調(diào)頻連續(xù)波測(cè)距非線性校正技術(shù)研究綜述?

靳 碩 張鐵犁

（北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所 北京 100076）

1 引言

近年來，隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)大尺寸測(cè)量的要求越來越高，特別是在航空航天、汽車和船舶制造業(yè)等方面，如大型和重型運(yùn)載火箭中大型零部件外形的測(cè)量、水汽輪機(jī)主軸長度的測(cè)量、大型精密機(jī)床床身的測(cè)量及水電站發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子定子直徑的測(cè)量等，工件尺寸大小從幾米到幾十米甚至上百米，測(cè)量精度要求從毫米級(jí)到微米量級(jí)，具備的測(cè)量環(huán)境迥異且條件較差。對(duì)實(shí)時(shí)，大范圍，高精度、高效率的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量需求越來越突出［1］。

調(diào)頻連續(xù)波測(cè)距技術(shù)通過連續(xù)線性或正弦調(diào)制單縱模激光器的激光頻率，并利用被測(cè)距離產(chǎn)生的時(shí)延獲得差拍信號(hào)，從差拍頻率解算絕對(duì)距離。相比于雙頻激光干涉測(cè)量等相對(duì)距離測(cè)量技術(shù)以及立體視覺、三坐標(biāo)機(jī)、激光跟蹤儀等技術(shù)，具備非接觸測(cè)量、脫離導(dǎo)軌、不依賴合作目標(biāo)和無需太多人工干預(yù)等優(yōu)勢(shì)，測(cè)量精度高、測(cè)量范圍大、自動(dòng)化程度高、可實(shí)現(xiàn)絕對(duì)距離測(cè)量，在國防和民用領(lǐng)域均有廣闊的應(yīng)用前景。

2 調(diào)頻連續(xù)波測(cè)距原理

調(diào)頻激光測(cè)距儀基于飛行時(shí)間原理，通過測(cè)量激光往返與探測(cè)器和目標(biāo)間的時(shí)間實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的距離探測(cè)。為了準(zhǔn)確測(cè)量激光飛行時(shí)間，調(diào)頻激光測(cè)距儀通過利用一個(gè)頻率隨時(shí)間變化的調(diào)制信號(hào)對(duì)激光器進(jìn)行調(diào)制，對(duì)發(fā)射的激光進(jìn)行與時(shí)間有關(guān)的特征標(biāo)記，測(cè)量光與參考光進(jìn)行拍頻，拍頻后的信號(hào)頻率較低一般為kHz到MHz量級(jí)，可以利用光電探測(cè)器進(jìn)行直接探測(cè)。

三角波調(diào)制的調(diào)頻激光測(cè)距原理圖如圖1所示。

圖1 三角波調(diào)制的調(diào)頻激光測(cè)距原理圖

設(shè)調(diào)頻信號(hào)的初始頻率為f0，激光器的調(diào)制范圍為B，激光器的調(diào)制周期為T。

激光器發(fā)出的信號(hào)瞬時(shí)頻率為

目標(biāo)回波信號(hào)的瞬時(shí)頻率為

則ft(t)與fr(t)的拍頻信號(hào)的瞬時(shí)頻率為

將α=2B/T，τ=2R/c帶入式（3）得

因此，調(diào)頻連續(xù)波激光測(cè)距系統(tǒng)只要通過一定的方式測(cè)得測(cè)量信號(hào)和參考信號(hào)的差拍頻率，就可以通過計(jì)算得到測(cè)量的目標(biāo)距離。

以上公式推導(dǎo)是在假設(shè)激光器的調(diào)制為理想線性的前提下進(jìn)行的，然而實(shí)際情況下，由于激光本身頻率響應(yīng)的波動(dòng)和調(diào)制電路噪聲等原因，完全的非線性是不可能達(dá)到的，因此實(shí)驗(yàn)得到的拍頻信號(hào)是隨著不同的噪聲頻率而不可預(yù)見的變化著的，如圖2所示的拍頻信號(hào)的波形圖。

這種非線性導(dǎo)致的拍頻信號(hào)頻率不規(guī)則變化導(dǎo)致了光電探測(cè)器探測(cè)到的拍頻信號(hào)并非單頻信號(hào)。對(duì)該信號(hào)進(jìn)行FFT運(yùn)算以后得到一個(gè)被展寬的頻譜譜線，無法得到高精度的測(cè)量結(jié)果。如圖3所示，發(fā)射信號(hào)和回波信號(hào)的頻率都隨時(shí)間有一定的波動(dòng)，此時(shí)拍頻信號(hào)的頻率不再是單一的，而是具有一定的頻譜展寬。

圖2 非線性導(dǎo)致的拍頻信號(hào)波形圖

圖3 調(diào)頻信號(hào)的非線性和其導(dǎo)致的拍頻頻譜展寬

同時(shí)，由于拍頻信號(hào)頻譜展寬，當(dāng)測(cè)量?jī)蓚€(gè)相對(duì)距離較小的目標(biāo)時(shí)，如圖4所示，目標(biāo)A與目標(biāo)B的拍信號(hào)中心頻率fbA與fbB非常接近，頻譜均被展寬Δfb，根據(jù)瑞利判據(jù)可知，兩目標(biāo)頻譜將不能被分辨，導(dǎo)致測(cè)量系統(tǒng)分辨率下降。

圖4 頻譜展寬導(dǎo)致的分辨率降低

因此調(diào)頻信號(hào)的非線性對(duì)測(cè)距結(jié)果的影響是非常嚴(yán)重的，要想得到更高的測(cè)距精度和測(cè)距分辨率，必須對(duì)調(diào)頻信號(hào)的非線性進(jìn)行校正。

3 調(diào)頻連續(xù)波測(cè)距非線性校正國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

3.1 國外技術(shù)研究現(xiàn)狀

調(diào)頻連續(xù)波激光測(cè)距系統(tǒng)自20世紀(jì)90年代以來得到飛速發(fā)展，國外許多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)都開展了與調(diào)頻連續(xù)波測(cè)距非線性校正相關(guān)的研究，市場(chǎng)上已經(jīng)有成熟的產(chǎn)品出現(xiàn)。

1994 年，德國的 A.Dieckmann［2］首次采用分布反饋可調(diào)諧雙波導(dǎo)激光二極管研制成功了FMCW激光雷達(dá)，其可用于對(duì)短距離目標(biāo)的精確測(cè)量。為降低調(diào)頻非線性的影響，實(shí)驗(yàn)中采用馬赫-澤德干涉技術(shù)對(duì)激光器調(diào)諧的非線性進(jìn)行了校正。對(duì)1cm和10cm距離的目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量時(shí)的精度可分別到達(dá)8μm和20μm，這證明了調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)技術(shù)可進(jìn)行短距離的高精度測(cè)量。

1996年，Iiyama［3］等最早提出將基于光電負(fù)反饋的技術(shù)用于線性調(diào)頻，并搭建了含有參考干涉儀和相位比較器等結(jié)構(gòu)的光電負(fù)反饋環(huán)路，在100GHz調(diào)頻范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了較慢速的50Hz的三角波調(diào)頻的線性化。

1999年，Christer J.Karlsson［4］等針對(duì) FMCW 激光雷達(dá)中存在的激光器調(diào)諧非線性進(jìn)行了研究，詳細(xì)地討論了非線性校正方法。對(duì)于漫反射目標(biāo)，該激光雷達(dá)系統(tǒng)最遠(yuǎn)能夠?qū)?75m的距離進(jìn)行測(cè)量。由于調(diào)頻的非線性以及測(cè)量距離的增大，得到的信號(hào)信噪比下降，因此信號(hào)的頻譜被不同程度地展寬，導(dǎo)致測(cè)距和測(cè)速精度下降。當(dāng)信噪比為34dB時(shí)精度為2mm，當(dāng)信噪比為16.5dB時(shí)約為5cm。

2001年，德國Siemens AG聯(lián)合技術(shù)中心于的Richard Schneider［5］等利用兩個(gè)調(diào)諧曲線成反對(duì)稱的連續(xù)波激光器，采用校準(zhǔn)干涉信號(hào)對(duì)激光器的調(diào)頻非線性誤差進(jìn)行了補(bǔ)償，并通過上行調(diào)頻與下行調(diào)頻結(jié)合的方式消除了測(cè)量過程中的環(huán)境振動(dòng)誤差，在調(diào)制帶寬為15GHz時(shí)獲得了0.5mm的距離測(cè)量精度。

2009年，蒙大拿州立大學(xué)的 PeterA.Roos［6］等通過自外差技術(shù)將激光器形成的反饋回路的拍頻鎖定到一個(gè)參考頻率上，完成非線性校正，所使用外腔調(diào)頻激光器可通過注入電流和壓電陶瓷（PZT）分別進(jìn)行快速和慢速反饋調(diào)節(jié)，在調(diào)頻帶寬為5THz情況下頻率誤差為170KHz，以10μm步長連續(xù)移動(dòng)100μm的測(cè)距標(biāo)準(zhǔn)偏差為86nm。

2010 年，ZebW.Barber［7］等提出主動(dòng)啁啾線性化方法對(duì)線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的激光器進(jìn)行線性化反饋補(bǔ)償，系統(tǒng)采用聲光調(diào)制器、數(shù)字相位探測(cè)器和伺服反饋系統(tǒng)將拍頻鎖定到一個(gè)固定頻率的標(biāo)準(zhǔn)源上，從而完成非線性校正，在調(diào)頻帶寬為幾THz情況下，調(diào)頻線性誤差小于1ppm。

2013年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院的Esther Bauman［8］等，搭建了一套FMCW激光絕對(duì)測(cè)距系統(tǒng)，利用光學(xué)頻率梳對(duì)可調(diào)諧激光器進(jìn)行校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)一個(gè)拉絲鋁目標(biāo)的絕對(duì)測(cè)距，測(cè)距范圍達(dá)到了1.9m，測(cè)量分辨率為130μm，測(cè)量精度達(dá)到了100nm。2014年，在FMCW激光絕對(duì)測(cè)距系統(tǒng)中加入快速轉(zhuǎn)向鏡實(shí)現(xiàn)了對(duì)物體表面的三維成像，測(cè)量范圍達(dá)到了10.5m，測(cè)量不確定度10μm［9］。

3.2 國內(nèi)技術(shù)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對(duì)連續(xù)激光調(diào)頻測(cè)距的起步較晚，近年來此方向也進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，但總體而言與國外仍有較大差距，且大多停留在實(shí)驗(yàn)階段，沒有商業(yè)化的產(chǎn)品出現(xiàn)。

2001年，電子科技大學(xué)陳祝明［10］等采用延遲-混頻法對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行自外差，對(duì)含有非線性的拍信號(hào)進(jìn)行解相位模糊，并利用數(shù)字正交鑒相方式得到差拍中頻相位，根據(jù)拍信號(hào)相位與瞬時(shí)拍頻成正比的關(guān)系，推導(dǎo)出掃頻非線性的表達(dá)式，設(shè)定非線性為0，反算校正的修正電壓，經(jīng)三次修正后，非線性由22.7%校正到0.09%。

2010年，南京電子技術(shù)研究所潘磊，劉光炎［11］通過分析FMCW激光雷達(dá)調(diào)頻非線性對(duì)拍信號(hào)的影響，采用去斜濾波器和剩余視頻相位消除技術(shù)先將參考路信號(hào)的非線性消除，然后對(duì)測(cè)量路的非線性進(jìn)行校正，將拍頻校正為恒頻率，從而完成非線性校正。

2012年，北京航空航天大學(xué)的宋凝芳［12］等通過校正1.55μm調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達(dá)的二次和三次調(diào)諧非線性系數(shù)，實(shí)現(xiàn)了30m范圍內(nèi)測(cè)距準(zhǔn)確度優(yōu)于10mm，測(cè)速精度優(yōu)于0.05mm/s。

2013年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的唐烽［13］分析了FMCW激光雷達(dá)測(cè)距模型以及雷達(dá)距離速度耦合與激光器調(diào)頻非線性等問題。非均勻時(shí)鐘采樣進(jìn)行調(diào)頻非線性校正，推導(dǎo)了拍頻信號(hào)相位信息不受調(diào)頻非線性影響的機(jī)理。建立了初步的誤差模型，進(jìn)行了仿真，得到了5ppm的測(cè)量精度，但未進(jìn)行實(shí)際的測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

2014年，天津大學(xué)的時(shí)光、張福民、曲興華［14］等分析了影響激光調(diào)頻連續(xù)波絕對(duì)距離測(cè)量分辨率的主要原因，采用長延遲校正路對(duì)測(cè)量路進(jìn)行等間隔采樣的方法來抑制調(diào)頻非線性帶來的影響。改進(jìn)的測(cè)距系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了10m的測(cè)量范圍，測(cè)距的分辨率達(dá)到了50μm。2016年，又提出基于硬件的等光頻間隔采樣消除調(diào)頻連續(xù)波激光測(cè)距系統(tǒng)調(diào)頻非線性的方法，改進(jìn)后的等光頻間隔采樣通過硬件數(shù)據(jù)采集即可一步實(shí)現(xiàn)，無需再進(jìn)行后續(xù)繁雜的軟件處理過程，極大地節(jié)省了內(nèi)存空間和數(shù)據(jù)處理時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于硬件的等光頻間隔采樣方法比基于軟件的等光頻間隔重采樣方法更簡(jiǎn)單并且具有更好的非線性消除效果，更高的測(cè)距分辨力和穩(wěn)定性［15］。

2016年，杭州電子科技大學(xué)時(shí)光、王文［16］等研究了提出了雙干涉光路調(diào)頻連續(xù)波激光測(cè)距方法，利用兩個(gè)干涉系統(tǒng)得到的干涉條紋數(shù)量的比值計(jì)算得到被測(cè)目標(biāo)的距離，消除了激光器光頻率調(diào)制非線性對(duì)測(cè)距精度的影響，實(shí)現(xiàn)了65μm的測(cè)量分辨率和15μm的重復(fù)測(cè)量精度。

2018年，北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所通過設(shè)計(jì)調(diào)頻激光測(cè)距非線性誤差校正支路，采用誤差循環(huán)迭代的方法對(duì)激光器頻率進(jìn)行非線性校正。當(dāng)多次誤差循環(huán)迭代次數(shù)大于10次，其拍頻信號(hào)的頻率誤差可保證在±25Hz范圍之內(nèi)。同時(shí)設(shè)計(jì)了補(bǔ)償通路，采用擴(kuò)頻相位誤差相關(guān)補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)線性調(diào)頻連續(xù)波回波信號(hào)的相位誤差進(jìn)行有效補(bǔ)償，從而提高了測(cè)距精度，實(shí)現(xiàn)了測(cè)距范圍大于50m，測(cè)量誤差小于50μm。

3.3 儀器設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

目前國際市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了高精度的激光雷達(dá)產(chǎn)品，國內(nèi)尚無成熟的商業(yè)化產(chǎn)品。日本Nikon公司推出的激光雷達(dá)MV型號(hào)的工業(yè)激光雷達(dá)，測(cè)量精度較高，在大尺寸物件以及復(fù)雜形貌物件的三維幾何現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)領(lǐng)域以及產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)、逆向工程和復(fù)雜曲面的高精度掃描領(lǐng)域應(yīng)用廣泛應(yīng)用。如大型飛機(jī)的裝配［17～18］，輪船螺旋槳葉片測(cè)量［19］，大型天線表面測(cè)量等。但核心技術(shù)均受到了嚴(yán)格的保密或國外專利保護(hù)，處于壟斷地位，售價(jià)高達(dá)400萬人民幣，后續(xù)維護(hù)價(jià)格也需要很大投入。

Nikon 公司推出了MV331和 MV351［20］兩款激光雷達(dá)如圖5所示，兩款測(cè)距范圍分別為30m和50m，其他各項(xiàng)參數(shù)相同，如表1所示。

北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所通過“國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)”項(xiàng)目“大尺寸非合作目標(biāo)三維形貌測(cè)量?jī)x開發(fā)與應(yīng)用”支持，研制了調(diào)頻式三維形貌測(cè)量?jī)x樣機(jī)，如圖6所示，各項(xiàng)參數(shù)如表2所示。該樣機(jī)可實(shí)現(xiàn)大尺寸非合作目標(biāo)的三維形貌測(cè)量，已成功應(yīng)用于大（重）型運(yùn)載火箭裝配現(xiàn)場(chǎng)，用于對(duì)運(yùn)載火箭零部件和總體裝配前后形貌變形量進(jìn)行比對(duì)測(cè)量。該樣機(jī)還可用于衛(wèi)星天線、飛行器氣動(dòng)外形、風(fēng)機(jī)葉片、高鐵樣機(jī)車頭等三維形貌測(cè)量問題，滿足航天、航空、船舶、高鐵、風(fēng)電、汽車等領(lǐng)域中超大尺寸表面三維形貌快速精密測(cè)量的需求。

圖5 Nikon公司激光雷達(dá)產(chǎn)品MV331/351

表1 MV331（351）各項(xiàng)參數(shù)

圖6 調(diào)頻式三維形貌測(cè)量?jī)x樣機(jī)

表2 調(diào)頻式三維形貌測(cè)量?jī)x各項(xiàng)參數(shù)

4 結(jié)語

從以上研究可以看出，調(diào)頻連續(xù)波測(cè)距非線性校正技術(shù)從直接提高激光器的調(diào)頻線性度向采用新技術(shù)對(duì)可調(diào)諧激光器進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒òl(fā)展，前者由于受到固體激光器跳模和反饋控制結(jié)構(gòu)本身精度的限制，很難達(dá)到更高的精度和分辨率，后者通過光頻梳或者重采樣技術(shù)對(duì)可調(diào)諧激光器調(diào)頻線性度進(jìn)行補(bǔ)償，已取得一些進(jìn)展。

目前，國外調(diào)頻連續(xù)波測(cè)距技術(shù)的研究由于起步較早，在非線性校正技術(shù)的研究已經(jīng)取得了豐碩的研究成果，實(shí)現(xiàn)了調(diào)頻連續(xù)波測(cè)距產(chǎn)品的商品化，在測(cè)量精度和測(cè)量分辨率方面均達(dá)到了較高水平。我國由于起步較晚，整體水平較國外還比較落后，很多技術(shù)方案還處于實(shí)驗(yàn)室階段，尚未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。在下一步的發(fā)展中，如果能解決好調(diào)頻連續(xù)波測(cè)距非線性問題，實(shí)現(xiàn)調(diào)頻連續(xù)波測(cè)距產(chǎn)品的國產(chǎn)化，將在航空航天、汽車和船舶制造業(yè)、工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。