【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及激光雷達，更具體的說是涉及一種共程光路的高精度激光相位測距系統及方法。
技術介紹
1、激光雷達是以激光作為光源，采用光電探測技術實現對目標距離的主動探測技術，具有精度高、速度快、體積小等優點，被廣泛應用于自動駕駛、無人機、智能機器人、三維建模、地理測繪等領域。例如，激光雷達可以幫助機器人在復雜環境中進行精確定位和導航，實時更新環境地圖；在制造過程中，激光雷達可以用于檢測機械零件的尺寸和形狀變化，實時監測生產線上物體的位置和移動，確保生產過程的精確控制等。如何確保激光雷達的測距精度一直是本領域的重要研究課題。
2、現有的激光雷達測距方法有：一、飛行時間距法，通過探測脈沖光從光源經物體表面反射回到探測器的往返時間直接測量距離，這種方法結構簡單，但受背景光干擾嚴重，在復雜環境中，反射信號可能會受到多路徑干擾；二、調頻連續波測距法，通過探測參考光與經物體表面反射的信號光之間的拍頻信號間接測量距離，這種方法具有抗干擾性，但對光源的調頻線性度有著嚴格的要求，由于調頻的非線性會嚴重影響測量精度。
3、為進一步提高測距精度，章恩耀等在文獻“光纖外差干涉位移傳感器性能的提高”中公開了利用半導體激光器(ld)、光隔離器、光纖定向耦合器、自聚焦透鏡等組成雙路光纖斐索型干涉儀，采用三角波電流調制，上、下邊沿拍頻信號差動鑒相的方法，提高了測量靈敏度和位移響應速度，利用輔助干涉儀檢測系統的相位漂移，并對ld發光波長進行反饋控制，提高了系統的穩定性。但該技術中的光路結構復雜，影響測量效率，并且需要借助耦合器進行分光，參考
技術實現思路
1、本專利技術的目的是提供一種共程光路的高精度激光相位測距系統及方法，通過參考光與物光共光路減少測量誤差，簡化光路結構，減少外界干擾，提高測距的穩定性與精度，有利于實現高分辨率、高精度位移測量。
2、為實現上述目的，本專利技術提供了如下方案：
3、一種共程光路的高精度激光相位測距系統，包括任意波形發生器、半導體激光器、環路單元、光纖準直單元、光電探測器、數據采集器以及處理器；
4、所述任意波形發生器生成調頻信號，通過控制半導體激光器的驅動電流，對半導體激光器的激光信號進行頻率調制；
5、所述半導體激光器的輸出端通過光纖連接到環路單元；
6、所述環路單元與光纖準直單元通過光纖連接，用于將激光信號傳輸到光纖準直單元；
7、所述光纖準直單元用于透射一部分激光信號到目標，并采集由目標反射回來的物光，同時反射一部分激光信號形成參考光，所述光纖準直單元接收到的物光與參考光共程傳輸；
8、所述環路單元接收光纖準直單元傳回的物光和參考光，并傳輸到光電探測器；
9、所述光電探測器用于將物光和參考光的干涉光的強度信號轉換為電信號，傳輸到數據采集器；
10、所述數據采集器用于接收光電探測器轉換得到的電信號，傳輸到處理器；
11、所述處理器用于接收所述電信號，并基于目標移動前后所在位置對應的干涉光的強度信號，計算出相位差，獲得相對距離測量值，所述相對距離測量值為目標移動的距離。
12、進一步地，所述任意波形發生器還用于生成同步電信號，傳輸到數據采集器，所述同步電信號與所述調頻信號同頻率。
13、進一步地，所述環路單元與光電探測器之間的信號傳輸方式包括：光纖傳輸、準直器轉換傳輸、自由空間光學傳輸中的一種或多種。
14、進一步地，所述環路單元設置有三個接口，分別為a口、b口、c口，其中，a口用于接收來自dfb激光器的激光信號，b口用于將激光信號輸出到光纖準直單元，并接收物光和參考光，c口用于將物光和參考光傳送到光電探測器。
15、進一步地，所述光纖準直單元采用具有pc型接口的光纖準直器、采用具有透射和反射功能的鏡頭或者采用光纖和準直鏡的組合結構。
16、進一步地，所述環路單元采用光纖環形器。
17、進一步地，所述調頻信號為對稱三角波或鋸齒波，所述同步電信號為方波，占空比為50%。
18、本專利技術還提供一種共程光路的高精度激光相位測距方法，應用于上述的共程光路的高精度激光相位測距系統，包括如下步驟：
19、任意波形發生器生成調頻信號，傳輸到半導體激光器，對半導體激光器的激光信號進行頻率調制；
20、頻率調制后的激光信號經過環路單元傳輸到光纖準直單元；
21、光纖準直單元透射一部分激光信號到目標，并采集由目標反射回來的物光，同時反射一部分激光信號形成參考光；
22、光纖準直單元接收到的物光與在光纖準直單元端面反射的參考光共程傳輸，經環路單元傳輸到光電探測器；
23、光電探測器將物光和參考光的干涉光的強度信號轉換為電信號，傳輸到數據采集器；
24、數據采集器接收光電探測器轉換得到的電信號，傳輸到處理器；
25、處理器接收所述電信號，基于目標移動前后所在位置對應的干涉光的強度信號，計算出相位差，獲得相對距離測量值，所述相對距離測量值為目標移動的距離；
26、其中，相對距離測量值的計算公式如下：
27、
28、式中，表示目標移動前后所在位置的相對距離測量值；
29、為目標移動前所在位置測距時，物光與參考光的光程差對應的時間差；
30、為目標移動后所在位置測距時，物光與參考光的光程差對應的時間差；
31、為基于目標移動前后所在位置對應的干涉光的強度信號，實際測量得到的相位差；
32、為激光信號的初始頻率；為光速。
33、進一步地，所述基于目標移動前后所在位置對應的干涉光的強度信號，計算出相位差，獲得相對距離測量值，具體包括：
34、目標移動前所在位置測距時，物光和參考光干涉后得到差頻信號光強的時域表達式為：
35、
36、
37、式中，、分別為目標移動前所在位置測距時，物光和參考光干涉后得到差頻信號的上升沿和下降沿的光強；、分別為參考光和物光的光強；為目標移動前所在位置測距時，物光與參考光的光程差對應的時間差；為頻率調制速率，也即三角波上升沿的斜率，是調頻帶寬，是調頻周期；
38、則目標移動前所在位置測距時，上升沿和下降沿光強的相位差為；
39、同理，設目標移動后所在位置測距時，物光與參考光的光程差對應的時間差為，則目標移動后所在位置測距時，上升沿和下降沿光強的相位差為；
40、基于目標移動前后所在位置對應的干涉光的強度信號，計算出相位差：；
41、由，得出；
42、則，。
43、進一步地，的范圍為0-，當時，
44、
45、則的取值范圍為0-，其中，為激光信號的波長。...
【技術保護點】
1.一種共程光路的高精度激光相位測距系統，其特征在于，包括任意波形發生器（1）、半導體激光器（2）、環路單元（3）、光纖準直單元（4）、光電探測器（5）、數據采集器（6）以及處理器（7）；
2.根據權利要求1所述的共程光路的高精度激光相位測距系統，其特征在于，所述任意波形發生器（1）還用于生成同步電信號，傳輸到數據采集器（6），所述同步電信號與所述調頻信號同頻率。
3.根據權利要求1所述的共程光路的高精度激光相位測距系統，其特征在于，所述環路單元（3）與光電探測器（5）之間的信號傳輸方式包括：光纖傳輸、準直器轉換傳輸、自由空間光學傳輸中的一種或多種。
4.根據權利要求1所述的共程光路的高精度激光相位測距系統，其特征在于，所述環路單元（3）設置有三個接口，分別為a口、b口、c口，其中，a口用于接收來自DFB激光器（2）的激光信號，b口用于將激光信號輸出到光纖準直單元（4），并接收物光和參考光，c口用于將物光和參考光傳送到光電探測器（5）。
5.根據權利要求1所述的共程光路的高精度激光相位測距系統，其特征在于，所述光纖準直單元（4）采用
6.根據權利要求1所述的共程光路的高精度激光相位測距系統，其特征在于，所述環路單元（3）采用光纖環形器。
7.根據權利要求2所述的共程光路的高精度激光相位測距系統，其特征在于，所述調頻信號為對稱三角波或鋸齒波，所述同步電信號為方波，占空比為50%。
8.一種共程光路的高精度激光相位測距方法，應用于權利要求1-7任一項所述的共程光路的高精度激光相位測距系統，其特征在于，包括如下步驟：
9.根據權利要求8所述的共程光路的高精度激光相位測距方法，其特征在于，所述基于目標移動前后所在位置對應的干涉光的強度信號，計算出相位差，獲得相對距離測量值，具體包括：
10.根據權利要求9所述的共程光路的高精度激光相位測距方法，其特征在于，的范圍為0-，當時，
...【技術特征摘要】
1.一種共程光路的高精度激光相位測距系統，其特征在于，包括任意波形發生器（1）、半導體激光器（2）、環路單元（3）、光纖準直單元（4）、光電探測器（5）、數據采集器（6）以及處理器（7）；
2.根據權利要求1所述的共程光路的高精度激光相位測距系統，其特征在于，所述任意波形發生器（1）還用于生成同步電信號，傳輸到數據采集器（6），所述同步電信號與所述調頻信號同頻率。
3.根據權利要求1所述的共程光路的高精度激光相位測距系統，其特征在于，所述環路單元（3）與光電探測器（5）之間的信號傳輸方式包括：光纖傳輸、準直器轉換傳輸、自由空間光學傳輸中的一種或多種。
4.根據權利要求1所述的共程光路的高精度激光相位測距系統，其特征在于，所述環路單元（3）設置有三個接口，分別為a口、b口、c口，其中，a口用于接收來自dfb激光器（2）的激光信號，b口用于將激光信號輸出到光纖準直單元（4），并接收物光和參考光，c口用于將物光和參考光傳送到光電探測器（5）。
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