一种高分辨力激光测距方法及装置与流程

本发明涉及光学测量相关，尤其涉及一种高分辨力激光测距方法及装置。

背景技术：

1、基于调频连续波原理的激光测距系统中使用可调谐激光器作为系统光源，空间分辨力受限于可调谐激光器输出光信号的调制范围。系统空间分辨力在数值上反比于可调谐激光器输出光信号的调制范围且系统空间分辨力的极限取决于可调谐激光器输出光信号的调制范围。调谐范围越大，系统空间分辨力越高。可见，要想提高光纤传感的空间分辨力，需要提高可调谐激光器的扫频或调谐范围。现有技术或装置中，通常采用外腔式调谐激光器或半导体激光器作为光源，但是外腔式调谐激光器成本昂贵且容易出现跳模。而半导体激光器通常扫频范围只有几十ghz（小于1nm），无法满足空间测距测量系统对空间分辨力的要求。

2、分布式反馈阵列激光器(dfb阵列激光器)近年来应用于光通信领域，在光传输网和光互联等以及其他波分复用系统中得到重要应用；相较于传统的分布式反馈激光器，分布式反馈阵列激光器在结构上一般由在波长上具有一定间隔的多个激光二极管与一个多模干涉耦合器(mmi)以及半导体光放大器（soa）构成。由于多个激光二极管的存在，分布式反馈阵列激光器可以实现多个信道的复用。如何实现大范围无跳模波长调谐范围以及如何提高空间测距的空间分辨力已经成为本领域亟待解决的技术难题。

技术实现思路

1、本发明提供一种高分辨力激光测距方法及装置，通过将分布式反馈阵列激光器应用于基于扫频干涉测量原理的激光测距系统中，实现大范围无跳模波长调谐范围，提高了空间测距的空间分辨力。

2、本发明提供的具体技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供的一种高分辨力激光测距方法包括：

4、将分布式反馈阵列激光器的驱动电流设置为预设定值，使得分布式反馈阵列激光器具有稳定功率的激光输出；

5、控制分布式反馈阵列激光器中指定的多个输出波长逐渐增加的激光二极管依次改变其温度得到波长调谐激光输出，其中，每个激光二极管在相同温度调谐下的起始波长小于与所述激光二极管相邻的具有更大固有波长值的激光二极管在同一温度调谐下的终止波长；

6、在分布式反馈阵列激光器的各个激光二极管分别进行预设范围温度调谐，得到波长调谐的激光注入到高分辨力激光测距装置的各个单元中，记录各个激光二极管波长调谐下的高分辨力激光测距装置各个单元输出的信号，包括各个波段的波长监测单元输出信号、辅助干涉光路输出信号、测量干涉光路输出信号；

7、根据波长监测单元的输出信号确定各个相邻波段的信号拼接位置，根据所述信号拼接位置分别对各个波段的测量干涉光路输出信号和各个波段的辅助干涉光路输出信号进行信号拼接，得到全波段下拼接后的测量干涉光路输出信号和拼接后的辅助干涉光路输出信号；

8、利用拼接后的辅助干涉光路输出信号对拼接后的测量干涉光路输出信号进行非线性校正，得到最终测量干涉光路输出信号；

9、对最终测量干涉光路输出信号进行频谱分析，找到特征频率值大小，计算得到待测空间距离。

10、第二方面，本发明提供的一种高分辨力激光测距方法包括：

11、将分布式反馈阵列激光器的驱动电流设置为预设定值，使得分布式反馈阵列激光器具有稳定功率的激光输出；

12、控制分布式反馈阵列激光器中指定的多个输出波长逐渐增加的激光二极管依次改变其温度得到波长调谐激光输出，其中，每个激光二极管在相同温度调谐下的起始波长小于与所述激光二极管相邻的具有更大固有波长值的激光二极管在同一温度调谐下的终止波长；

13、在分布式反馈阵列激光器的各个激光二极管分别进行预设范围温度调谐，得到波长调谐的激光注入到高分辨力激光测距装置的各个单元中，记录各个激光二极管波长调谐下的高分辨力激光测距装置各个单元输出的信号，包括各个波段的波长监测单元输出信号、辅助干涉光路输出信号、测量干涉光路输出信号；

14、根据波长监测单元的输出信号确定各个相邻波段的信号拼接位置，根据所述信号拼接位置分别对各个波段的测量干涉光路输出信号和各个波段的辅助干涉光路输出信号进行信号拼接，得到全波段下拼接后的测量干涉光路输出信号和拼接后的辅助干涉光路输出信号；

15、利用辅助干涉光路输出信号对测量干涉光路输出信号及波长监测单元输出信号进行非线性校正，得到校正后测量干涉光路输出信号和校正后波长监测单元输出信号；

16、根据校正后测量干涉光路输出信号和校正后波长监测单元输出信号确定各个激光二极管输出的波长重叠位置，根据所述波长重叠位置分别对测量干涉光路输出信号、辅助干涉光路输出信号进行信号拼接，得到最终测量干涉光路输出信号；

17、对最终测量干涉光路输出信号进行频谱分析，找到特征频率值大小，计算得到待测空间距离。

18、可选的，所述利用辅助干涉光路输出信号对测量干涉光路输出信号及波长监测单元输出信号进行非线性校正包括：

19、用采集装置将所述辅助干涉光路信号与其他路信号同步用固定采样率采集，然后在数据处理单元中对测量干涉光路输出信号或波长监测单元输出信号进行非线性校正。

20、可选的，所述利用辅助干涉光路输出信号对测量干涉光路输出信号及波长监测单元输出信号进行非线性校正包括：

21、将辅助干涉光路输出信号进行希尔伯特展开后进行相位解卷，然后按照弧度对相位进行等分，得到对应的采样点，然后利用所述采样点对测量干涉光路输出信号与波长监测单元输出信号进行重采样，重采样后的测量干涉光路输出信号与波长监测单元输出信号为校正了非线性的信号。

22、可选的，所述对最终测量干涉光路输出信号进行频谱分析，找到特征频率值大小，计算得到待测空间距离包括：

23、对最终测量干涉光路输出信号进行快速傅里叶变换，将时域信号转换到频域上，频域上的信号和空间位置存在对应关系，通过频谱分析找到特征频率值大小并根据公式计算得到待测空间距离，其中，目标拍频频率为，为波长调谐周期，b为光频带宽，被测距离为r，空气折射率为n。

24、第三方面，本发明提供一种高分辨力激光测距装置包括：

25、配置单元，用于将分布式反馈阵列激光器的驱动电流设置为预设定值，使得分布式反馈阵列激光器具有稳定功率的激光输出；

26、控制单元，用于控制分布式反馈阵列激光器中指定的多个输出波长逐渐增加的激光二极管依次改变其温度得到波长调谐激光输出，其中，每个激光二极管在相同温度调谐下的起始波长小于与所述激光二极管相邻的具有更大固有波长值的激光二极管在同一温度调谐下的终止波长；

27、温度调谐单元，用于在分布式反馈阵列激光器的各个激光二极管分别进行预设范围温度调谐，得到波长调谐的激光注入到高分辨力激光测距装置的各个单元中，记录各个激光二极管波长调谐下的高分辨力激光测距装置各个单元输出的信号，包括各个波段的波长监测单元输出信号、辅助干涉光路输出信号、测量干涉光路输出信号；

28、拼接单元，用于根据波长监测单元的输出信号确定各个相邻波段的信号拼接位置，根据所述信号拼接位置分别对各个波段的测量干涉光路输出信号和各个波段的辅助干涉光路输出信号进行信号拼接，得到全波段下拼接后的测量干涉光路输出信号和拼接后的辅助干涉光路输出信号；

29、校正单元，用于利用拼接后的辅助干涉光路输出信号对拼接后的测量干涉光路输出信号进行非线性校正，得到最终测量干涉光路输出信号；

30、计算单元，用于对最终测量干涉光路输出信号进行频谱分析，找到特征频率值大小，计算得到待测空间距离。

31、第四方面，本发明提供一种高分辨力激光测距装置包括：

32、配置单元，用于将分布式反馈阵列激光器的驱动电流设置为预设定值，使得分布式反馈阵列激光器具有稳定功率的激光输出；

33、控制单元，用于控制分布式反馈阵列激光器中指定的多个输出波长逐渐增加的激光二极管依次改变其温度得到波长调谐激光输出，其中，每个激光二极管在相同温度调谐下的起始波长小于与所述激光二极管相邻的具有更大固有波长值的激光二极管在同一温度调谐下的终止波长；

34、温度调谐单元，用于在分布式反馈阵列激光器的各个激光二极管分别进行预设范围温度调谐，得到波长调谐的激光注入到高分辨力激光测距装置的各个单元中，记录各个激光二极管波长调谐下的高分辨力激光测距装置各个单元输出的信号，包括各个波段的波长监测单元输出信号、辅助干涉光路输出信号、测量干涉光路输出信号；

35、拼接单元，根据波长监测单元的输出信号确定各个相邻波段的信号拼接位置，根据所述信号拼接位置分别对各个波段的测量干涉光路输出信号和各个波段的辅助干涉光路输出信号进行信号拼接，得到全波段下拼接后的测量干涉光路输出信号和拼接后的辅助干涉光路输出信号；

36、校正单元，利用辅助干涉光路输出信号对测量干涉光路输出信号及波长监测单元输出信号进行非线性校正，得到校正后测量干涉光路输出信号和校正后波长监测单元输出信号；

37、处理单元，用于根据校正后测量干涉光路输出信号和校正后波长监测单元输出信号确定各个激光二极管输出的波长重叠位置，根据所述波长重叠位置分别对测量干涉光路输出信号、辅助干涉光路输出信号进行信号拼接，得到最终测量干涉光路输出信号；

38、计算单元，用于对最终测量干涉光路输出信号进行频谱分析，找到特征频率值大小，计算得到待测空间距离。

39、可选的，所述校正单元具体用于：用采集装置将所述辅助干涉光路信号与其他路信号同步用固定采样率采集，然后在数据处理单元中对测量干涉光路输出信号或波长监测单元输出信号进行非线性校正。

40、可选的，所述校正单元具体用于：将辅助干涉光路输出信号进行希尔伯特展开后进行相位解卷，然后按照弧度对相位进行等分，得到对应的采样点，然后利用所述采样点对测量干涉光路输出信号与波长监测单元输出信号进行重采样，重采样后的测量干涉光路输出信号与波长监测单元输出信号为校正了非线性的信号。

41、可选的，所述计算单元具体用于：对最终测量干涉光路输出信号进行快速傅里叶变换，将时域信号转换到频域上，频域上的信号和空间位置存在对应关系，通过频谱分析找到特征频率值大小并根据公式计算得到待测空间距离，其中，目标拍频频率为，为波长调谐周期，b为光频带宽，被测距离为r，空气折射率为n。

42、本发明的有益效果如下：

43、本发明实施例提供一种高分辨力激光测距方法及装置，用于测量探测光纤与待测物体之间的待测距离，通过将分布式反馈阵列激光器应用于基于扫频干涉测量原理的激光测距系统中，实现大范围无跳模波长调谐范围，提高了空间测距的空间分辨力，同时利用分布式反馈阵列激光器单片集成多个激光二极管的基础与波长调谐特性，利用温度实现各个激光器波长的调谐，实现了在单片分布式反馈阵列激光器上全波段的全覆盖的连续波长调谐，相较于已有技术中其他的单个分布式反馈激光器等半导体激光器而言，有效地拓展了测距系统的光源的扫频范围，进而提高了系统的空间分辨能力，提高了测距精度。