CN112711006B - 一种光纤化的激光测距系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光纤化的激光测距系统，包括干涉测距模块、绝对测距模块、波分复用单元、1×2光开关、测量光路和补偿光路，其中，所述干涉测距模块、绝对测距模块选用不同波段的光源，所述干涉测距模块、绝对测距模块的输出端分别与所述波分复用单元连接，由所述波分复用单元耦合并接入到所述1×2光开关，所述1×2光开关的一个输出端口接所述测量光路，另一个输出端口接所述补偿光路，所述1×2光开关以设定的时序轮流接通所述测量光路与补偿光路。本发明的有益效果是：通过波分复用器件将两束光合束在同一根光纤，再由准直器输出，确保两束光不会出现角度失配的情况。

Description

一种光纤化的激光测距系统

技术领域

本发明涉及激光测量，尤其涉及一种光纤化的激光测距系统。

背景技术

激光跟踪仪是工业测量系统中一种高精度的大尺寸测量仪器，可以实现对空间运动目标进行跟踪并实时测量目标的空间三维坐标。其主机主要包括距离测量模块、角度测量模块、跟踪控制模块、反射镜、脚架、数据处理终端等。其中核心的距离测量模块，与传统的激光干涉仪相比，具有断光续接的功能，由干涉测距模块（IFM）和绝对测距模块（ADM）两个部分组成，IFM如同激光干涉仪那般只能测量出目标的移动距离，而ADM可以测量绝对距离，避免反射器回“鸟巢”重新获取基准距离，但受限于测距原理，ADM测量速度慢，无法实现动态跟踪测量。激光跟踪仪在实际的测距工作中，需要IFM、ADM两个子模块互相配合，相辅相成。

IFM与ADM测距模块各自的原理、实现方案在诸多论文、专利中多有分别研究讨论，在激光跟踪仪的测距应用中，关键是两个模块的耦合。

徕卡在《坐标测量设备》（专利号：CN200780009186）中，披露了一种激光跟踪仪的光学系统，对IFM与ADM模块的实现方案及相互耦合做了较详细的介绍。

现有技术缺点：

1. IFM与ADM耦合安装困难，80m外的测量目标，两个模块角秒级的角度失配就会导致光斑完全分离；

2. 对结构稳定性要求高，运输、环境温度、意外碰撞都可能导致两个子模块的耦合效果劣化，从而系统失效；必须以高成本的机械结构保证稳定性；

3. 光纤易受温度等环境因素变化的干扰，缺乏简洁有效的补偿方案。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种光纤化的激光测距系统。

本发明提供了一种光纤化的激光测距系统，包括干涉测距模块、绝对测距模块、波分复用单元、1×2光开关、测量光路和补偿光路，其中，所述干涉测距模块、绝对测距模块选用不同波段的光源，所述干涉测距模块、绝对测距模块的输出端分别与所述波分复用单元连接，由所述波分复用单元耦合并接入到所述1×2光开关，所述1×2光开关的一个输出端口接所述测量光路，另一个输出端口接所述补偿光路，所述1×2光开关以设定的时序轮流接通所述测量光路与补偿光路。

作为本发明的进一步改进，所述干涉测距模块包括第一光源、第一准直器、第一环形器、1×2分束器、干涉模块和参考模块，其中，所述第一光源经过所述第一准直器与所述第一环形器的输入端连接，所述第一环形器的正向输出端与所述1×2分束器连接，所述第一环形器的反向输出端与所述干涉模块连接，所述1×2分束器的一个输出端口输出参考光至所述参考模块，另外一个输出端口输出测量光至所述波分复用单元，并与所述绝对测距模块完成合束，返回的光信号经第一环形器进入所述干涉模块，通过检测测量光与参考光之间的干涉信号强度完成目标相对移动距离的测量。

作为本发明的进一步改进，所述第一光源、第一准直器、第一环形器、1×2分束器、干涉模块、参考模块分别通过保偏光纤连接，所述保偏光纤的快轴或者慢轴与光的偏振方向对齐。

作为本发明的进一步改进，所述第一准直器、第一环形器为一体加工，所述第一环形器的输入端安装有准直器透镜。

作为本发明的进一步改进，所述绝对测距模块包括第二光源、第二准直器、第二环形器、调制器和测量模块，其中，所述第二光源经所述第二准直器与所述第二环形器的输入端连接，所述第二环形器的正向输出端与所述调制器连接，所述第二环形器的反向输出端与所述测量模块连接。

作为本发明的进一步改进，所述绝对测距模块还包括第三准直器和第四准直器，所述第二环形器的正向输出端接入所述第三准直器，以平行光输出并通过所述调制器，随后再耦合入所述第四准直器，所述第四准直器的尾纤接入所述波分复用单元，与所述干涉测距模块完成合束。

作为本发明的进一步改进，所述调制器为电光体调制器或者光纤化的波导调制器。

作为本发明的进一步改进，所述第二准直器、第二环形器为一体加工，所述第二环形器的输入端安装有准直器透镜。

作为本发明的进一步改进，所述测量光路包括第五准直器、1/4波片和反射器，所述第五准直器的输入端接所述1×2光开关，所述第五准直器输出的光信号经所述1/4波片传输至所述反射器。

作为本发明的进一步改进，所述第五准直器针对干涉测距模块、绝对测距模块的两个光源的波段做消色差设计。

本发明的有益效果是：

1.通过波分复用器件将两束光合束在同一根光纤，再由准直器输出，确保两束光不会出现角度失配的情况。

2.通过光纤化的光学系统设计，稳定性只会微量影响耦合效率，而不会导致系统失效。

3.提出了一种结构简洁的新环境补偿方案。

附图说明

图1是本发明一种光纤化的激光测距系统的示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种光纤化的激光测距系统，主要由IFM、ADM两个模块组成。

上述IFM模块1，主要由光源11、准直器12、环形器13、1×2分束器15、干涉模块14、参考模块16、光纤组成。

上述ADM模块2，主要由光源21、准直器22、环形器23、调制器26、测量模块24、光纤组成。

整体光路系统还包括WDM（波分复用）3、1×2光开关4、补偿光路、测量光路。

上述的光纤、环形器13、环形器23、1×2分束器15、WDM3、1×2光开关4都是保偏光学器件。

IFM模块1的光源11由准直器12耦合至光纤中，保偏光纤的快轴或者慢轴方向必须与光的偏振方向对齐，可以通过旋转准直器12以匹配偏振方向，也可以加入1/2波片，通过旋转该波片匹配偏振方向。光纤随后接入环形器13，同样需要保证快轴或者慢轴的匹配，或者将环形器13与准直器12一体加工，在环形器12输入光纤处安装准直器透镜，这样可以省去准直器尾纤与环形器输入光纤快慢轴对齐熔接的步骤。

上文涉及到的光纤都必须是保偏光纤，保偏光纤之间的连接必须保证快、慢轴的对准，下文涉及的也是如此，不再赘述。

环形器13的输出端接入一个1×2光纤分束器15，其中一路作为参考模块，另一路作为测量光路接入WDM3，并与ADM模块2完成合束。返回的光信号经环形器13进入干涉模块14，通过检测测量光与参考光之间的干涉信号强度完成目标相对移动距离的测量。

上述的干涉模块14基于迈克尔逊干涉仪，现有文献中已披露了基础实现方案及各种变形方案，这里不再赘述。

上述的1×2光纤分束器4的分光比例按保证参考光与测量光强度基本相等设计，需考虑到测量光路还存在后续若干器件会引入插损。

上述的参考模块16，可以是由准直器、1/4波片、角锥反射镜组成，其中1/4波片的晶体光轴方向与保偏光纤的快轴或者慢轴方向成45°。

上述的参考模块16，也可以是接光纤1/4波片，并在端面镀高反膜。

ADM模块2的光源21由准直器22耦合至光纤中，光纤接入环形器23，环形器23的正向输出端接入准直器25，以平行光输出并通过调制器26，随后再耦合入下一个准直器27，该准直器27的尾纤接入WDM，与IFM模块1完成合束。

上述的环形器23，反向输出端接测量模块24。

上述的测量模块24，由准直器、PBS、光电探测器构成，用于测量指定偏振方向上的光信号强度，诸多文献已就ADM的原理及其实现方案做了详细介绍，这里不再赘述。

上述的调制器26，可以是电光体调制器；也可以用光纤化的波导调制器，并省去前后两个准直器，提高系统的光纤化程度。

上述的准直器22、25、27，均可将准直器与相连接的器件一体加工，在器件的尾纤处安装准直器透镜，省去准直器尾纤与器件尾纤快慢轴对齐熔接的步骤。

IFM、ADM模块选用不同波段的光源，由对应波段的WDM3耦合至同一光纤，并接入1×2光开关4，其中一个输出端口接测量光路、另一个输出端口接补偿光路。

上述的1×2光开关4，以一定的时序轮流接通测量光路与补偿光路，各通道的时间占空比可以调节。

上述的测量光路，包括准直器51、1/4波片52、反射器53。

上述的准直器51，针对IFM、ADM两个光源的波段做消色差设计，保证准直效果的一致性。

上述的1/4波片，其晶体光轴方向与保偏光纤的快轴或者慢轴方向成45°，采用包含IFM、ADM两个光源的波段的宽带波片或者针对这两个波段设计的波片。

上述的测量光路，还可以在1/4波片后加扩束镜调节准直距离，扩束镜针对IFM、ADM两个光源的波段做消色差设计。扩束镜不限于在1/4波片后。

上述的反射器53作为测量合作目标安装在待测物件上。

上述的补偿光路，可以由准直器、1/4波片、反射器组成，如前述的测量光路。

上述的补偿光路，也可以是光纤1/4波片，并在端面镀高反膜。

上述的测量光路与补偿光路，其光纤长度要尽可能短。

光纤易受温度等环境因素的干扰，测距模块工作中，由补偿光路返回信号光获得的测距数据包含了整个光路因环境影响产生的漂移，把该数据与测量光路返回信号光获得的测距数据做差值，即可排除环境因素对光学系统的影响。

本发明提供的一种光纤化的激光测距系统，与现有激光跟踪仪测距技术相比，具有以下进步：

(1)IFM、ADM耦合至同一光纤，避免可能出现的两束光角度分离，远距离测量时在测量位置光斑不重合的问题；

(2)降低光学元件、机械结构件的加工难度；降低装调难度，提高效率；

(3)即使变形，也只会稍微降低准直器耦合效率，影响系统光效，并不直接影响测距性能，而不会出现IFM、ADM光束分离系统失效的现象，从而提高系统的可靠性；

(4)新加入了补偿光路，提高系统的环境适应能力。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种光纤化的激光测距系统，其特征在于：包括干涉测距模块、绝对测距模块、波分复用单元、1×2光开关、测量光路和补偿光路，其中，所述干涉测距模块、绝对测距模块选用不同波段的光源，所述干涉测距模块、绝对测距模块的输出端分别与所述波分复用单元连接，由所述波分复用单元耦合并接入到所述1×2光开关，所述1×2光开关的一个输出端口接所述测量光路，另一个输出端口接所述补偿光路，所述1×2光开关以设定的时序轮流接通所述测量光路与补偿光路，所述干涉测距模块包括第一光源、第一准直器、第一环形器、1×2分束器、干涉模块和参考模块，其中，所述第一光源经过所述第一准直器与所述第一环形器的输入端连接，所述第一环形器的正向输出端与所述1×2分束器连接，所述第一环形器的反向输出端与所述干涉模块连接，所述1×2分束器的一个输出端口输出参考光至所述参考模块，另外一个输出端口输出测量光至所述波分复用单元，并与所述绝对测距模块完成合束，返回的光信号经第一环形器进入所述干涉模块，通过检测测量光与参考光之间的干涉信号强度完成目标相对移动距离的测量，所述第一光源、第一准直器、第一环形器、1×2分束器、干涉模块、参考模块分别通过保偏光纤连接，所述保偏光纤的快轴或者慢轴与光的偏振方向对齐，所述第一准直器、第一环形器为一体加工，所述第一环形器的输入端安装有准直器透镜。

2.根据权利要求1所述的光纤化的激光测距系统，其特征在于：所述绝对测距模块包括第二光源、第二准直器、第二环形器、调制器和测量模块，其中，所述第二光源经所述第二准直器与所述第二环形器的输入端连接，所述第二环形器的正向输出端与所述调制器连接，所述第二环形器的反向输出端与所述测量模块连接。

3.根据权利要求2所述的光纤化的激光测距系统，其特征在于：所述绝对测距模块还包括第三准直器和第四准直器，所述第二环形器的正向输出端接入所述第三准直器，以平行光输出并通过所述调制器，随后再耦合入所述第四准直器，所述第四准直器的尾纤接入所述波分复用单元，与所述干涉测距模块完成合束。

4.根据权利要求3所述的光纤化的激光测距系统，其特征在于：所述调制器为电光体调制器或者光纤化的波导调制器。

5.根据权利要求3所述的光纤化的激光测距系统，其特征在于：所述第二准直器、第二环形器为一体加工，所述第二环形器的输入端安装有准直器透镜。

6.根据权利要求1所述的光纤化的激光测距系统，其特征在于：所述测量光路包括第五准直器、1/4波片和反射器，所述第五准直器的输入端接所述1×2光开关，所述第五准直器输出的光信号经所述1/4波片传输至所述反射器。

7.根据权利要求6所述的光纤化的激光测距系统，其特征在于：所述第五准直器针对干涉测距模块、绝对测距模块的两个光源的波段做消色差设计。