测距装置及方法与流程

1.本公开涉及工业测量技术领域，尤其涉及一种测距装置及方法。


背景技术：

2.大尺寸工业测量范围在几米到几十米之间，高精度绝对测距是大尺寸工业测量中所采用的多种测量装备的技术基础。
3.现有基于激光偏振调制测距的装置及方法中，多采用空间体相位调制器和波导相位调制器，均为基于空间光路的系统。其中，空间体相位调制器所需驱动电压较高，高频高压电信号发热容易造成温度漂移，需要复杂的温度控制系统，空间准直光路对仪器加工装配都提出了极高要求。而采用波导相位调制器的偏测距系统为了满足对传输光信号偏振态的控制需求，存在未全部采用光纤器件，光路系统复杂等问题，没能充分发挥出基于激光偏振测距系统的优势。


技术实现要素：

4.(一)要解决的技术问题
5.针对于现有的技术问题，本公开提供一种测距装置及方法，用于至少部分解决以上技术问题。
6.(二)技术方案
7.本公开提供一种测距装置，包括：偏振光产生模块a，用于产生线偏振光；相位调制模块b，用于调制线偏振光的相位，输出调制得到的偏振光到被测物产生反射光，以及调制反射光的相位，反射光用于测距；分束装置4，用于对经相位调制模块b调制后的反射光进行检偏；其中，相位调制模块b包括相位调制器5和波片6，偏振光产生模块a与分束装置4之间通过第一保偏光纤31传输，分束装置4与相位调制器5之间通过第二保偏光纤32传输，第二保偏光纤32用于控制线偏振光和相位调制器5中电场间的夹角为第一角度，以及相位调制器5与波片6之间通过第三保偏光纤33传输，第三保偏光纤33的快轴与波片6的快轴夹角为第二角度，第一角度和第二角度相等或互补。
8.可选地，测距装置还包括：空间反射光模块c，用于利用调制相位后的偏振光在测距空间内传输并产生反射光；控制模块d，用于向相位调制模块b发送调制信号以及根据反射光的强度计算距离。
9.可选地，控制模块d包括：光电探测器9，控制电路系统10和调制信号发生单元11；其中，光电探测器9用于将反射光转换成电信号，控制电路系统10用于根据电信号计算距离以及控制调制信号发生单元11向相位调制模块b发送调制信号，调制信号为三角函数信号。
10.可选地，反射光产生模块c包括：扩束器7和反射镜8；其中，扩束器7用于对调制相位后的偏振光进行扩束，反射镜8设置在被测物体上，用于反射扩束后的偏振光，扩束器7与反射镜8之间的距离为被测空间距离。
11.可选地，分束装置4包括：保偏光纤耦合器或分束器或环形器中的任意一种。
12.可选地，偏振光产生模块a包括：线偏振光光源1’；或者，宽带光源1和隔离器2；其中，线偏振光光源1’用于产生线偏振光，宽带光源1用于产生宽光谱低相干光线，隔离器2用于利用宽光谱低相干光线产生线偏振光。
13.可选地，第一角度和第二角度为45
°
或135
°
。
14.可选地，相位调制器5为直波导电光相位调制器。
15.可选地，波片6为1/4波片。
16.本公开另一方面提供一种测距方法，包括：通过偏振光产生模块a产生线偏振光；采用保偏光纤传输线偏振光到相位调制模块b；利用三角函数信号调制线偏振光得到偏振光，偏振光经被测物上的反射镜8反射得到反射光；移动反射镜8，利用三角函数信号调制反射光，测量调制后的反射光的强度；根据反射光的强度最大值或最小值对应的三角函数信号的频率值计算得到所测距离。
17.(三)有益效果
18.本公开提供一种测距装置，采用保偏光纤传输线偏振光，通过合理设计保偏光纤的对准角度，可以保证光信号的偏振态，大大简化了系统的光路结构。
19.基于本公开提出的测距装置，通过三角函数信号驱动直波导电光相位调制器对线偏振光进行调制，系统所需的电压幅值约为半波电压的一半，大大降低了电路系统的复杂度。同时，有利于获得更大的扫频范围，扩展调制器的工作频率带宽，进而可以提升测距装置的测量精度和测量距离，实现大范围高精度的绝对距离测量。
20.本公开提供的测距装置，系统光路和电路结构简单，可靠性高，便于在工业测量中应用，在航空航天和军事等领域有着广泛的应用前景。
附图说明
21.通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
22.图1示意性示出了根据本公开实施例的测距装置结构图；
23.图2示意性示出了根据本公开另一实施例的测距装置结构图；
24.图3示意性示出了根据本公开又一实施例的测距装置结构图；
25.图4示意性示出了根据本公开实施例的测距方法流程图。
26.【附图标记说明】
[0027]1’‑
线偏振光光源
[0028]1‑
宽带光源
[0029]2‑
隔离器
[0030]
31
‑
第一保偏光纤
[0031]
32
‑
第二保偏光纤
[0032]
33
‑
第三保偏光纤
[0033]4‑
分束装置
[0034]5‑
相位调制器
[0035]6‑
波片
[0036]7‑
扩束器
[0037]8‑
反射镜
[0038]9‑
光电探测器
[0039]
10
‑
控制电路系统
[0040]
11
‑
调制信号发生单元
[0041]
a
‑
偏振光产生模块
[0042]
b
‑
相位调制模块
[0043]
c
‑
空间反射光模块
[0044]
d
‑
控制模块
具体实施方式
[0045]
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
[0046]
需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。说明书中示例的各个实施例中的技术特征在无冲突的前提下可以进行自由组合形成新的方案，另外每个权利要求可以单独作为一个实施例或者各个权利要求中的技术特征可以进行组合作为新的实施例，且在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中未绘示或描述的元件或实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。
[0047]
除非存在技术障碍或矛盾，本公开的上述各种实施方式可以自由组合以形成另外的实施例，这些另外的实施例均在本公开的保护范围中。
[0048]
虽然结合附图对本公开进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本公开优选实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本公开的一种限制。附图中的尺寸比例仅仅是示意性的，并不能理解为对本公开的限制。
[0049]
虽然本公开总体构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体公开构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本公开的范围以权利要求和它们的等同物限定。
[0050]
图1示意性示出了根据本公开实施例的测距装置结构图。
[0051]
根据本公开的实施例，如图1所示，测距装置例如包括：偏振光产生模块a，用于产生线偏振光。相位调制模块b，用于调制线偏振光的相位产生偏振光。空间反射光模块c，用于利用调制相位后的偏振光产生反射光。分束装置4，用于对经相位调制模块b调制后的反射光进行检偏。以及控制模块d，用于向相位调制模块b发送调制信号以及根据反射光的强度计算距离。其中，偏振光产生模块a与分束装置4之间通过第一保偏光纤31传输，分束装置4与相位调制模块b之间通过第二保偏光纤32传输，以及相位调制模块b中的线偏振光调制成偏振光后也通过保偏光纤传输。偏振光产生模块a产生的线偏振光经过保偏光纤传输到相位调制模块b，相位调制模块b在控制模块d发出的调制信号的驱动下，对线偏振光进行调制，调制得到的偏振光在空间反射光模块c中通过被反射产生反射光的方式测量待测物的尺寸或者某个距离，之后反射光沿着原光路返回，在相位调制模块b中被调制，再经过分束装置4分束后被控制模块d探测。不同频率的调制信号可以调制得到不同强度的调制后的反
射光，找到反射光能量极值(最大值或最小值)时刻所对应调制信号的频率值，可以求解得到被测尺寸或距离。调制信号可以为正弦波信号、余弦波信号等三角函数信号。
[0052]
图2示意性示出了根据本公开另一实施例的测距装置结构图。
[0053]
根据本公开的实施例，如图2所示，偏振光产生模块a例如包括：线偏振光光源1’。相位调制模块b例如包括：相位调制器5和波片6。空间反射光模块c例如包括：扩束器7和反射镜8。控制模块d例如包括：光电探测器9，控制电路系统10和调制信号发生单元11。其中，分束装置4例如为环形器或保偏光纤耦合器、分束器，可以实现双方向的光信号传输，相位调制器5例如为直波导电光相位调制器，波片6例如为1/4波片，反射镜8例如为安装在被测物体上的反射镜，光电探测器9例如为pin光电探测器、apd光电探测器，调制信号发生单元11例如输出正弦波调制信号。由线偏振光光源1’产生的线偏振光，沿着保偏光纤进入保偏光纤环形器的端口
①
后，经端口
②
输出仍为线偏振光。端口
②
的保偏光纤快轴与直波导电光相位调制器输入端口的保偏光纤快轴间的夹角例如为45
°
或135
°
，线偏振光进入直波导电光相位调制器经正弦波调制信号调制后输出。直波导电光相位调制器输出端口的保偏光纤快轴与光纤1/4波片的快轴夹角例如为45
°
或135
°
。这两个夹角例如均为45
°
或者135
°
，以使得线偏振光的偏振分量可以等分量分解到x，y轴(即快轴和慢轴)上，保证了对偏振光的偏振态调制的一致性。1/4波片输出的偏振光经光纤准直扩束器扩束后，沿空间传输到与被测物固定连接的反射镜8。将1/4波片放置于调制器之后，可以调整调制后的偏振光的相位，例如往返产生1/2相位变化，进一步保证了在空间中传输光的偏振态。反射光线沿原光路返回依次经过光纤准直扩束器、光纤1/4波片、直波导电光相位调制器，经过正弦波二次调制的偏振光进入保偏光纤环形器的端口
②
后，经环形器的端口
③
输出被光电探测器9检测。调制信号发生单元11例如以固定频率间隔输出扫频调制正弦调制信号到相位调制器5，不同频率正弦信号调制的偏振光(即反射光)在光电探测器9处采集得到不同的光强度信号，控制电路系统10对光电探测器9的电流信号进行采样处理，解算得到反射光所传输过的空间传输距离。
[0054]
根据本公开的实施例，例如可以通过偏振光的琼斯传输矩阵和马吕斯定律来计算反射光的空间传输距离。当施加正弦波调制信号时，光电探测器检测到的光强度为：
[0055][0056]
其中，i(t)为光电探测器9检测到的光强度，e0为线偏振光光源1’输出线偏振光的能量，c为光速，f为正弦波调制信号的频率，l为反射光的空间传输距离。公式(1)中，反射光能量(强度)最小值对应的余弦函数值为1，可以得到：
[0057][0058]
其中，n表示任意自然数。由于调制信号的频率较高，存在多周期模糊距离问题，因而选取连续两个光能量极小值点代入公式(2)，可以得到：
[0059][0060]
[0061]
n2＝n1 1
ꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0062]
其中，n1、n2表示任意的两个连续自然数，f1、f2表示连续两个光能量极小值点对应的正弦波的频率。联立公式(3)、(4)、(5)，可以得到：
[0063][0064]
其中，[]表示取整运算，f1、f2可以由控制电路系统10的正弦波发生模块直接得到。将公式(6)代入公式(3)，即可得到反射光的空间传输距离。
[0065]
图3示意性示出了根据本公开又一实施例的测距装置结构图。
[0066]
根据本公开的实施例，如图3所示，偏振光产生模块a例如也可以包括宽带光源1和隔离器2。其中，宽带光源1用于产生宽光谱低相干光线，隔离器2用于利用宽光谱低相干光线产生线偏振光。隔离器2是允许光向一个方向通过而阻止光向相反方向通过的器件，使光只能单方向传输，通过光纤回波反射的光能够被隔离器2很好的隔离，提高了光波的传输效率。
[0067]
图4示意性示出了根据本公开实施例的测距方法流程图。
[0068]
本公开另一方面提供一种测距方法，如图4所示，测距方法例如包括：
[0069]
s410，通过偏振光产生模块a产生线偏振光。
[0070]
s420，采用保偏光纤传输线偏振光到相位调制模块b。
[0071]
s430，利用三角函数信号调制线偏振光得到偏振光，偏振光经被测物上的反射镜8反射得到反射光。s440，移动反射镜8，利用三角函数信号调制反射光，测量调制后的反射光的强度。
[0072]
根据本公开的实施例，例如在空间测距范围内，通过移动反射镜8表征被测物的尺寸，并测量移动前后被反射镜8反射得到的反射光的强度，可以代入公式(1)～(6)，联立解得待测距离。通过合理优化光器件参数，例如控制正向、反向调制的一致性，使其误差在例如5％以内，以及调整正弦波调制信号的扫频带宽例如为800mhz～1ghz和扫频步进例如为100khz，可以在几十米至上百米的距离内实现μm量级的测量精度。
[0073]
s450，根据反射光的强度最大值或最小值对应的三角函数信号的频率值计算得到所测距离。
[0074]
综上所述，本公开实施例提出一种测距装置。通过在系统中使用保偏光纤，实现了全系统采用光纤波导器件，不需要进行空间光路的对准，对仪器加工精度要求更低，使得系统的结构简单紧凑，提高了测距装置的可靠性。
[0075]
方法实施例部分未尽细节之处与装置实施例部分类似，请参见装置实施例部分，此处不再赘述。
[0076]
应该明白，公开的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本公开的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不是要限于的特定顺序或层次。
[0077]
还需要说明的是，实施例中提到的方向术语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构
造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。
[0078]
在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要比清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本公开处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本公开单独的优选实施方案。
[0079]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括，”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。
[0080]
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。