁的测量信号，四号双路分光光纤的另一束输出经过四号光电探测器、九号放大电路和四号滤波电路后，滤除额外频率的信号，分别只输出频率为v₂和f的测量信号；

步骤6、高精度测相板卡分别对频率为f₁、v₂和f的参考信号和测量信号之间的相位差进行测量，相位差分别为

和

高精度测相板卡的数据合成

测尺的距离测量值通过下式表示：

其中，floor()函数为取整函数，频率为v₁的信号为精测尺，波长为λ₁；

通过下式表示被测距离：

优选地，对参考光、测量回光进行第二次强度调制实现差频解调，利用频率为v₁-f₁的正弦信号对测量回光中的精测尺信号

进行第二次强度调制，其中

当位于线性调制工作点时，通过下式表示调制后输出光信号：

通过下式表示产生了差频信号：

相位包含有精测的相位信息，使用探测器探测频率较低的差频信号f₁进行鉴相得到精测测量结果。

优选地，通过双高频信号差频调制产生粗测尺，在激光调制模块中分别通过电光调制器对激光进行高频v₃和v₃+f的光强调制，在光信号接收和处理模块中探测测量光和参考光中频率为f的差频信号作为粗测尺，通过下式表示在光电探测器处频率为v₃和v₃+f的测量光信号：

那么光电探测器探测到的频率为f的光强信号通过下式表示：

作为粗测尺信号，相位为粗测测距结果。

优选地，多频率发生模块产生的频率为v₁和v₁-f₁的信号来自同一个信号源一号晶振。

本发明具有以下有益效果：

本发明在高精度的测距***中，精测尺的测距结果决定了测距***能达到的精度，精测尺频率越高，测距精度越高，但在进行光信号接收与测相中，受现有的探测器件带宽的限制，难以对几十GHz的精测尺信号进行探测或探测效果不佳。常用外差或者超外差的光电探测方法可以减小探测频率值，然而当光程差大于相干长度时，干涉信噪比下降，难以进行相位提取，也进一步限制了测距***精度的提高。

本发明利用电光强度调制器对参考光和测量光中的精测尺信号(频率为v₁)进行二次调制，以频率为v₁-f₁的正弦波作为调制信号，在电光调制器工作在线性工作区时，会产生频率为f₁的差频信号，并且其相位中包含有精测尺测量的相位信息，实现了对精测尺信号的差频解调。通过探测测量信号和参考信号解调后频率为f₁的差频信号并进行测相，其测量值即为精测尺的测量结果。在高精度的测距***中，利用该装置和方法对精测尺进行差频解调，通过探测频率较低的差频信号(频率为f₁)来获取精测尺的测距信息，避免了直接探测精测尺光信号，解决了高频光信号难以探测或探测效果差的问题，打破了探测器件带宽、激光相干长度对测距精度的限制，可实现亚毫米甚至数十微米级测距***的精度。这是本发明区别现有装置的创新点之一。

本发明在高精度大范围的测距***中，粗测尺的测距结果决定了测距***的测量范围，粗测尺频率越低，测距范围越大，但由于射频线阻抗、射频joule效应等，高带宽电光调制器无法用于低频信号调制(低于1MHz)，因此在保证测距精度的同时，粗精测尺的调制不能在同一调制器件中同步产生，测距范围的扩展受调制带宽影响。

本发明在激光调制模块中采用电光调制器分别进行双高频(v₃和v₃+f)的差频调制；利用频率为v₃和v₃+f的信号进行测距，通过探测测量光和参考光中的差频信号f作为粗测尺信号，其相位即为粗测尺测距结果。在高精度大范围的测距***中，利用该装置和方法通过差频调制产生粗测尺，避免使用高带宽调制器同时用于低频调制，并且能通过探测两个高频信号的差频信号获取粗测尺的测距信息，打破了调制带宽对扩展测距范围的限制，可使测距范围达到几百米至几十万千米内。这是本发明区别现有装置的创新点之二。

附图说明

图1为本发明的激光测距装置的总体结构示意图；

图2为多频率发生模块的结构示意图；

图3为激光调制模块的结构示意图；

图4为测量光路的结构示意图；

图5为光信号接收及处理模块的结构示意图。

1为多频率发生模块、2为激光调制模块、3为测量光路、4为光信号接收及处理模块、5为一号晶振、6为二号晶振、7为三号晶振、8为一号锁相倍频电路、9为二号锁相倍频电路、10为三号锁相倍频电路、11为四号锁相倍频电路、12为一号放大电路、13为二号放大电路、14为三号放大电路、15为四号放大电路、16为五号放大电路、17为一号功率合成器、18为二号功率合成器、19为激光器、20为一号双路分光光纤、21为一号电光调制器、22为二号电光调制器、23为二号双路分光光纤、24为一号准直器、25为二号准直器、26为三号准直器、27为分光镜、28为扩束镜组、29为测量角锥、30为三号双路分光光纤、31为四号双路分光光纤、32为三号电光调制器、33为四号电光调制器、34为一号光电探测器、35为二号光电探测器、36为三号光电探测器、37为四号光电探测器、38为六号放大电路、39为七号放大电路、40为八号放大电路、41为九号放大电路、42为一号滤波电路、43为二号滤波电路、44为三号滤波电路、45为四号滤波电路、46为高精度测相板卡。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。

具体实施例一：

根据图1至图5所示，参照图1至图5所示，粗精测尺差频调制与解调的相位激光测距装置，包括多频率发生模块1、激光调制模块2、测量光路3和光信号接收及处理模块4，多频率发生模块1产生三路输出，其中两路输入到激光调制模块2对激光进行调制，另一路输入到光信号处理与接收模块4，激光调制模块的输出光输入到测量光路3，测量光路3的两路输出光分别为测量光和参考光输入到光信号接收及处理模块4进行测相；

多频率发生模块1包括一号晶振5、二号晶振6、三号晶振7、一号锁相倍频电路8、二号锁相倍频电路9、三号锁相倍频电路10、四号锁相倍频电路11、一号到五号放大电路12～16、一号功率合成器17和二号功率合成器18，一号晶振5的输出端连接到一号锁相倍频电路8的输入端，并经过一号放大电路12，一号晶振5的输出信号连接到二号锁相倍频电路9的输入端，并经过二号放大电路13，二号晶振6的输出端连接到三号放大电路14的输入端，三号晶振7的输出信号连接到三号锁相倍频电路10的输入端，并经过四号放大电路15，三号晶振7的输出信号连接到四号锁相倍频电路11的输入端，并经过五号放大电路16；一号放大电路12的输出端和五号放大电路16的输出端分别输入到一号功率合成器17的两个输入端，一号功率合成器17的输出端连接到一号电光调制器21的输入端作为驱动信号，二号功率合成器18的输出端连接到二号电光调制器22的输入端作为驱动信号，二号放大电路14的输出端连接到三号电光调制器32和四号电光调制器33的输入端作为驱动信号；

激光调制模块2包括激光器19、一号电光调制器21、二号电光调制器22、一号双路分光光纤20和二号双路分光光纤23。激光器19的输出连接到一号双路分路光纤20被分成两路，一号双路分路光纤20的一路输出端连接到一号电光调制器21的输入端，另一路输出端连接到二号电光调制器22的输入端，一号电光调制器21和二号光电调制器22的输出端分别连接到二号双路分路光纤23的两个输入端，二号双路分路光纤23的输出端连接到测量光路3的输入端；

测量光路3包括一号准直器24、二号准直器25、三号准直器26、分光镜27、扩束镜组28以及测量角锥29。二号双路分路光纤23的输出端连接到一号准直器24的输入端，一号准直器24的输出端连接到分光镜27，分光镜27的一路输出作为参考光连接到二号准直器的输入端25，二号准直器25的输出端连接到光信号接收及处理模块4的一个输入端，分光镜27的另一路输出连接到扩束镜组28的输入端，扩束镜组28的输出端连接到测量角锥29的输入端，测量角锥29的输出端经过扩束镜组28连接到分光镜27的输入端，分光镜27的输出端连接到三号准直镜26的输入端作为测量光，三号准直镜26的输出端到光信号接收及处理模块4的另一个输入端；

光信号接收及处理模块4包括三号双路分光光纤30、四号双路分光光纤31、三号电光调制器32、四号电光调制器33、一号至四号光电探测器34～37、六号至九号放大电路38～41、一号至四号滤波电路42～45以及高精度测相板卡46。测量光路3的一个输出端作为参考光与三号双路分光光纤30的输入端连接后并被分成两路，三号双路分光光纤30的一个输出端连接到三号电光调制器32的输入端，三号电光调制器32的输入端连接到一号光电探测器34的输入端，一号光电探测器34的输出端、六号放大电路38和一号滤波电路42依次连接，一号滤波电路42的输出端连接到高精度测相板卡，三号双路分光光纤30的另一个输出端连接到二号光电探测器35的输入端后，依次经过七号放大电路39和二号滤波电路43后连接到高精度测相板卡；测量光路3的另一个输出端作为测量光与四号双路分路光纤31的输入端连接并被分成两路，四号双路分路光纤31的其中一路输出端连接到四号电光调制器33的输入端，四号电光调制器33的输出端、三号光电探测器36、八号放大电路40和三号滤波电路44依次连接，三号滤波电路44的输出端连接到高精度测相板卡46；四号双路分路光纤31的另一路输出端连接到四号光电探测器37的输入端，并依次经过九号放大电路41和四号滤波电路45连接到高精度测相板卡46。

一种粗精测尺差频调制与解调的相位激光测距方法，应用于上述的粗精测尺差频调制与解调的相位激光测距装置，其特征在于，所述激光测距方法包括以下步骤：

步骤1、开启多频率发生模块1和激光器19，输出频率为v₁、v₁-f₁、v₂、v₃和v₃+f的正弦波，输出的激光经过一号双路分光光纤20分成两路激光，其中一路激光输入到一号电光调制器21在频率为v₁和v₃的正弦波驱动下进行强度调制，另一路激光输入到二号电光调制器22在频率为v₂和v₃+f的正弦波驱动下进行强度调制，两路调制输出激光经过二号双路分光光纤23合成一束激光；

步骤2、由步骤一产生的一束激光经一号准直器24入射到分光镜27分成两束激光，一束激光作为参考光经二号准直器25输入到光信号接收及处理模块4，另一束作为测量光经过扩束镜组28出射到测量角锥棱镜29；

步骤3、测量开始，移动测量角锥棱镜29到目标端，测量光经过角锥棱镜29的反射后，再次经过扩束镜组28入射到分光镜27，分光镜27输出的激光为携带距离信息的测量光经三号准直器26输入到光信号接收及处理模块4；

步骤4、由步骤2输入到光信号接收及处理模块4的参考光经过三号双路分光光纤30被分成两束激光，其中一束进入到三号电光调制器32在频率为v₁-f₁的正弦波驱动下进行强度调制，参考光中光强变化频率为v₁的精测尺经过调制后产生差频信号f₁，并带有精测尺相位信息，依次经过一号光电探测器34、六号放大电路38和一号滤波电路42放大并滤除高频信号，使其只输出频率为f₁的参考信号，三号双路分光光纤30的另一束经过二号光电探测器33、七号放大电路39和二号滤波电路43后，滤除其他频率的信号，分别只输出频率为v₂和f的参考信号；

步骤5、由步骤3输入到光信号接收及处理模块4的测量光经过四号双路分光光纤31被分成两束，其中一束进入到四号电光调制器33在频率为v₁-f₁的正弦波驱动下进行强度调制，测量光中光强变化频率为v₁的精测尺经过调制后产生差频信号f₁，并带有精测尺距离测量相位信息，依次经过三号光电探测器36、八号放大电路40和三号滤波电路44放大并滤除高频信号，使其只输出频率为f₁的测量信号，四号双路分光光纤31的另一束输出经过四号光电探测器37、九号放大电路41和四号滤波电路45后，滤除其他频率的信号，分别只输出频率为v₂和f的测量信号；

步骤6、高精度测相板卡4分别对频率为f₁、v₂和的参考信号和测量信号之间的相位差进行测量，相位差分别为

和

高精度测相板卡的数据合成单元对三个相位差值进行合成生成距离值，粗测尺频率为f，波长为λ，粗测尺的距离测量值为

频率为v₂的信号为次级粗测尺，波长为λ₂，次级粗测尺的距离测量值为

频率为v₁的信号为精测尺，波长为λ₁，被测距离为

为了解决精测尺频率v₁过高难以探测或探测效果差的问题，对参考光、测量回光进行第二次强度调制实现差频解调。利用频率为v₁-f₁的正弦信号对测量回光中的精测尺信号

进行第二次强度调制，其中

当位于线性调制工作点时，调制后输出光信号为

产生了差频信号

其相位包含有精测的相位信息，使用探测器探测频率较低的差频信号f₁进行鉴相得到精测测量结果。

为了解决电光调制器低频调制效果不佳的问题，通过双高频信号差频调制产生粗测尺。在激光调制模块中分别通过电光调制器对激光进行高频v₃和v₃+f的光强调制，在光信号接收和处理模块中探测测量光和参考光中频率为f的差频信号作为粗测尺，设在光电探测器处频率为v₃和v₃+f的测量光信号为：

其中

那么光电探测器可以探测到的频率为f的光强信号为:

以此作为粗测尺信号，其相位为粗测测距结果。

所述多频率发生模块1产生的频率为v₁和v₁-f₁的信号来自同一个信号源一号晶振5，因此探测到的精测差频信号f₁消除了共模噪声，具有较好的频率稳定度。

以上所述仅是一种粗精测尺差频调制与解调的相位激光测距装置与测距方法的优选实施方式，一种粗精测尺差频调制与解调的相位激光测距装置与测距方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种粗精测尺差频调制与解调的相位激光测距装置，其特征是：所述装置包括：多频率发生模块、激光调制模块、测量光路和光信号接收及处理模块，多频率发生模块产生三路输出，其中，两路输入到激光调制模块对激光进行调制，另一路输入到光信号处理与接收模块；激光调制模块的输出光输入到测量光路，测量光路的两路输出光分别为测量光和参考光输入到光信号接收及处理模块进行测相。

2.根据权利要求1所述的一种粗精测尺差频调制与解调的相位激光测距装置，其特征是：所述多频率发生模块包括一号晶振、二号晶振、三号晶振、一号锁相倍频电路、二号锁相倍频电路、三号锁相倍频电路、四号锁相倍频电路、一号至五号放大电路、一号功率合成器和二号功率合成器；

一号晶振的输出端连接到一号锁相倍频电路的输入端，经过一号放大电路；一号晶振的输出信号连接到二号锁相倍频电路的输入端，并经过二号放大电路，二号晶振的输出端连接到三号放大电路的输入端，三号晶振的输出信号连接到三号锁相倍频电路的输入端，并经过四号放大电路；三号晶振的输出信号连接到四号锁相倍频电路的输入端，并经过五号放大电路；一号放大电路的输出端和五号放大电路的输出端分别输入到一号功率合成器的两个输入端，一号功率合成器的输出端连接到一号电光调制器的输入端作为驱动信号，二号功率合成器的输出端连接到二号电光调制器的输入端作为驱动信号，二号放大电路(14)的输出端连接到三号电光调制器和四号电光调制器的输入端作为驱动信号。

3.根据权利要求2所述的一种粗精测尺差频调制与解调的相位激光测距装置，其特征是：激光调制模块包括激光器、一号电光调制器、二号电光调制器、一号双路分光光纤和二号双路分光光纤；激光器的输出连接到一号双路分路光纤被分成两路，一号双路分路光纤的一路输出端连接到一号电光调制器的输入端，另一路输出端连接到二号电光调制器的输入端，一号电光调制器和二号光电调制器的输出端分别连接到二号双路分路光纤的两个输入端，二号双路分路光纤的输出端连接到测量光路的输入端。

4.根据权利要求3所述的一种粗精测尺差频调制与解调的相位激光测距装置，其特征是：所述测量光路包括一号准直器、二号准直器、三号准直器、分光镜、扩束镜组和测量角锥；二号双路分路光纤的输出端连接到一号准直器的输入端，一号准直器的输出端连接到分光镜，分光镜的一路输出作为参考光连接到二号准直器的输入端，二号准直器的输出端连接到光信号接收及处理模块的一个输入端，分光镜的另一路输出连接到扩束镜组的输入端，扩束镜组的输出端连接到测量角锥的输入端，测量角锥的输出端经过扩束镜组连接到分光镜的输入端，分光镜的输出端连接到三号准直镜的输入端作为测量光，三号准直镜的输出端到光信号接收及处理模块的另一个输入端。

5.根据权利要求4所述的一种粗精测尺差频调制与解调的相位激光测距装置，其特征是：所述光信号接收及处理模块包括由三号双路分光光纤、四号双路分光光纤、三号电光调制器、四号电光调制器、一号至四号光电探测器、六号至九号放大电路、一号至四号滤波电路和高精度测相板卡；测量光路的一个输出端作为参考光与三号双路分光光纤的输入端连接后并被分成两路，三号双路分光光纤的一个输出端连接到三号电光调制器的输入端，三号电光调制器的输入端连接到一号光电探测器的输入端，一号光电探测器的输出端、六号放大电路和一号滤波电路依次连接，一号滤波电路的输出端连接到高精度测相板卡，三号双路分光光纤的另一个输出端连接到二号光电探测器的输入端后，依次经过七号放大电路和二号滤波电路后连接到高精度测相板卡；

测量光路的另一个输出端作为测量光与四号双路分路光纤的输入端连接并被分成两路，四号双路分路光纤的其中一路输出端连接到四号电光调制器的输入端，四号电光调制器的输出端、三号光电探测器、八号放大电路和三号滤波电路依次连接，三号滤波电路的输出端连接到高精度测相板卡；四号双路分路光纤的另一路输出端连接到四号光电探测器的输入端，并依次经过九号放大电路和四号滤波电路连接到高精度测相板卡。

6.一种粗精测尺差频调制与解调的相位激光测距方法，所述方法基于权利要求5所述的一种粗精测尺差频调制与解调的相位激光测距装置，其特征是：包括以下步骤：

步骤1：开启多频率发生模块和激光器，输出频率为v₁、v₁-f₁、v₂、v₃和v₃+f的正弦波电信号，输出的激光经过一号双路分光光纤分成两路激光，其中一路激光输入到一号电光调制器在频率为v₁和v₃的正弦波驱动下进行强度调制，另一路激光输入到二号电光调制器在频率为v₂和v₃+f的正弦波驱动下进行强度调制，两路调制输出激光经过二号双路分光光纤合成一束激光；

步骤2：由步骤1产生的一束激光经一号准直器入射到分光镜分成两束激光，一束激光作为参考光经二号准直器输入到光信号接收及处理模块，另一束作为测量光经过扩束镜组出射到测量角锥棱镜；

步骤3：移动测量角锥棱镜到目标端，测量光经过角锥棱镜的反射后，再次经过扩束镜组入射到分光镜，分光镜输出的激光为携带距离信息的测量光经三号准直器输入到光信号接收及处理模块；

步骤4：根据步骤2输入到光信号接收及处理模块的参考光经过三号双路分光光纤被分成两束激光，其中一束进入到三号电光调制器在频率为v₁-f₁的正弦波驱动下进行强度调制，参考光中光强变化频率为v₁的精测尺经过调制后产生差频信号f₁，并带有精测尺相位信息，依次经过一号光电探测器、六号放大电路和一号滤波电路放大并滤除高频信号，只输出频率为f₁的参考信号，三号双路分光光纤的另一束经过二号光电探测器、七号放大电路和二号滤波电后，滤除额外频率的信号，分别只输出频率为v₂和f的参考信号；

步骤5：根据步骤3输入到光信号接收及处理模块的测量光经过四号双路分光光纤被分成两束，其中一束进入到四号电光调制器在频率为v₁-f₁的正弦波驱动下进行强度调制，测量光中光强变化频率为v₁的精测尺经过调制后产生差频信号f₁，并带有精测尺距离测量相位信息，依次经过三号光电探测器、八号放大电路和三号滤波电路放大并滤除高频信号，只输出频率为f₁的测量信号，四号双路分光光纤的另一束输出经过四号光电探测器、九号放大电路和四号滤波电路后，滤除额外频率的信号，分别只输出频率为v₂和f的测量信号；

步骤6、高精度测相板卡分别对频率为f₁、v₂和f的参考信号和测量信号之间的相位差进行测量，相位差分别为

和

高精度测相板卡的数据

次级粗测尺的距离测量值通过下式表示：

其中，floor()函数为取整函数，频率为v₁的信号为精测尺，波长为λ₁；

通过下式表示被测距离：

7.根据权利要求6所述的一种粗精测尺差频调制与解调的相位激光测距方法，其特征是：对参考光、测量回光进行第二次强度调制实现差频解调，利用频率为v₁-f₁的正弦信号对测量回光中的精测尺信号

进行第二次强度调制，其中

当位于线性调制工作点时，通过下式表示调制后输出光信号：

通过下式表示产生了差频信号：

相位包含有精测的相位信息，使用探测器探测频率较低的差频信号f₁进行鉴相得到精测测量结果。

8.根据权利要求6所述的一种粗精测尺差频调制与解调的相位激光测距方法，其特征是：

通过双高频信号差频调制产生粗测尺，在激光调制模块中分别通过电光调制器对激光进行高频v₃和v₃+f的光强调制，在光信号接收和处理模块中探测测量光和参考光中频率为f的差频信号作为粗测尺，通过下式表示在光电探测器处频率为v₃和v₃+f的测量光信号：

那么光电探测器探测到的频率为f的光强信号通过下式表示：

作为粗测尺信号，相位为粗测测距结果。

9.根据权利要求6所述的一种粗精测尺差频调制与解调的相位激光测距方法，其特征是：

多频率发生模块产生的频率为v₁和v₁-f₁的信号来自同一个信号源一号晶振。

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