專利名稱：基于半導(dǎo)體激光器的混沌激光測(cè)距方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光測(cè)距方法及裝置領(lǐng)域，特別是一種利用半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生混沌激光信號(hào)實(shí)現(xiàn)激光測(cè)距的方法及其裝置，可應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事、通信、遙感等諸多領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
激光測(cè)距是利用激光信號(hào)進(jìn)行距離測(cè)量的方法。現(xiàn)有的中遠(yuǎn)程激光測(cè)距系統(tǒng)中，按照距離信息的提取方式分類，主要有測(cè)時(shí)、測(cè)相、測(cè)頻三種方法。
在先技術(shù)[1](參見(jiàn)Raimo Ahola，Risto Myllyla，A new method formeasuring the time-of-flight in fast laser range finding，[J].Proc.SPIEvol.654，1986)是一種利用光脈沖飛行時(shí)間的方法。脈沖激光器發(fā)射持續(xù)時(shí)間很短的激光脈沖信號(hào)，發(fā)射到待測(cè)目標(biāo)后反射回來(lái)，回波信號(hào)返回測(cè)距儀后被光電探測(cè)器接收，測(cè)量出激光脈沖的往返時(shí)間，即可計(jì)算距離。測(cè)量精度大約在零點(diǎn)幾米到幾米，取決于光脈沖的寬度和光電器件的響應(yīng)時(shí)間。測(cè)量范圍主要取決于激光脈沖的能量和在工作環(huán)境中激光信號(hào)的損耗，在長(zhǎng)距離測(cè)量時(shí)，通常要求大功率的固體(或氣體)激光器。但這些大功率激光器的使用，必然帶來(lái)體積大，造價(jià)高、操作費(fèi)時(shí)與維護(hù)困難等缺點(diǎn)。這種方法除需要性能高的激光器外，還需要復(fù)雜的電路處理系統(tǒng)，首先要將部分光脈沖的能量轉(zhuǎn)化為電脈沖，整形后經(jīng)門(mén)控電路觸發(fā)計(jì)數(shù)器，開(kāi)始對(duì)時(shí)鐘振蕩器發(fā)出的時(shí)間脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。返回的回波信號(hào)經(jīng)過(guò)探測(cè)器再次轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)同樣的電學(xué)處理停止對(duì)時(shí)間脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)，由時(shí)間脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)確定激光脈沖的往返時(shí)間。
在先技術(shù)[2](參見(jiàn)Fujima I，Seta K，Matsumoto H and O’ishi T 1988GHz traveling-wave optical modulator for precision distance measurementProc.SPIE vol 889)是一種利用連續(xù)激光相位信息的測(cè)距方法，通過(guò)測(cè)量高頻調(diào)制相位差實(shí)現(xiàn)測(cè)距。將激光器輸出的光波信號(hào)通過(guò)調(diào)制器進(jìn)行正弦強(qiáng)度調(diào)制，待測(cè)目標(biāo)反射回的光波信號(hào)同樣包含正弦強(qiáng)度調(diào)制成分，但相位有一個(gè)時(shí)延，這個(gè)時(shí)延與光在激光器與待測(cè)目標(biāo)之間的往返時(shí)間成正比。通過(guò)分析反射光信號(hào)和一固定參考光信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)，從而計(jì)算出待測(cè)目標(biāo)的距離，其測(cè)距精度由正弦調(diào)制信號(hào)的帶寬所決定。
連續(xù)激光調(diào)制測(cè)量法也可以用偽隨機(jī)碼發(fā)生器對(duì)連續(xù)激光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，其測(cè)量精度主要取決于編碼速率。偽隨機(jī)碼的一個(gè)缺點(diǎn)是只能產(chǎn)生有限的碼長(zhǎng)，同時(shí)相鄰碼之間的重疊會(huì)造成測(cè)量結(jié)果的二值性，碼長(zhǎng)越長(zhǎng)，在一定測(cè)量范圍內(nèi)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生二值性的可能性就越小。無(wú)論是正弦調(diào)制還是偽隨機(jī)碼調(diào)制，都需將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)經(jīng)電路系統(tǒng)來(lái)處理，同時(shí)受編碼速率或調(diào)制速率的限制，其測(cè)量精度通常較低，約為幾米。采用精密外部調(diào)制器(如電光晶體調(diào)制器)可提高調(diào)制速率或編碼速率，但成本又會(huì)大大提高。
在先技術(shù)[3](參見(jiàn)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)是一種利用連續(xù)激光頻率信息的測(cè)距方法，原理是通過(guò)發(fā)射一頻率連續(xù)可調(diào)的激光信號(hào)，經(jīng)待測(cè)目標(biāo)后返回的回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)相比，由于啁啾而存在頻率漂移，所以在混頻器中將產(chǎn)生拍頻，這個(gè)拍頻與待測(cè)距離成正比。這種方法除需將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)經(jīng)電路系統(tǒng)處理之外，還需要增加調(diào)節(jié)激光頻率的附加電路系統(tǒng)。
混沌激光信號(hào)測(cè)距和上述激光測(cè)距中所用的脈沖激光信號(hào)和連續(xù)調(diào)制激光信號(hào)相比，混沌激光信號(hào)具有寬帶、波形不可預(yù)測(cè)性及相關(guān)性好等特點(diǎn)，是理想的測(cè)距信號(hào)。隨機(jī)信號(hào)雷達(dá)和混沌信號(hào)雷達(dá)的應(yīng)用已初步顯示出了混沌信號(hào)在測(cè)量精度、抗干擾能力等方面的優(yōu)勢(shì)。目前用于雷達(dá)測(cè)距的混沌信號(hào)均是由非線性電路所產(chǎn)生，其最大的困難在于電子器件很難產(chǎn)生寬帶的混沌信號(hào)，無(wú)法完全發(fā)揮混沌信號(hào)在測(cè)距方面的優(yōu)勢(shì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問(wèn)題是利用混沌激光信號(hào)代替現(xiàn)有技術(shù)中所用的測(cè)距信號(hào)，克服現(xiàn)有技術(shù)中為了提高測(cè)量精度而必須采取復(fù)雜電路設(shè)計(jì)的不足。其目的是提供一種利用半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的混沌激光信號(hào)實(shí)現(xiàn)激光測(cè)距的方法及裝置。
本發(fā)明提供一種基于半導(dǎo)體激光器的混沌激光測(cè)距的方法，該方法是基于半導(dǎo)體激光器的非線性特征，利用半導(dǎo)體激光器發(fā)射高維混沌激光信號(hào)；把半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的混沌激光信號(hào)分成兩束，一束作為參考光，另一束作為探測(cè)光，探測(cè)光照射到待測(cè)目標(biāo)，經(jīng)待測(cè)目標(biāo)表面散射回的混沌探測(cè)光與混沌參考光進(jìn)行比較；利用互相關(guān)法測(cè)量出混沌探測(cè)光在自由空間的往返飛行時(shí)間τ，則待測(cè)目標(biāo)的距離可利用公式L=12cτ]]>計(jì)算得出，其中c表示光在空氣中的傳播速度。
用于本發(fā)明基于半導(dǎo)體激光器的混沌激光測(cè)距方法的裝置，其裝置是將半導(dǎo)體激光器作為激光光源，其輸出光依次通過(guò)偏振控制器和光纖耦合器傳輸?shù)酵夤夥答佋?jīng)外光反饋元件反饋的光沿原路返回，重新注入半導(dǎo)體激光器，調(diào)制半導(dǎo)體激光器的輸出特性，通過(guò)對(duì)外光反饋元件和偏振控制器的調(diào)節(jié)改變反饋光的強(qiáng)度和偏振狀態(tài)，使半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生高維的混沌激光信號(hào)；半導(dǎo)體激光器發(fā)出的混沌激光信號(hào)通過(guò)一個(gè)光纖隔離器后，被另一個(gè)光纖耦合器分成兩束，探測(cè)光I和參考光II，探測(cè)光I作為測(cè)距信號(hào)，經(jīng)過(guò)光放大器放大后由準(zhǔn)直發(fā)射鏡發(fā)射并照射到待測(cè)目標(biāo)，被待測(cè)目標(biāo)表面散射的混沌探測(cè)光作為回波信號(hào)被天文望遠(yuǎn)鏡接收后，經(jīng)光放大器放大并用光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸入互相關(guān)儀。參考光II經(jīng)光纖延遲線進(jìn)行延遲校準(zhǔn)后，由光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸入互相關(guān)儀；互相關(guān)儀作為信號(hào)分析處理裝置，對(duì)參考光II和探測(cè)光I進(jìn)行比較，測(cè)出探測(cè)光在自由空間的往返飛行時(shí)間τ，計(jì)算出待測(cè)距離。
本發(fā)明提出的基于半導(dǎo)體激光器的混沌激光測(cè)距方法及裝置，與已有的激光測(cè)距方法及裝置比較具有以下優(yōu)點(diǎn)1.先技術(shù)[1]、[2]、[3]分別利用了激光的脈沖特性、相位信息、頻率信息作為距離信息的載體，本發(fā)明首次利用了激光的混沌特性作為信息載體實(shí)現(xiàn)激光測(cè)距。
2.混沌激光信號(hào)具有寬帶、波形不可預(yù)測(cè)性及相關(guān)性好等特點(diǎn)，作為測(cè)距信號(hào)擁有測(cè)量精度高，抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，是理想的測(cè)距信號(hào)?；煦缂す庑盘?hào)還有波形不重復(fù)的特點(diǎn)，因此，先技術(shù)[2]在連續(xù)光偽隨機(jī)碼調(diào)制中由于碼長(zhǎng)過(guò)短而產(chǎn)生的測(cè)量結(jié)果二值性問(wèn)題也會(huì)自然消失，實(shí)現(xiàn)無(wú)模糊測(cè)距。
3.現(xiàn)有用于測(cè)距的混沌信號(hào)均是由非線性電路所產(chǎn)生，其最大的困難在于電子器件很難產(chǎn)生寬帶的混沌信號(hào)，無(wú)法完全發(fā)揮混沌信號(hào)在測(cè)距方面的優(yōu)勢(shì)。半導(dǎo)體激光器在存在光反饋的情況下會(huì)產(chǎn)生混沌激光，這種混沌激光信號(hào)具有平坦連續(xù)的頻譜，其帶寬可達(dá)幾十GHz，因而具有高度的距離和速度分辨能力，應(yīng)用于測(cè)距可以利用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的測(cè)量裝置輕易達(dá)到厘米級(jí)的測(cè)量精度。
4.測(cè)距裝置中利用一個(gè)簡(jiǎn)單的外光反饋元件改變反饋光的光強(qiáng)，使半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生混沌激光，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)機(jī)械調(diào)整要求，適合惡劣環(huán)境要求。與先技術(shù)[2]中連續(xù)光偽隨機(jī)碼調(diào)制相比，省卻了昂貴的外部調(diào)制器及電源。而且利用各種光放大器可以很容易將半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的混沌激光信號(hào)進(jìn)行放大，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)距。


圖1是基于半導(dǎo)體激光器的混沌激光測(cè)距方法及裝置的系統(tǒng)示意中1半導(dǎo)體激光器 2偏振控制器3、61×2光纖耦合器4外光反饋元件5光纖隔離器7光纖延遲線8、12光放大器9準(zhǔn)直發(fā)射鏡10待測(cè)目標(biāo)11天文望遠(yuǎn)鏡13、14光電探測(cè)器 15互相關(guān)儀具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明本方法實(shí)施例可以利用半導(dǎo)體激光器1的外光反饋效應(yīng)調(diào)制半導(dǎo)體激光器1的輸出特性產(chǎn)生混沌激光信號(hào)。用外光反饋元件將輸出光反饋回半導(dǎo)體激光器1，通過(guò)對(duì)反饋光強(qiáng)度大小的調(diào)節(jié)使半導(dǎo)體激光器1發(fā)射高維混沌激光信號(hào)。把半導(dǎo)體激光器1產(chǎn)生的混沌激光信號(hào)分成兩束，一束作為參考光，另一束作為探測(cè)光，探測(cè)光照射到待測(cè)目標(biāo)10，經(jīng)待測(cè)目標(biāo)10表面散射回的混沌探測(cè)光與混沌參考光進(jìn)行比較。通過(guò)對(duì)兩束光互相關(guān)函數(shù)的比較，測(cè)量出混沌探測(cè)光在自由空間的往返飛行時(shí)間τ，則待測(cè)目標(biāo)10的距離可利用公式L=12cτ]]>計(jì)算得出，其中c表示光在空氣中的傳播速度。
本裝置實(shí)施例中混沌激光信號(hào)產(chǎn)生裝置由半導(dǎo)體激光器1，偏振控制器2，光纖耦合器3和外光反饋元件4共同組成。采用波長(zhǎng)為1.55μm的DFB半導(dǎo)體激光器1作為光源，因?yàn)?.55μm波長(zhǎng)的激光對(duì)人眼的安全性最高，且大氣衰減小，目標(biāo)反射系數(shù)高。外光反饋元件4可以利用一個(gè)可自動(dòng)控制的數(shù)字可調(diào)諧反射器來(lái)實(shí)現(xiàn)。輸出光經(jīng)過(guò)偏振控制器2和光纖耦合器3后，傳輸?shù)綌?shù)字可調(diào)諧反射器4，反饋光沿原路返回，又重新注入半導(dǎo)體激光器1，改變激光器的輸出狀態(tài)。通過(guò)設(shè)置數(shù)字可調(diào)諧反射器4反射率的大小和調(diào)節(jié)偏振控制器2來(lái)改變反饋光的強(qiáng)度和偏振狀態(tài)，使半導(dǎo)體激光器1輸出高維的混沌激光信號(hào)。
為了防止不必要的反饋光注入到半導(dǎo)體激光器1中，由光纖耦合器3輸出的混沌激光信號(hào)首先需要經(jīng)過(guò)一個(gè)光纖隔離器5，再由1×2光纖耦合器6分束為I光和II光。I光作為探測(cè)光依次通過(guò)光放大器8和準(zhǔn)直發(fā)射鏡9傳輸?shù)酱郎y(cè)目標(biāo)10。光放大器8可采用摻鉺光纖放大器，而準(zhǔn)直發(fā)射鏡9直接采用普通材料的準(zhǔn)直透鏡即可。經(jīng)過(guò)待測(cè)目標(biāo)10散射的回波信號(hào)由反射式天文望遠(yuǎn)鏡11接收，接收到的混沌回波信號(hào)經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)距離的傳輸，不可避免的存在各種損耗而減弱。所以還需經(jīng)過(guò)另一個(gè)光放大器12放大，再由光電探測(cè)器13轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后傳輸?shù)交ハ嚓P(guān)儀15。裝置中所描述的光放大器8和12可以采用相同的摻鉺光纖放大器。II光作為參考光，經(jīng)過(guò)光纖延遲線7延遲后，由光電探測(cè)器14轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后傳輸?shù)交ハ嚓P(guān)儀15。調(diào)節(jié)延遲線使從光纖耦合器6輸出的I光到準(zhǔn)直發(fā)射鏡9輸出時(shí)的傳輸時(shí)間t1，從天文望遠(yuǎn)鏡11接收開(kāi)始到注入互相關(guān)儀13時(shí)的傳輸時(shí)間t2，從光纖耦合器6輸出的II光到注入互相關(guān)儀13時(shí)的傳輸時(shí)間t3，滿足關(guān)系t1+t2＝t3。利用互相關(guān)儀15測(cè)量出I光和II光的時(shí)延，即I光在自由空間的往返飛行時(shí)間τ，計(jì)算出待測(cè)距離。
權(quán)利要求
1.基于半導(dǎo)體激光器的混沌激光測(cè)距方法，該方法是基于半導(dǎo)體激光器(1)的非線性特征，利用反饋效應(yīng)改變半導(dǎo)體激光器(1)的輸出特性，使半導(dǎo)體激光器(1)發(fā)射高維混沌激光信號(hào)；把半導(dǎo)體激光器(1)產(chǎn)生的混沌激光信號(hào)分成兩束，一束作為參考光，另一束作為探測(cè)光，探測(cè)光照射到待測(cè)目標(biāo)(10)，經(jīng)待測(cè)目標(biāo)(10)表面散射回的混沌探測(cè)光與混沌參考光進(jìn)行相關(guān)比較；利用互相關(guān)法測(cè)量出混沌探測(cè)光在自由空間的往返飛行時(shí)間τ，待測(cè)目標(biāo)(10)的距離利用公式L=12cτ]]>計(jì)算得出，其中c表示光在空氣中的傳播速度。
2.用于權(quán)利要求1基于半導(dǎo)體激光器的混沌激光測(cè)距方法的裝置，該裝置是將半導(dǎo)體激光器(1)作為激光光源，其輸出光依次通過(guò)偏振控制器(2)和光纖耦合器(3)傳輸?shù)酵夤夥答佋?4)，經(jīng)外光反饋元件(4)反饋的光沿原路返回，重新注入半導(dǎo)體激光器(1)，調(diào)制半導(dǎo)體激光器(1)的輸出特性，通過(guò)調(diào)節(jié)外光反饋元件(4)和偏振控制器(2)改變反饋光的強(qiáng)度和偏振狀態(tài)，使半導(dǎo)體激光器(1)產(chǎn)生高維的混沌激光信號(hào)；半導(dǎo)體激光器(1)發(fā)出的混沌激光信號(hào)通過(guò)一個(gè)光纖隔離器(5)后，被光纖耦合器(6)分成兩束，探測(cè)光I和參考光II，探測(cè)光I作為測(cè)距信號(hào)，經(jīng)過(guò)光放大器(8)放大后由準(zhǔn)直發(fā)射鏡(9)發(fā)射后照射到待測(cè)目標(biāo)(10)，被待測(cè)目標(biāo)(10)表面散射的混沌激光作為回波信號(hào)被天文望遠(yuǎn)鏡(11)接收，經(jīng)光放大器(12)放大并用光電探測(cè)器(13)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸入互相關(guān)儀(15)；參考光II經(jīng)光纖延遲線(7)延遲校準(zhǔn)后由光電探測(cè)器(14)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸入互相關(guān)儀(15)；互相關(guān)儀(15)作為信號(hào)分析處理裝置，對(duì)參考光II和探測(cè)光I進(jìn)行互相關(guān)函數(shù)比較，測(cè)出探測(cè)光在自由空間的往返飛行時(shí)間τ，計(jì)算出待測(cè)距離。
全文摘要
一種基于半導(dǎo)體激光器的混沌激光測(cè)距方法及裝置，其方法是利用外光反饋效應(yīng)調(diào)制半導(dǎo)體激光器的輸出特性，使半導(dǎo)體激光器發(fā)射混沌激光信號(hào)并將其分束成參考光和探測(cè)光，探測(cè)光照射待測(cè)目標(biāo)，并將散射回的混沌探測(cè)光與混沌參考光進(jìn)行相關(guān)比較，用互相關(guān)法測(cè)量混沌探測(cè)光的往返時(shí)間；其裝置是由半導(dǎo)體激光器、偏振控制器、光纖耦合器、外光反饋元件、光纖隔離器、光放大器、準(zhǔn)直發(fā)射鏡、望遠(yuǎn)鏡、光電探測(cè)器、互相關(guān)儀構(gòu)成。本發(fā)明用激光混沌特性作為信息載體實(shí)現(xiàn)激光測(cè)距，具有寬帶、抗干擾能力強(qiáng)、波形不重復(fù)及相關(guān)性好等特點(diǎn)，可采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的測(cè)距裝置輕易達(dá)到厘米級(jí)的測(cè)量精度。
文檔編號(hào)G01S17/08GK1831560SQ20061001262
公開(kāi)日2006年9月13日 申請(qǐng)日期2006年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月21日
發(fā)明者王云才, 王冰潔, 王安幫 申請(qǐng)人:太原理工大學(xué)