基于双光路调频连续波激光系统的长光纤标定及速度距离测量研究

摘要

调频连续波激光测量技术具有良好的精密度和准确度，能对无合作目标进行绝对测量。通过频率连续变化的激光与经过物体表面反射的回波信号发生干涉产生拍频，通过单一的拍频信号频率与物体的距离和速度信息之间关系解算出被测物的距离和动态信息，因此在大尺寸的工业现场具有广阔的应用前景。　　本文主要工作内容如下：　　1.研究了利用调频连续波激光对静止物体和匀速运动物体的测量原理。分析了可调谐光源的激光非线性和调制带宽对测量的影响，并利用等光频重采样算法解决光源非线性的问题，进而对采用该算法的双光路调频连续波激光测量系统的信号噪声问题和栅栏效应进行分析和优化处理。在此基础上，搭建了双光路调频连续波激光测量系统进行对比实验。　　2.提出一种基于HCN气体池信号拼接的辅助光纤标定方法，通过提高辅助光纤标定精度进而提高系统测距精度。深入研究了基于HCN气体池标定方法的原理，为减小数据采集系统负担，利用信号拼接的方法进行改进。实验表明，与传统激光干涉仪的光纤标定方法相比，基于气体池拼接的标定方法具有更高的重复性精度。将采用该标定方法的测距系统在3.8m测量范围内测量12个位置点，每个位置点进行10次测量，每个位置点测量标准差低于10μm；位置点间的相对距离误差不超过15μm，标准差不超过14μm。　　3.提出一种利用三角波调频方式获取两个反向调频测量信息的方法，实现距离与速度的同时测量。解决了调频连续波激光测速需要双光源的技术难点，让系统更加便捷和经济。利用该方法对运动中反射镜进行测量。实验结果表明，对10mm/s及以下的速度测量均值误差不超过52μm/s，相对标准差不超过2.5%；由28组测量的距离和时间拟合出的速度误差不超过14μm/s；同时，运动中的两镜相对距离测量标准差低于50μm，各速度条件下均值最大差值不超过13μm。因此，可以证明该方法对速度与距离的同时测量具有良好的重复性和准确性。

目录