一种光载微波干涉测距系统及其测试方法

1.本发明涉及激光测距技术领域，尤其涉及一种光载微波干涉测距系统及其测试方法。


背景技术：

2.长度信息是机械几何量测量领域内的最基本、最核心观测量，从空天尺度的测量定位系统(地球全球定位系统(gps)、北斗)，到工业制造的三维坐标测量系统，乃至微纳米尺度的观测系统,高精度测距都扮演着基础且至关重要的角色。由于激光独有的高准直、高相干性等多重特性,激光测距技术，如干涉法、脉冲飞行时间法、相位调制法、多波长干涉法,在测距领域具有统治性地位，尤其在以飞机、火箭、船舶为代表的大型高端装备制造领域得到了广泛的应用。大型先进装备制造过程中面临尺度空间大、精度需求高、部件结构复杂以及环境不可控制等诸多问题，随着数字化制造技术的不断进步并逐渐向智能化发展，要求工业测量场景下的高精度测距技术能够保证大尺寸空间下的精度保持与统一，兼具高效的测量能力、良好的环境适应能力和现场溯源能力。现有的光频梳测距由于梳齿间距过大，即便是使用电光调制产生的光频梳的梳齿也有10ghz的间距，导致光频梳测距需要考虑最大非模糊距离的问题，应用双光频梳或者多光频梳虽然可以拓展最大非模糊距离，但成本较高且数据处理较为复杂。同时，光频梳测距系统利用光谱仪分析干涉，光谱仪的采样方式为等波长间隔采样而不是等频率间隔采样，应用傅里叶变换处理信号时需要进行重采样以减小误差，导致信号处理成本增加。
3.光载微波干涉传感方法将加载在光波上，融合了电磁波中光波和微波各自独特的优点，解决了传统光纤传感对波导敏感，容易受偏振影响等缺点。同时，光载微波干涉光纤传感更容易实现高空间分辨率，高精度，长距离分布式传感，这些独特的优点让这种新型传感技术在桥梁，矿井等探测方面有潜在应用价值。微波比光波频率低3-5个数量级，应用微波信号代替光频梳进行测量可以有效的提高测距系统的测量范围。因此，如何利用光载微波信号精确测量空间距离是亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，有必要提供及一种光载微波干涉测距系统及其测试方法，用以克服现有技术中应用微波信号对空间距离测量灵敏度不够的问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明提供一种光载微波干涉测距系统，包括：光载微波形成单元、干涉单元、耦合单元和扫频单元，其中：
6.所述光载微波形成单元，用于将所述扫频单元发射的微波信号调制到宽带光源上，形成光载微波；
7.所述干涉单元，与所述光载微波形成单元连接，用于将光载微波形成测量光和参考光，并根据测量光和参考光形成干涉后的光载微波；
8.所述耦合单元，与所述干涉单元连接，用于测量所述干涉后的光载微波的光电流
幅度；
9.所述扫频单元，分别与所述光载微波形成单元、所述耦合单元连接，用于进行步进扫频，生成不同频点的微波信号，并根据干涉形成的光电流幅度，确定被测物与干涉单元中的准直器之间的距离。
10.进一步地，所述光载微波形成单元包括依次连接的宽带光源、电光调制器、光放大器，其中：
11.所述宽带光源，用于发射光载波；
12.所述电光调制器，用于将所述扫频单元发射的不同频点的微波信号调制到所述宽带光源，形成调制信号；
13.所述光放大器，用于对所述调制信号进行放大，形成所述光载微波。
14.进一步地，所述干涉单元包括依次连接的环形器、光纤光栅、准直器，其中：
15.所述环形器，用于将所述光载微波通过其中一个端口发送至所述光纤光栅，形成发射信号；
16.所述光纤光栅，用于将所述发射信号反射，形成所述参考光；
17.所述准直器，用于将所述发射信号发射到自由空间，被测物体的反射光通过准直器返回光纤，形成测量光，与所述参考光发生干涉，形成所述干涉后的光载微波。
18.进一步地，所述耦合单元包括与环形器连接的耦合器，与所述耦合器分别连接的光谱仪和光电探测器，以及与所述光电探测器连接的频谱分析仪，其中：
19.所述耦合器，用于将所述干涉后的光载微波分成第一路信号和第二路信号；
20.所述光谱仪，用于根据所述第一路信号，检测光纤光栅的中心波长，实现环境温度的监测；
21.所述光电探测器，用于根据所述第二路信号转换为光电流信号；
22.所述频谱分析仪，用于测量所述光电流信号的幅度，确定干涉信号的自由频谱范围。
23.进一步地，所述扫频单元包括相互连接的可调谐微波源和数据处理中心，其中：
24.所述可调谐微波源，用于进行步进扫频，生成不同频点的微波信号；
25.所述数据处理中心，与所述耦合单元的频谱分析仪连接，用于根据干涉形成的所述光电流幅度，确定被测物与干涉单元中的准直器之间的距离。
26.进一步地，调整所述准直器与所述光纤光栅的距离，使两路光载微波信号的光程差大于宽带载波光源的相干长度，而小于微波源的相干长度。
27.进一步地，所述光纤光栅还用于实现温度补偿.
28.本发明提供一种光载微波干涉测距系统的测试方法,基于如上所述的光载微波干涉测距系统，包括：
29.获取干涉形成的光电流幅度；
30.根据所述光电流幅度，确定被测物与干涉单元中的准直器之间的距离。
31.进一步地，所述根据所述光电流幅度，确定被测物与干涉单元中的准直器之间的距离，包括：
32.根据所述光电流幅度，确定光电流幅度与微波信号频率的函数关系；
33.根据所述光电流幅度与微波信号频率的函数关系，以及光纤光栅、准直器的相对
折射率，确定所述被测物与干涉单元中的准直器之间的距离。
34.进一步地，所述根据所述微波信号频率，以及光纤光栅、准直器的相对折射率，确定所述被测物与干涉单元中的准直器之间的距离，通过如下公式表示：
[0035][0036]
其中，l0表示所述光纤光栅与准直器之间的距离；按照所述微波信号从小到大的顺序，fk表示光电流幅度的第k个波谷所对应的微波信号频率，k表示正整数；na表示空气的相对折射率，ng表示光纤光栅到准直器之间的光纤纤芯的相对折射率，c表示真空中的光速。
[0037]
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：光载微波干涉对模式和偏振方向不敏感，可以避免模间干涉对测量结果的影响；应用宽谱光作为载波，不需要对光源的相位进行控制；参考面具有传感环境参量的功能。综上，本发明利用光纤光栅作为参考面，通过光谱仪检测光纤光栅的中心波长变化的方式测量温度，减小温度对测距的影响，低成本实现高精度、大范围的空间距离测量。
附图说明
[0038]
图1为本发明提供的光载微波干涉测距系统一实施例的结构示意图；
[0039]
图2为本发明提供的光载微波干涉测距系统的测试方法一实施例的流程示意图；
[0040]
图3为本发明提供的光电流幅值一实施例的波形示意图。
具体实施方式
[0041]
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
[0042]
在本发明的描述中，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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。此外，“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。
[0043]
在本发明的描述中，提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
[0044]
本发明提供了一种光载微波干涉测距系统及其测试方法，通过微波干涉谱的自由频谱范围获取距离信息，为进一步提高距离测量的灵敏性提供了新思路。
[0045]
在实施例描述之前，对相关词语进行释义：
[0046]
光载微波干涉：是指基于微波光子学原理，通过将光载微波信号进行相干叠加，并分析所得的干涉信号特性来实现对距离等参数的测量方式。融合了电磁波中光波和微波各自独特的优点，解决了传统光纤传感对波导敏感，容易受偏振影响等缺点。
[0047]
基于上述技术名词的描述，现有技术中，光波测距对传输介质敏感，测距结果容易被干扰。因而，本发明旨在提出一种高精确率的光载微波干涉测距系统及其测试方法。
[0048]
以下分别对具体实施例进行详细说明：
[0049]
本发明实施例提供了一种光载微波干涉测距系统，结合图1来看，图1为本发明提供的光载微波干涉测距系统一实施例的结构示意图，包括：光载微波形成单元、干涉单元、耦合单元和扫频单元，其中：
[0050]
所述光载微波形成单元，用于将所述扫频单元发射的微波信号调制到宽带光源上，形成光载微波；
[0051]
所述干涉单元，与所述光载微波形成单元连接，用于将光载微波形成测量光和参考光，并根据测量光和参考光形成干涉后的光载微波；
[0052]
所述耦合单元，与所述干涉单元连接，用于测量所述干涉后的光载微波的光电流幅度；
[0053]
所述扫频单元，分别与所述光载微波形成单元、所述耦合单元连接，用于进行步进扫频，生成不同频点的微波信号，并根据干涉形成的光电流幅度，确定被测物与干涉单元中的准直器之间的距离。
[0054]
在本发明实施例中，通过电光调制器将微波调制到放大宽带光源上形成光载微波，经过环形器和准直器发射到自由空间中，经过反射镜反射后返回准直器，发生干涉后经光电探测器转化为微波，通过计算机计算微波干涉谱的自由频谱范围获取距离信息。
[0055]
在本发明一个具体的实施例中，通过电光调制器3将可调谐微波源2发射的微波信号调制到放大宽带光源上形成光载微波，经过环形器5和准直器8发射到自由空间中，经过测量面反射后通过准直器8返回光纤形成测量光；从环形器5的2端口发射的光线部分被光纤光栅7反射形成参考光，与测量光发生干涉；对发生干涉后的光载微波信号通过1*2耦合器分为两路，一路进入光电探测器进行光电探测并测量出所得光电流的幅度，另一路进入光谱仪以监测光纤光栅的中心波长，获取环境的温度信息；微波信号从设定的频率开始步进扫频，并在每个频点重复以上过程，从而得到随所述微波信号频率变化而呈周期性变化的光电流幅度信息，最后根据所述光电流幅度信息解算出被测物与准直器的距离，并根据环境温度修正空气与光纤的折射率。
[0056]
作为优选的实施例，所述光载微波形成单元包括依次连接的宽带光源、电光调制器、光放大器，其中：
[0057]
所述宽带光源，用于发射光载波；
[0058]
所述电光调制器，用于将所述扫频单元发射的不同频点的微波信号调制到所述宽带光源，形成调制信号；
[0059]
所述光放大器，用于对所述调制信号进行放大，形成所述光载微波。
[0060]
在本发明实施例中，宽带光源用于产生光载微波的载波部分，电光调制器用于将微波以强度调制的方式调制到光波上，光放大器用于对光载微波进行放大，使经过准直器发射的光载微波有足够高的能量。
[0061]
作为优选的实施例，所述干涉单元包括依次连接的环形器、光纤光栅、准直器，其中：
[0062]
所述环形器，用于将所述光载微波通过其中一个端口发送至所述光纤光栅，形成发射信号；
[0063]
所述光纤光栅，用于将所述发射信号反射，形成所述参考光；
[0064]
所述准直器，用于将所述发射信号发射到自由空间，被测物体的反射光通过准直器返回光纤，形成测量光，与所述参考光发生干涉，形成所述干涉后的光载微波。
[0065]
在本发明实施例中，光纤光栅用于反射部分光载微波，形成参考光，参考光的包络与测量物的反射光包络发生干涉；从环形器5的2端口发射的光线部分被光纤光栅7反射形成参考光，与测量光发生干涉。
[0066]
作为优选的实施例，所述耦合单元包括与环形器连接的耦合器，与所述耦合器分别连接的光谱仪和光电探测器，以及与所述光电探测器连接的频谱分析仪，其中：
[0067]
所述耦合器，用于将所述干涉后的光载微波分成第一路信号和第二路信号；
[0068]
所述光谱仪，用于根据所述第一路信号，检测光纤光栅的中心波长，实现环境温度的监测；
[0069]
所述光电探测器，用于根据所述第二路信号转换为光电流信号；
[0070]
所述频谱分析仪，用于测量所述光电流信号的幅度，确定所述光电流幅度。
[0071]
在本发明实施例中，对发生干涉后的光载微波信号通过1*2耦合器分为两路，一路进入光电探测器进行光电探测并测量出所得光电流的幅度，另一路进入光谱仪以监测光纤光栅的中心波长，获取环境的温度信息；光谱仪用于监测光栅的中心波长的变化，修正温度变化对测距的影响；光电探测器用于将光载微波转化为微波信号，并滤除直流分量。
[0072]
作为优选的实施例，所述扫频单元包括相互连接的可调谐微波源和数据处理中心，其中：
[0073]
所述可调谐微波源，用于进行步进扫频，生成不同频点的微波信号；
[0074]
所述数据处理中心，与所述耦合单元的频谱分析仪连接，用于根据干涉形成的所述光电流幅度，确定被测物与干涉单元中的准直器之间的距离。
[0075]
在本发明实施例中，基于可调谐微波源和数据处理中心，进行步进扫频，有效测量距离。
[0076]
作为优选的实施例，调整所述准直器与所述光纤光栅的距离，使两路光载微波信号的光程差大于宽带载波光源的相干长度，而小于微波源的相干长度。
[0077]
在本发明实施例中，可调微波源用于输出从零开始扫频的微波信号，微波信号从设定的频率开始步进扫频，并在每个频点重复以上过程，从而得到随所述微波信号频率变化而呈周期性变化的光电流幅度信息。
[0078]
作为优选的实施例，所述光纤光栅还用于实现温度补偿。
[0079]
在本发明实施例中，光纤光栅除了提供参考光以外，还起到温度补偿作用。
[0080]
作为更具体的实施例，准直器和测量面之间可加入望远镜，在本发明实施例中，通过加入望远镜，以减小激光发散角、拓展测量距离。
[0081]
本发明实施例还提供了一种光载微波干涉测距系统的测试方法，结合图2来看，图2为本发明提供的光载微波干涉测距系统的测试方法一实施例的流程示意图，包括步骤s201至步骤s202，其中：
[0082]
在步骤s201中，获取干涉形成的光电流幅度；
[0083]
在步骤s202中，根据所述光电流幅度，确定被测物与干涉单元中的准直器之间的距离。
[0084]
在本发明实施例中，可调谐微波源进行步进扫频，并在每个频点重复以上过程，通
过频谱分析仪记录每个频点对应的光电流的幅度信息，最后根据所述光电流幅度信息解算出被测物与准直器的距离。
[0085]
作为优选的实施例，上述步骤s202，包括：
[0086]
根据所述光电流幅度，确定微波信号频率；
[0087]
根据所述微波信号频率，以及光纤光栅、准直器的相对折射率，确定所述被测物与干涉单元中的准直器之间的距离。
[0088]
在本发明实施例中，通过微波信号频率，以及光纤光栅、准直器的相对折射，有效计算被测物与干涉单元中的准直器之间的距离。
[0089]
作为优选的实施例，上述步骤s202，通过如下公式表示：
[0090][0091]
其中，l0表示所述光纤光栅与准直器之间的距离；按照所述微波信号从小到大的顺序，fk表示光电流幅度的第k个波谷所对应的微波信号频率，k表示正整数；na表示空气的相对折射率，ng表示光纤光栅到准直器之间的光纤纤芯的相对折射率，c表示真空中的光速。
[0092]
在本发明实施例中，通过上述公式，有效计算光纤光栅与准直器之间的距离。
[0093]
在本发明一个具体的实施例中，结合图1、图3来看，图3为本发明提供的光电流幅值一实施例的波形示意图，其中，在本应用场景下，宽谱光源为ase光源，工作波长为1530-1600nm；使用矢量网络分析仪作为可调微波源部分，通过设置参数的方式对发射的微波进行控制；可调谐微波源从0开始步进扫频，扫频范围为0-10ghz，扫频点的间隔为1khz；光放大器为掺铒光纤放大器，放大的光谱范围为1530nm-1600nm；电光调制器使用基于马赫曾德尔干涉的电光调制器，通过偏压控制器控制偏压在0.5倍半波电压；光纤光栅7为光纤布拉格光栅(fbg)，带宽为0.2nm，中心波长在光放大器工作范围内；需对准直器8的位置和角度进行调整，以确保测量物的反射光返回准直器的部分的功率最大；频谱分析仪记录不同扫频点的光电流的幅值，可以使用矢量网络分析仪代替。
[0094]
下面通过一个具体实施例，对本发明的技术方案及其原理进行详细说明：
[0095]
本实施例中测量装置的结构如图1所示，宽带光源1产生一个光载波，经电光调制器将微波信号调制到载波上形成光载微波，电场强度表示为：
[0096][0097]
其中，ωe是微波信号的角频率,ν是光波频率，m是调幅系数；
[0098]
由于光强与光波电场分量幅值的平方成正比，宽谱光的相干性差，可以忽略交叉积项。光放大器输出的光载微波的光强表示为：
[0099]iout
＝g
·
(1 mcos(ωet))
·io
[0100]
其中，i0是光源输出的宽带光源的光强，g为光放大器的增益；
[0101]
经过放大的光载微波经过光纤光栅和被测物反射后形成两路光信号，分别表示为：
[0102]
i1＝a1·g·
(1 mcos(ωe(t-t1))
·io
[0103]
i2＝a2·g·
(1 mcos(ωe(t-t2)))
·io
[0104]
其中，a1和a2分别表示两路光信号的光强相对光放大器输出光的比值，t1和t2分别表示参考光和测量光的时延。两路光信号经叠加后被光电探测器转化为微波信号，经隔直电容滤波后表示为：
[0105]
i(t)＝2ηmg(a1·
i0cos(ωe(t-t1) a2·
i0cos9ωe(t-t2))
[0106]
其中，η为光电探测器的响应度。由此可以得到光电流的幅度为
[0107][0108]
其中，利用微波功率计提取出光电流的幅度信息后，可以发现光电流的幅度随微波信号频率呈现周期性的变化，并且这个周期是待测物与光纤光栅之间的时延的倒数，在空气折射率与光纤纤芯折射率已知的情况下可以计算得到待测物与光纤光栅之间的光程。由于光纤光栅与准直器的距离l0可由校准得到，从而可计算得到待测物与准直器的距离。
[0109]
解算方法结合图3来看，具体如下：
[0110]
按照微波频率从小到大的顺序，依次找出光电流幅度的k个波谷频率，记为f1,f2,
…fk
；根据上述公式可知第k个波谷频率为：
[0111][0112]
所以，可得待测目标的距离为：
[0113][0114]
本发明公开了一种光载微波干涉测距系统及其测试方法，通过电光调制器将微波调制到放大宽带光源上形成光载微波，经过环形器和准直器发射到自由空间中，经过反射镜反射后返回准直器，发生干涉后经光电探测器转化为微波，通过计算机计算微波干涉谱的自由频谱范围获取距离信息。
[0115]
本发明技术方案，利用光纤光栅做为参考面，通过光谱仪检测光纤光栅的中心波长变化的方式测量温度，减小温度对测距的影响，低成本实现高精度、大范围的空间距离测量。光载微波干涉技术将光波测量技术和微波测量技术结合起来，兼具两者的优势，具有高灵敏度，大测量范围、抗电磁干扰等优点。本发明所述的光载微波干涉技术中，使用的光源为宽带光源，载波的相干性差，不同频率分量的干涉条纹相互叠加导致光强不受干涉影响。光波导中的色散和模间干涉对信号的影响很小。本发明所述的技术对光偏振变化不敏感，因此不需要使用偏振控制器控制光载微波中光波的偏振方向。本发明所述的技术应用光纤光栅和光谱仪，利用光纤光栅的温度敏感特性反应系统所处的环境温度，便于修正温度变化对空间测距精度的影响
[0116]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。