CN1831560A - 基于半导体激光器的混沌激光测距方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种基于半导体激光器的混沌激光测距方法及装置，其方法是利用外光反馈效应调制半导体激光器的输出特性，使半导体激光器发射混沌激光信号并将其分束成参考光和探测光，探测光照射待测目标，并将散射回的混沌探测光与混沌参考光进行相关比较，用互相关法测量混沌探测光的往返时间；其装置是由半导体激光器、偏振控制器、光纤耦合器、外光反馈元件、光纤隔离器、光放大器、准直发射镜、望远镜、光电探测器、互相关仪构成。本发明用激光混沌特性作为信息载体实现激光测距，具有宽带、抗干扰能力强、波形不重复及相关性好等特点，可采用结构简单的测距装置轻易达到厘米级的测量精度。

Description

基于半导体激光器的混沌激光测距方法及装置

技术领域

本发明属于激光测距方法及装置领域，特别是一种利用半导体激光器产生混沌激光信号实现激光测距的方法及其装置，可应用于工农业生产、军事、通信、遥感等诸多领域。

背景技术

激光测距是利用激光信号进行距离测量的方法。现有的中远程激光测距系统中，按照距离信息的提取方式分类，主要有测时、测相、测频三种方法。

在先技术[1](参见Raimo Ahola，Risto Myllyla，A new method formeasuring the time-of-flight in fast laser range finding，[J].Proc.SPIEvol.654，1986)是一种利用光脉冲飞行时间的方法。脉冲激光器发射持续时间很短的激光脉冲信号，发射到待测目标后反射回来，回波信号返回测距仪后被光电探测器接收，测量出激光脉冲的往返时间，即可计算距离。测量精度大约在零点几米到几米，取决于光脉冲的宽度和光电器件的响应时间。测量范围主要取决于激光脉冲的能量和在工作环境中激光信号的损耗，在长距离测量时，通常要求大功率的固体(或气体)激光器。但这些大功率激光器的使用，必然带来体积大，造价高、操作费时与维护困难等缺点。这种方法除需要性能高的激光器外，还需要复杂的电路处理系统，首先要将部分光脉冲的能量转化为电脉冲，整形后经门控电路触发计数器，开始对时钟振荡器发出的时间脉冲进行计数。返回的回波信号经过探测器再次转化为电信号，经过同样的电学处理停止对时间脉冲信号的计数，由时间脉冲信号的个数确定激光脉冲的往返时间。

在先技术[2](参见Fujima I，Seta K，Matsumoto H and O’ishi T 1988GHz traveling-wave optical modulator for precision distance measurementProc.SPIE vol 889)是一种利用连续激光相位信息的测距方法，通过测量高频调制相位差实现测距。将激光器输出的光波信号通过调制器进行正弦强度调制，待测目标反射回的光波信号同样包含正弦强度调制成分，但相位有一个时延，这个时延与光在激光器与待测目标之间的往返时间成正比。通过分析反射光信号和一固定参考光信号的互相关函数，从而计算出待测目标的距离，其测距精度由正弦调制信号的带宽所决定。

连续激光调制测量法也可以用伪随机码发生器对连续激光信号进行调制，其测量精度主要取决于编码速率。伪随机码的一个缺点是只能产生有限的码长，同时相邻码之间的重叠会造成测量结果的二值性，码长越长，在一定测量范围内测量结果产生二值性的可能性就越小。无论是正弦调制还是伪随机码调制，都需将光信号转化为电信号经电路系统来处理，同时受编码速率或调制速率的限制，其测量精度通常较低，约为几米。采用精密外部调制器(如电光晶体调制器)可提高调制速率或编码速率，但成本又会大大提高。

在先技术[3](参见S F Collins，M M Murphy，K T V Grattan，etal.Asimple laser diode ranging scheme using an intensity modulated FMCWapproach[J].Meas.and Tech，.1993，4)是一种利用连续激光频率信息的测距方法，原理是通过发射一频率连续可调的激光信号，经待测目标后返回的回波信号与发射信号相比，由于啁啾而存在频率漂移，所以在混频器中将产生拍频，这个拍频与待测距离成正比。这种方法除需将光信号转化为电信号经电路系统处理之外，还需要增加调节激光频率的附加电路系统。

混沌激光信号测距和上述激光测距中所用的脉冲激光信号和连续调制激光信号相比，混沌激光信号具有宽带、波形不可预测性及相关性好等特点，是理想的测距信号。随机信号雷达和混沌信号雷达的应用已初步显示出了混沌信号在测量精度、抗干扰能力等方面的优势。目前用于雷达测距的混沌信号均是由非线性电路所产生，其最大的困难在于电子器件很难产生宽带的混沌信号，无法完全发挥混沌信号在测距方面的优势。

发明内容

本发明要解决的问题是利用混沌激光信号代替现有技术中所用的测距信号，克服现有技术中为了提高测量精度而必须采取复杂电路设计的不足。其目的是提供一种利用半导体激光器产生的混沌激光信号实现激光测距的方法及装置。

本发明提供一种基于半导体激光器的混沌激光测距的方法，该方法是基于半导体激光器的非线性特征，利用半导体激光器发射高维混沌激光信号；把半导体激光器产生的混沌激光信号分成两束，一束作为参考光，另一束作为探测光，探测光照射到待测目标，经待测目标表面散射回的混沌探测光与混沌参考光进行比较；利用互相关法测量出混沌探测光在自由空间的往返飞行时间τ，则待测目标的距离可利用公式 $L=\frac{1}{2}\mathrm{c\τ}$ 计算得出，其中c表示光在空气中的传播速度。

用于本发明基于半导体激光器的混沌激光测距方法的装置，其装置是将半导体激光器作为激光光源，其输出光依次通过偏振控制器和光纤耦合器传输到外光反馈元件，经外光反馈元件反馈的光沿原路返回，重新注入半导体激光器，调制半导体激光器的输出特性，通过对外光反馈元件和偏振控制器的调节改变反馈光的强度和偏振状态，使半导体激光器产生高维的混沌激光信号；

半导体激光器发出的混沌激光信号通过一个光纤隔离器后，被另一个光纤耦合器分成两束，探测光I和参考光II，探测光I作为测距信号，经过光放大器放大后由准直发射镜发射并照射到待测目标，被待测目标表面散射的混沌探测光作为回波信号被天文望远镜接收后，经光放大器放大并用光电探测器转化为电信号输入互相关仪。参考光II经光纤延迟线进行延迟校准后，由光电探测器转换为电信号输入互相关仪；互相关仪作为信号分析处理装置，对参考光II和探测光I进行比较，测出探测光在自由空间的往返飞行时间τ，计算出待测距离。

本发明提出的基于半导体激光器的混沌激光测距方法及装置，与已有的激光测距方法及装置比较具有以下优点：

1.先技术[1]、[2]、[3]分别利用了激光的脉冲特性、相位信息、频率信息作为距离信息的载体，本发明首次利用了激光的混沌特性作为信息载体实现激光测距。

2.混沌激光信号具有宽带、波形不可预测性及相关性好等特点，作为测距信号拥有测量精度高，抗干扰能力强的优势，是理想的测距信号。混沌激光信号还有波形不重复的特点，因此，先技术[2]在连续光伪随机码调制中由于码长过短而产生的测量结果二值性问题也会自然消失，实现无模糊测距。

3.现有用于测距的混沌信号均是由非线性电路所产生，其最大的困难在于电子器件很难产生宽带的混沌信号，无法完全发挥混沌信号在测距方面的优势。半导体激光器在存在光反馈的情况下会产生混沌激光，这种混沌激光信号具有平坦连续的频谱，其带宽可达几十GHz，因而具有高度的距离和速度分辨能力，应用于测距可以利用结构简单的测量装置轻易达到厘米级的测量精度。

4.测距装置中利用一个简单的外光反馈元件改变反馈光的光强，使半导体激光器产生混沌激光，结构简单，无机械调整要求，适合恶劣环境要求。与先技术[2]中连续光伪随机码调制相比，省却了昂贵的外部调制器及电源。而且利用各种光放大器可以很容易将半导体激光器产生的混沌激光信号进行放大，实现远距离测距。

附图说明

图1是基于半导体激光器的混沌激光测距方法及装置的系统示意图

图中：1：半导体激光器   2：偏振控制器    3、6：1×2光纤耦合器    4：外光反馈元件    5：光纤隔离器    7：光纤延迟线    8、12：光放大器    9：准直发射镜    10：待测目标    11：天文望远镜    13、14：光电探测器   15：互相关仪

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

本方法实施例可以利用半导体激光器1的外光反馈效应调制半导体激光器1的输出特性产生混沌激光信号。用外光反馈元件将输出光反馈回半导体激光器1，通过对反馈光强度大小的调节使半导体激光器1发射高维混沌激光信号。把半导体激光器1产生的混沌激光信号分成两束，一束作为参考光，另一束作为探测光，探测光照射到待测目标10，经待测目标10表面散射回的混沌探测光与混沌参考光进行比较。通过对两束光互相关函数的比较，测量出混沌探测光在自由空间的往返飞行时间τ，则待测目标10的距离可利用公式 $L=\frac{1}{2}\mathrm{c\τ}$ 计算得出，其中c表示光在空气中的传播速度。

本装置实施例中混沌激光信号产生装置由半导体激光器1，偏振控制器2，光纤耦合器3和外光反馈元件4共同组成。采用波长为1.55μm的DFB半导体激光器1作为光源，因为1.55μm波长的激光对人眼的安全性最高，且大气衰减小，目标反射系数高。外光反馈元件4可以利用一个可自动控制的数字可调谐反射器来实现。输出光经过偏振控制器2和光纤耦合器3后，传输到数字可调谐反射器4，反馈光沿原路返回，又重新注入半导体激光器1，改变激光器的输出状态。通过设置数字可调谐反射器4反射率的大小和调节偏振控制器2来改变反馈光的强度和偏振状态，使半导体激光器1输出高维的混沌激光信号。

为了防止不必要的反馈光注入到半导体激光器1中，由光纤耦合器3输出的混沌激光信号首先需要经过一个光纤隔离器5，再由1×2光纤耦合器6分束为I光和II光。I光作为探测光依次通过光放大器8和准直发射镜9传输到待测目标10。光放大器8可采用掺铒光纤放大器，而准直发射镜9直接采用普通材料的准直透镜即可。经过待测目标10散射的回波信号由反射式天文望远镜11接收，接收到的混沌回波信号经过远距离的传输，不可避免的存在各种损耗而减弱。所以还需经过另一个光放大器12放大，再由光电探测器13转化为电信号后传输到互相关仪15。装置中所描述的光放大器8和12可以采用相同的掺铒光纤放大器。II光作为参考光，经过光纤延迟线7延迟后，由光电探测器14转化为电信号后传输到互相关仪15。调节延迟线使从光纤耦合器6输出的I光到准直发射镜9输出时的传输时间t₁，从天文望远镜11接收开始到注入互相关仪13时的传输时间t₂，从光纤耦合器6输出的II光到注入互相关仪13时的传输时间t₃，满足关系：t₁+t₂＝t₃。利用互相关仪15测量出I光和II光的时延，即I光在自由空间的往返飞行时间τ，计算出待测距离。

Claims (2)

1.基于半导体激光器的混沌激光测距方法，该方法是基于半导体激光器(1)的非线性特征，利用反馈效应改变半导体激光器(1)的输出特性，使半导体激光器(1)发射高维混沌激光信号；把半导体激光器(1)产生的混沌激光信号分成两束，一束作为参考光，另一束作为探测光，探测光照射到待测目标(10)，经待测目标(10)表面散射回的混沌探测光与混沌参考光进行相关比较；利用互相关法测量出混沌探测光在自由空间的往返飞行时间τ，待测目标(10)的距离利用公式 $L=\frac{1}{2}\mathrm{c\τ}$ 计算得出，其中c表示光在空气中的传播速度。

2.用于权利要求1基于半导体激光器的混沌激光测距方法的装置，该装置是将半导体激光器(1)作为激光光源，其输出光依次通过偏振控制器(2)和光纤耦合器(3)传输到外光反馈元件(4)，经外光反馈元件(4)反馈的光沿原路返回，重新注入半导体激光器(1)，调制半导体激光器(1)的输出特性，通过调节外光反馈元件(4)和偏振控制器(2)改变反馈光的强度和偏振状态，使半导体激光器(1)产生高维的混沌激光信号；

半导体激光器(1)发出的混沌激光信号通过一个光纤隔离器(5)后，被光纤耦合器(6)分成两束，探测光I和参考光II，探测光I作为测距信号，经过光放大器(8)放大后由准直发射镜(9)发射后照射到待测目标(10)，被待测目标(10)表面散射的混沌激光作为回波信号被天文望远镜(11)接收，经光放大器(12)放大并用光电探测器(13)转化为电信号输入互相关仪(15)；参考光II经光纤延迟线(7)延迟校准后由光电探测器(14)转换为电信号输入互相关仪(15)；互相关仪(15)作为信号分析处理装置，对参考光II和探测光I进行互相关函数比较，测出探测光在自由空间的往返飞行时间τ，计算出待测距离。