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专利名称：基于电流调制光反馈激光器的高灵敏回波探测法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210682121.3

专利申请（专利权）人：太原理工大学
权利人地址：山西省太原市迎泽西大街79号

专利发明（设计）人：王安帮,栗修竹,赵彤,王云才,许俊伟

专利摘要：本发明公开了一种基于电流调制光反馈激光器的高灵敏回波探测法，涉及光学测距领域。该探测法在如下结构中实现：包括激光器和目标位置，激光器距离目标位置的距离为所测定的距离L，具体步骤如下：将频率为f0的正弦调制信号加载到激光器上，检测在此频率下激光器收到目标位置反馈光之后输出光信号的振幅信息，将正弦调制信号的频率增加Δf重复测试，直至增加频率至fm，测得f0~fm范围内激光器的频率响应特性曲线；测得的曲线呈现周期的波动，该波动周期的频率为1/τ，因此响应频率1/τ的倒数乘以激光在介质中的传播速度即为激光到目标位置的往返距离，往返距离除以2即为激光器距目标的距离L。本发明结构简单，而且大大提高了探测的灵敏度范围。

主权利要求：
1.一种基于电流调制光反馈激光器的高灵敏回波探测法，其特征在于：在如下结构中实现：包括激光器（1）和目标位置（2），所述激光器（1）距离目标位置（2）的距离为所测定的距离L，所述探测法的具体步骤如下：将频率为f0的正弦调制信号加载到激光器（1）电流上，检测在此频率下激光器（1）收到目标位置反馈光之后输出光信号的振幅信息，将正弦调制信号的频率增加Δf重复测试，直至增加频率至fm，测得f0~fm范围内激光器的频率响应特性曲线；测得的曲线呈现周期的波动，由于在频率响应曲线中，该周期波动峰值间的间隔为1/τ，单位为Hz，使用逆傅里叶变换计算提取出该周期信息，τ为激光从激光器到目标位置的往返时间，因此响应频率1/τ的倒数乘以激光在介质中的传播速度vg即为激光到目标位置的往返距离，往返距离除以2即为激光器（1）距目标的距离L，f0与fm满足如下条件：fm?f0≥20GHz或者
以及
计算距离L所采用公式如下：
。
2.根据权利要求1所述的一种基于电流调制光反馈激光器的高灵敏回波探测法，其特征在于：所述高灵敏回波探测法对反馈光的灵敏度至少为?80dB。
3.根据权利要求1所述的一种基于电流调制光反馈激光器的高灵敏回波探测法，其特征在于：所述激光器（1）为半导体激光器。
4.根据权利要求1所述的一种基于电流调制光反馈激光器的高灵敏回波探测法，其特征在于：所述正弦调制信号由信号源发出。 说明书 : 基于电流调制光反馈激光器的高灵敏回波探测法技术领域[0001] 本发明涉及光学测距领域，具体为一种基于电流调制光反馈激光器的高灵敏回波探测法。背景技术[0002] 激光测距由于其体积小、精度高、速度快、操作简易、抗干扰等优势被广泛应用于各种测量领域。随着各领域需求的不断增加，对探测能力的要求也不断提升，其中很重要的一点就是需要更灵敏的接收并检测出携带故障或目标信息的激光回波。[0003] 目前激光测距方法有很多，其中最典型的就是脉冲飞行时间法，通过向待测目标发射脉冲光并检测回波信号来获取待测长度的信息。因为需要直接检测脉冲回波信号，此方法的灵敏度受限于光电探测器的探测灵敏度。单光子计数器可以解决灵敏度这一问题，但是由于其死区时间长、成本较高，难以普及使用【J.LightwaveTechnol.2010,28,952.】。[0004] 相干探测法也是一种最常见的光学测距方法，使用波长线性变化的窄线宽激光器，由探测信号和参考信号的频率差或者相位差形成的拍频信号结合调频速率获取距离信th息【200911 InternationalConferenceonTransparentOpticalNetworks,PontaDelgada,Portugal,28June?2July2009】。该方法测量的光电流与光功率的平方根成正比，故可比传统直接探测的方法实现更灵敏的探测。此方法借助激光的高相干性，因此所使用的激光器的相干长度限制了探测长度。[0005] 另外，目前激光测距方法中对探测回波的探测主要分为探测器探测和激光器自身探测两种方法，其中探测器的性能会限制探测方法对探测回波的接收，因此，目前开始转向使用激光器自身探测回波的方法。目前主要有自相关时延特征法和自混合干涉法。[0006] 自相关时延特征法借助回波造成的光反。辜す馄鞑煦缂す，同时使用混沌激光特有的时延特征分析出反馈位置。但该方法的前提是必须使激光器产生混沌激光，而混沌激光产生所需的反馈光强一般在?45dB以上，因此灵敏度受到一定限制【J.LightwaveTechnol.1986,4,1655】。[0007] 自混合干涉方法在绝对距离测量领域也是借助激光器中心频率的变化在激光器内与回波产生拍频并测量，与相干法类似，实现了高分辨率、高灵敏度的测量，但激光器的相干长度限制了该方法仅可以实现短距离的目标探测，无法探测超过相干长度的目标位置【Appl.Opt.1998,37,6684】。[0008] 此外，相关法探测技术【J.LightwaveTechnol.1989,7,24】借助复杂信号进行相关运算得出的尖锐峰的特点，解决了脉冲法中空间分辨率与动态范围的冲突问题，但是此方法也是使用探测器直接探测回波信号，同样也受到探测器的制约。[0009] 在光通信研究初期，研究者发现反馈光会使激光器的调制特性曲线发生畸变，并分析得出在?60dB的反馈强度下调制特性曲线的畸变为1dB，不会影响光通信的调制解调【Electron.Lett.1989,25,1369.】；但并未对该畸变现象在其他的领域拓展应用。当光反馈半导体激光器的调制响应曲线上存在周期调制的畸变时，该调制曲线中周期信号对应的频率间隔与激光传输到反馈位置再返回的时间的倒数相等。借助此特点，本申请可以研究出一种新型的光学测距方法。发明内容[0010] 本发明为了解决现有的光学测距中，存在激光器的相干长度限制了探测距离以及混沌时延测距受限于反馈强度等问题，提供了一种基于电流调制光反馈激光器的高灵敏回波探测法。[0011] 本发明是通过如下技术方案来实现的：一种基于电流调制光反馈激光器的高灵敏回波探测法，在如下结构中实现：包括激光器和目标位置，所述激光器距离目标位置的距离为所测定的距离L，所述探测法的具体步骤如下：[0012] 将频率为f0的正弦调制信号加载到激光器电流上，检测在此频率下激光器收到目标位置反馈光之后输出光信号的振幅信息，将正弦调制信号的频率增加Δf重复测试，直至增加频率至fm，测得f0~fm范围内激光器的频率响应特性曲线；测得的曲线呈现周期的波动，由于在频率响应曲线中，该周期波动峰值间的间隔为1/τ，单位为Hz，使用逆傅里叶变换计算即可快速提取出该周期信息，τ为激光从激光器到目标位置的往返时间，因此响应频率1/τ的倒数乘以激光在介质中的传播速度vg即为激光到目标位置的往返距离，往返距离除以2即为激光器距目标的距离L，f0与fm满足如下条件：[0013] fm?f0≥20GHz或者[0014] 以及[0015] 计算距离L所采用公式如下：[0016][0017] 。[0018] 本发明所提出的一种基于电流调制光反馈激光器的高灵敏回波探测法，是利用故障或待测目标产生的反射作为回波，返回至激光器，同时对激光器实施外部微波扫频调制，激光器输出的频率响应曲线在反射回波的作用下会出现周期振荡的特征，再通过该周期振荡与反馈位置的关系即可实现故障或目标位置的探测。本发明中的方法使用激光器接收反射回波，因此避免对探测器灵敏度的依赖，?60dB的反馈强度下调制曲线上的波动仍有1dB，通过一定的周期信号提取方法可以实现更灵敏的回波响应，且分辨率远超脉冲飞行时间法。[0019] 与现有技术相比本发明具有以下有益效果：现有的故障定位技术或距离测定，在远距离故障检测中均有所局限：脉冲时间飞行法和互相关法都需直接检测故障处的回波，需要较高灵敏度的光电探测器；相干法借助相干探测优势可提升灵敏度，但由于相干长度的限制，探测距离受限；自相关提取混沌时延特征法改变了回波探测方式，摆脱了探测器灵敏度的制约，但因激光器产生混沌激光要求外部反馈强度不能低于?45dB，因此该方法也有所局限。而本发明所提供的一种基于电流调制光反馈激光器的高灵敏回波探测法，相较于之前测距方法灵敏度受限的问题，本方法所提供的装置，利用激光器接收回波后测得的频率响应曲线实现远距离探测，探测距离不受激光相干长度限制，根据激光器对于外部光反馈的响应灵敏度，本方法的灵敏度可达?80dB，（本发明所采用的灵敏度是回波功率与输出功率的比值，单位为dB），结构简单，器件易得，大大提高了探测的灵敏度范围，在远距离高分辨故障检测中实用性极强。附图说明[0020] 图1为本发明进行回波探测时的结构布置示意图。[0021] 图2为本发明回波探测时的响应曲线图（左）和结果图（右）。[0022] 图中标记如下：1?激光器，2?目标位置。具体实施方式[0023] 以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。[0024] 一种基于电流调制光反馈激光器的高灵敏回波探测法，在如图1的结构中实现：包括激光器1和目标位置2，所述激光器1为半导体激光器；所述激光器1距离目标位置2的距离为所测定的距离L，所述正弦调制信号由信号源发出。所述探测法具体如下：[0025] 将频率为f0的正弦调制信号加载到激光器1电流上，检测在此频率下激光器1收到目标位置反馈光之后输出光信号的振幅信息，将正弦调制信号的频率增加Δf重复测试，直至增加频率至fm，测得f0~fm范围内激光器的频率响应特性曲线；测得的曲线呈现周期的波动，由于在频率响应曲线中，该周期波动峰值间的间隔为1/τ，单位为Hz，使用逆傅里叶变换计算即可快速提取出该周期信息，τ为激光从激光器到目标位置的往返时间，因此响应频率1/τ的倒数乘以激光在介质中的传播速度vg即为激光到目标位置的往返距离，往返距离除以2即为激光器1距目标的距离L，f0与fm满足如下条件：[0026] fm?f0≥20GHz或者[0027] 以及[0028] 计算距离L所采用公式如下：[0029][0030] 。[0031] 采用上述方法对图1中的距离进行探测，当将频率为f0的正弦调制信号加载到激光器1上时，如图2左侧图所示为频率为f0的响应曲线，当将正弦调制信号的频率增加Δf重复测试，直至增加频率至fm时，图2的右侧图为波动周期响应曲线，采用上述两个公式来计算距离L，所得结果即为激光器1距离目标位置2的距离。[0032] 本实施例中的基于电流调制光反馈激光器的高灵敏回波探测法对反馈光的灵敏度至少?80dB。[0033] 本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。

专利地区：山西

专利申请日期：2022-06-16

专利公开日期：2024-11-29

专利公告号：CN115032643B