测距光源装置及激光测距设备

1.本技术涉及激光测距技术领域，具体涉及一种测距光源装置及激光测距设备。


背景技术：

2.传统的激光测距系统调制频率比较低，通常为数khz到数mhz。使用微波储能元件(如介质腔)或声储能元件(如石英振荡器)可以提高测量频率，但是这些元件的寄生参数也会使频带范围受限，并且噪声会随着频率的增加而增大。
3.为了提高测量频率和降低信号的相位噪声，可以采用高品质因数的长光纤谐振腔来提高信号质量，典型的方案就是采用传统的oeo。以长光纤为储能元件的oeo，大多都是用mzm进行调制的，但是mzm体积大、价格贵，不利于设计成本低、体积小的测距光源发生装置。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术存在的问题，本技术的主要目的在于提供一种成本低、体积小的测距光源装置。
5.为了实现上述目的，本技术具体采用以下技术方案：
6.本技术提供了一种测距光源装置，所述测距光源装置包括：
7.信号发生器，用于产生电信号；
8.光电振荡环路，用于反馈振荡信号；
9.加法器，所述加法器与所述信号发生器、所述光电振荡环路相连接，用于将所述电信号和所述振荡信号进行加法处理后得到驱动信号，使所述光电振荡环路能够基于所述驱动信号产生双频激光信号。
10.在一些实施例中，所述信号发生器用于产生频率为1mhz～200mhz的正弦波信号。
11.在一些实施例中，所述光电振荡环路包括激光二极管、光电探测器、带通滤波器、传输光纤、第一放大电路和第二放大电路，所述激光二极管的阳极与所述加法器电连接，所述激光二极管的背光输出面经所述传输光纤与所述光电探测器连接，所述光电探测器依次经所述第一放大电路、所述带通滤波器及所述第二放大电路与所述加法器电连接。
12.在一些实施例中，所述第一放大电路包括第一电放大器，所述第一电放大器电连接于所述光电探测器与所述带通滤波器之间的线路。
13.在一些实施例中，所述第一电放大器的电压增益为20db。
14.在一些实施例中，所述第二放大电路包括第二电放大器，所述第二电放大器电连接于所述带通滤波器与所述加法器之间的线路。
15.在一些实施例中，所述第二电放大器的电压增益为20db。
16.在一些实施例中，所述带通滤波器的中心频率调谐范围为1ghz～2ghz。
17.相应地，本技术还提供了一种激光测距设备，所述激光测距设备包括光源接收装置和如以上任一实施例所述的测距光源装置，所述测距光源装置用于产生双频激光信号，所述光源接收装置用于接收所述双频激光信号并基于所述双频激光信号确定被测距离。
18.本技术的测距光源装置包括信号发生器、光电振荡环路和加法器，信号发生器用于产生电信号，光电振荡环路用于反馈振荡信号，加法器与信号发生器、光电振荡环路相连接，用于将电信号和振荡信号进行加法处理后得到驱动信号，使光电振荡环路能够基于驱动信号产生双频激光信号。相比于现有技术，本技术的测距光源装置可以产生mhz到ghz级别的双频激光信号，当该测距光源装置工作时，两个频率的信号同时发出，通过双频激光信号测距，具有测量精度高、反应速度快、抗干扰能力强等特点，且本技术的测距光源装置成本低，体积小。
附图说明
19.图1为现有技术测距光源装置结构示意图。
20.图2为本技术实施例提供的测距光源装置结构示意图。
21.图3为本技术实施例提供的测距光源装置中的激光二极管发光功率与工作电流关系图。
22.附图标识：
23.1、信号发生器；2、加法器；3、激光二极管；4、光电探测器；5、传输光纤；6、第一电放大器；7、带通滤波器；8、第二电放大器；1'、激光二极管；2'调制器；3'传输光纤；4'光电探测器；5'电放大器；6'带通滤波器。
具体实施方式
24.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
25.在本技术的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”、“第二”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；除非另有规定或说明，术语“多个”是指两个或两个以上，术语“多种”是指两种或两种以上；术语“连接”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，或电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
26.激光测距一般有两种技术：脉冲法和相位法。激光脉冲测距法的原理是光源发射的激光被物体反射，被测距系统接收，同时计算激光的往返时间。光速和时间乘积的一半是测距系统距离被测物体的距离。激光相位测距法是利用频率来调制激光的振幅，测量对比调制光往返传播引起的相位延迟而计算出距离。两种方法都需要稳定可靠的激光光源，常见的测距光源都是单频光源。双频激光测距与单频激光测距相比有许多优点：单频激光光源的信号分时产生，双频激光光源可以同时产生两个不同频率的测距信号，可以提高测量速度；双频激光光源使用两个不同频率的激光束，在计算时有效减小了误差，可以实现更高的测量精度；双频激光光源可以消除多路径干扰，减小环境因素对测量结果的干扰，抗干扰能力强。同时，传统的激光测距系统调制频率比较低，通常为数khz(千赫兹)到数mhz(兆赫兹)。为了提升测量信号的频率，常用的方法是采用光电振荡器(英文全称：optoelectronic oscillator，简称：oeo)。
27.oeo是一种微波光子系统，在产生较高频率和较低相位噪声的微波信号方面具有非常好的性能，通常可以产生频率从几十ghz(千兆赫兹)到几百ghz、高品质因数的微波信号，还可同时实现光信号、电信号的输出。参照图1所示图1为一种典型的oeo结构，该oeo包括激光二极管(英文全称：laser diode，简称：ld)1'、马赫-曾德尔调制器(英文全称：mach-zehnder modulator，mzm)2'、传输光纤3'、光电探测器(英文全称：photoelectric detector，pd)4'、电放大器5'和带通滤波器3'。激光二极管1'发出的连续光信号在mzm处，被反馈回的电信号调制，调制后的信号经过长距离传输光纤传输进入pd中。pd将光信号转变为电信号后进入由电放大器5'、带通滤波器3'组成的放大、选频链路。其中，电放大器5'提供微波信号增益，带通滤波器3'执行选频操作，抑制不需要的杂波。最后微波信号输入mzm，调制光源发出的连续光信号，形成闭合的正反馈回路。在oeo环路内，被选中信号在整个回路中多次循环，经过不断光电转换、放大及反馈过程，最终建立起稳定的微波振荡，产生具有超低相位噪声的单频微波信号。即，传统的oeo建立起稳定的微波振荡，能产生几十ghz到几百ghz具有超低相位噪声的单频微波信号。
28.上述的oeo结构一般可以轻松获得几十ghz到几百ghz的微波信号，但是采取该方案设计以稳定产生几ghz振荡信号是有一定难度的。本技术可以用简单的器件搭建系统产生小于10ghz的双频微波信号，从而解决现有技术中的激光器工作在高宽带、高速率扫频情况下时，信号品质因数较低、噪声较大，且价格昂贵等问题。
29.参照图2所示，图2为本技术实施例提供的测距光源装置结构示意图。本技术的实施例公开了一种测距光源装置，该测距光源装置包括信号发生器1、加法器2和光电振荡环路。信号发生器1用于产生电信号，在本实例中，信号发生器1用于产生频率为1mhz～200mhz的正弦波信号。加法器2与信号发生器1电连接，光电振荡环路与加法器2电连接。光电振荡环路用于反馈振荡信号，加法器2用于将信号发生器1产生的电信号和光电振荡环路反馈的振荡信号进行加法处理后得到驱动信号，使光电振荡环路能够基于该驱动信号产生双频激光信号。
30.具体地，光电振荡环路包括激光二极管3、光电探测器4、带通滤波器7、传输光纤5、第一放大电路和第二放大放电路，其中，第一放大电路包括第一电放大器6，第二放大电路包括第二电放大器8。激光二极管3一方面与加法器2电连接，激光二极管3另一方面经传输光纤5与光电探测器4连接。在本实施例中，激光二极管3的阳极与加法器2电连接，且激光二极管3具有正向光输出面和背光输出面，激光二极管3的背光输出面经传输光纤5与光电探测器4连接。光电探测器4经第一电放大器6与带通滤波器7电连接，带通滤波器7经第二电放大器8与加法器2电连接。
31.在本实施例中，第一电放大器6的电压增益为20db(decibel,分贝)，第二电放大器8的电压增益为20db，带通滤波器7的中心频率调谐范围为1ghz～2ghz。
32.在本实施例中，激光二极管3具有两个光输出面，分别为正向光输出面(主光输出面)和背光输出面(次光输出面)，激光二极管3正向光输出面输出的光信号用于测距，激光二极管3背光输出面通过光纤耦合的方式与光电探测器4连接，使激光二极管3背光输出面输出的光信号能够通过传输光纤5传输至光电探测器4，从而利用激光二极管3的背光信号参与环路正反馈。
33.在工作时，激光二极管3背光输出面输出的光信号经过一定长度的长光纤进入光
电探测器，光电探测器4的光敏面受到激光调制信号照射时，由于p-n结处于反向偏置，光生载流子在电场的作用下产生漂移，在外电路产生光电流，从而实现光信号到电信号的转换。该光电探测器集成了前置跨阻放大器，可以将光电流信号转换成电压信号，实现了信号的转换和初步放大。所得到的电压信号首先被电压增益为20db的第一电放大器6放大；被放大的信号经过中心频率调谐范围为1ghz-2ghz的带通滤波器7选频；选频后的信号进入电压增益为20db的第二电放大器8中再次被放大。
34.滤波器是光电振荡环路中不可缺少的器件，没有滤波器时，环路中振荡模式较多，模式间隔约等于nl/c,其中，n为光线折射率，l为光环路长度，c为光速。这些不同的模式具有相似的起振条件，处于模式竞争状态。在理想情况下，使用带宽足够窄的滤波器，只滤出其中一个模式，环路中就能实现高q值的振荡，其他模式被抑制。再次放大的信号将作为反馈信号与信号发生器产生的1mhz-200mhz的信号经过加法器处理得到ld的驱动信号,驱动ld产生双频激光信号，完成信号的反馈。环路中的长距离光纤可以储能，电放大器提供了增益，带通滤波器能滤除噪声、选择频率。当环路内的增益大于损耗，并且满足相位匹配条件时，被选中的具有特定频率的模式在环腔内不断循环放大，最后形成稳定的振荡，振荡信号的频率主要由整个反馈系统的环腔长度和带通滤波器的中心频率决定。信号在链路中经过多次循环后，就能获得稳定的ld双频驱动信号，进一步获得稳定的双频激光测距信号。通过使用不同长度的长光纤，不同调谐范围的带通滤波器，信号发生器产生不同频率的信号，可以获得不同频率的双频测距信号。由于在环路腔内存在低损耗、高品质因数的长距离光纤，因此可以产生超低相位噪声的微波信号，并且振荡信号的相位噪声与信号频率无关。
35.本实施例通过在环路中注入另一个不同频率的电信号，并和环路中的振荡电信号相加后反馈到环路输入端，从而可以使环路同时产生两个不同的频率的光电信号，即，在不使用mzm的条件下获得双频测距信号，大幅降低了系统成本，缩小体积，同时也有利于整个测距系统的集成。
36.本实施例的光电振荡环路用一个小体积且价格低廉的有源放大器件替换掉大体积且昂贵的mzm，有利于系统集成和降低成本。同时，本实施例可以产生mhz到ghz级别的双频激光信号，当该测距光源装置工作时，两个频率的信号同时发出，通过双频激光信号测距，具有测量精度高、反应速度快、抗干扰能力强等特点。
37.由于激光二极管的驱动电流在超过其阈值电流后的一定区间内激光二极管的发光功率几乎与激光二极管的工作电流呈线性变化，如图3所示，从而可以通过给有源放大器件施加调制信号直接通过电流驱动激光二极管达到强度调制的目的，具体地，ldam调制公式为：
[0038][0039]
其中，式中eout(t)为输出光电波，ein(t)为输入光电波，m为调制深度，s(t)为调制信号。
[0040]
光电振荡谐振理论，振荡频率fosc与光电振荡环路的延迟时间t成反比：因此有：
[0041]
本实施例不使用昂贵mzm器件，而是采用小体积且价格低廉的有源放大器件替换掉大体积且昂贵的mzm，降低了成本，且利用激光二极管的背光信号参与环路正反馈，能够
产生信号质量好的双频测距信号。
[0042]
相应地，本技术的实施例还公开了一种激光测距设备，该激光测距设备包括光源接收装置和以上任一实施例所述的测距光源装置，测距光源装置用于产生双频激光信号，光源接收装置用于接收双频激光信号并基于双频激光信号确定被测距离。
[0043]
本实施例的激光测距设备不使用昂贵mzm器件，而是采用小体积且价格低廉的有源放大器件替换掉大体积且昂贵的mzm，降低了成本，且利用激光二极管的背光信号参与环路正反馈，能够产生信号质量好的双频测距信号。
[0044]
以上所述，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术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技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。