激光调频测距技术简介

调频干涉测量法以半导体激光器作为光源，按调制性质的不同分为注入电流调制半导体激光器和外腔调制半导体激光器。

注入电流调制半导体激光器利用半导体激光器注入电流与输出频率的线性关系，通过调制注入的电流来实现对激光输出频率的调制，主要包括三角波调频和锯齿波调频。

半导体激光调频技术的原理是基于光传播时间的测量，即

式中，τ 为光的传播时间间隔；nair为空气折射率；2L 为干涉仪的几何程差；c 为真空中的光速。设法精确地测出传播时间τ 即可求出L，且不存在多值问题。

调频激光干涉仪是以输出激光频率随时间呈线性变化的激光器作为光源，以迈克尔逊干涉光路作为测量光路，测量光束和参考光束之间的相对延时为τ，两束光在探测器处重叠，测量光束和参考光束会产生一个光拍，这个光拍的频率随着τ 的增大而增大，通过光拍频的测量实现τ 的测量。

以三角波调频为例，其测量原理及测量系统基本结构分别如图3.30和图3.31所示。在调制三角波的上升范围内，输出激光的频率可以表示为

图3.30　三角波调频干涉测量原理

图3.31　三角波调频干涉测量系统基本结构示意图

式中，ωc 为调频激光器中心频率；2αad为激光频率的调制系数；ωm 为调制三角波信号的频率。调制光波的相位为

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式中，φ0 为初始相位。

在迈克尔逊干涉光路中的参考和测量臂光可分别表示为

合成波的光强为

通过式（3.54）可知，通过测量光与参考光的拍频频率ωb=2αadτ 即可求出光在测量臂和参考臂之间的飞行时间差。半导体激光器调频信号与光电探测器探测拍频信号如图3.32所示。

图3.32　半导体激光线性调频示意图

由式（3.50）和式（3.54）可得

式中，Δω 为半导体激光器调制期间的调制频率范围。因此由式（3.55）进一步分析可知，距离不确定度ΔL 与频率测量不确定度Δωb之间的关系为

当频率的测量不确定度Δωb 固定时，αad越大则距离测量的不确定度ΔL 就越小，因此提高测距灵敏度的途径是提高半导体激光器频率调制速率αad，在选择半导体激光器时，这是一项非常重要的参数，在保证线性度的前提下，应该越大越好。

在线性调频干涉测量中，拍频信号频率ωb 的测量方式主要有两种，一种是条纹计数法，另一种是计算其在干涉信号频谱中的位置。前者只适用于普通的双光束干涉仪，不能用于存在多个干涉信号叠加的多光束干涉系统，而后者的精度受到谱峰展宽的限制。