CN101349757A - 有源协作式相位激光测距方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光测距技术领域，本发明在激光测距被测目标端设置了有源协作目标端装置，有源协作目标端装置将来自测量端的激光信号放大后沿测量方向照射回测量端，测量端接收来自有源协作目标端装置的光信号，实现有源协作目标端装置与测量端装置协同工作共同完成距离测量，变现有的单光束往返式测量模式为双光束单程协作测量模式，使得测量系统回光能量的衰减形式由现有方法的被测距离的四次方衰减函数变为二次方衰减函数，增大系统回光能量及信噪比，测程越远效果越显著，使得测量系统可以以很小的激光出射功率及光学接收口径实现远程高精度测量；该发明装置由测量端装置和与测量端装置光学及电路结构相同的有源协作端装置两部分组成。

Description

有源协作式相位激光测距方法与装置

技术领域

本发明属于激光测距技术领域，特别涉及一种有源协作式相位激光测距方法与装置。

背景技术

激光测距是集光学、激光、光电子及集成电子等多种技术为一体的综合性技术。半导体激光测距装置因其具有非接触、精度高、体积小、成本低、使用寿命长等优点被广泛应用于军事、航天、机器人视觉、工业自动生产线等领域。针对绝对距离测量，目前常用的激光测距方法有脉冲法和相位法。脉冲法测距具有测量范围广，适用于非合作目标等优点，但其测量精度低。采用脉冲型半导体激光器的测距装置测程可达几公里，精度一般为0.1～1m。相位法可以获得毫米甚至更高的测距精度，且配合合作目标测程可达几公里至几十公里，因此更多的应用于远程高精度测量。

相位法激光测距是通过测量经过强度正弦调制的发射激光束和经目标反射的返回激光束间的相位差来实现距离测量的，其实质是将激光在被测距离上的往返飞行时间转化成了两调制激光信号相位差。由于相位法激光测距采用连续激光束进行测量，激光输出功率通常很小，而在保证测量精度的前提下测程又在很大程度上受限于接收到回光信号的强度，为了提高测程，现有的相位法激光测距普遍采用了在被测目标端设置合作目标的反射式测量方案，由调制信号产生单元、激光强度调制单元、激光器、激光束整形镜组、后向反射镜、接收汇集透镜、光电探测器、光电转换电路、相差测量单元和距离计算单元等部分组成。调制信号产生单元产生的正弦调制信号作用到激光强度调制单元上，使得激光器的输出激光束的光强受到调制，该激光束经过激光束整形镜组后射向被测目标处，经被测目标处的后向反射镜反射后返回到测量端，反射光束经接收会聚透镜会聚至光电探测器的光敏面上，后经光电转换电路转化成电信号，该电信号与调制信号产生单元产生的调制信号同时进入相差测量单元后得到两信号的相位差，进而经距离计算单元转化为被测距离值。

采用上述测量方案的相位法激光测距的主要缺点是回光信号强度的衰减形式为被测距离的四次方衰减函数，随着被测距离的增大，回光信号衰减很快，导致信噪比下降，从而限制了测程的提高。通过增大激光器的输出功率和调制度虽然可以使得回光能量有所提高，但由于连续输出激光器的功率不能大幅提高，因此对增大测程效果并不明显；增大接收光学系统的口径和后向反射镜的反射面积也可以增大回光能量，但这样会导致仪器体积随着测程要求的增大而迅速增大。

发明内容

本发明的目的在于针对现有相位激光测距方法存在的上述缺点，提供一种有源协作式相位激光测距方法与装置，与现有相位激光测距不同的是本发明在激光测距被测目标端设置了有源协作目标端装置，有源协作目标端装置与测量端装置协同工作共同完成距离测量，从而实现以小的激光出射功率和光学口径完成远距离高精度测量的目的。

本发明的技术解决方案是：

一种有源协作式相位激光测距方法，其特征在于该方法采用了测量端和目标端的协同工作共同实现测距，其测量方式为双光束单程协作测量的测量模式，有源协作目标端装置将来自测量端装置的激光信号放大后沿测量方向照射回测量端装置；该方法包括以下步骤：

(1)在测量端，测量端装置调制信号产生单元产生的正弦调制信号作用到激光强度调制单元上对激光器输出激光束的光强进行调制，该激光束经过激光束准直整形镜组后再经过分光镜分成两束，一束射向被测目标处，另一束作为参考光经光电转化后作为测量端参考信号，记为E_Mr；

(2)在被测目标端，设置的有源协作目标端装置将来自测量端装置的光信号接收并转换成电信号，同时提取其中的调制信号，记为E_Tm，然后用提取到的调制信号调制激光器产生光强调制的激光信号，该激光束经过准直整形镜组后再经过分光镜分成两束，一束激光信号沿测量方向照射回测量端，另一束激光经光电转化后作为有源协作目标端内延迟测量参考信号，记为E_Tr，对信号E_Tm和E_Tr进行相差测量，得到相位差

此相位差为有源协作目标端的相位内延迟；

(3)测量端装置接收到来自有源协作目标端装置的激光信号，并将该信号转换成电信号，记为E_Mm，对信号E_Mm和E_Mr进行相差测量得到相位差

此相位差既包含有和被测距离相关的相位还包含有源协作目标端的内延迟，通过对相位差

和做差便可以得到与被测距离相关的相位差进而求得被测距离。

一种有源协作式相位激光测距装置，包括由调制信号产生单元A、测量端控制器、模拟开关A、激光强度调制单元A、激光器A、激光束整形镜组A、分光镜A、汇聚透镜A、雪崩光电探测器A、光电转换电路A、偏振分光镜A、1/4波片A、望远结构的发射接收公用镜头组A、窄带干涉滤光片A、汇聚透镜B、雪崩光电探测器B、光电转换电路B、相差测量单元A和距离计算及显示单元A组成的测量端装置，其特征在于该发明装置由测量端装置和有源协作端装置两部分组成，且将与测量端装置光学及电路结构相同的有源协作目标端装置配置在被测目标端处。

有源协作式相位激光测距装置中的光学结构采用了共轴结构，且光学结构采用了共轴光路中的激光发射和接收耦合与分离的1/4波片和偏振分光镜。

有源协作目标端装置采用了由分光镜B、汇聚透镜D、雪崩光电探测器D、光电转换电路D组成的内延迟实时测量补偿电路。

本发明具有以下特点及良好效果：

(1)本发明在激光测距被测目标端设置了有源协作目标端装置，有源协作目标端装置将来自测量端装置的激光信号放大后沿测量方向照射回测量端，测量端装置接收来自有源协作目标端装置的光信号实施测距，变现有的单光束往返式测量模式为双光束单程协作测量模式，使得测量系统回光能量的衰减形式由现有方法的被测距离的四次方衰减函数变为二次方衰减函数，因此可以在很大程度上增大系统回光能量及信噪比，测程越远效果越显著，进而使得测量系统可以以很小的激光出射功率及光学接收口径实现远程高精度测量。

(2)有源协作式相位激光测距方法的测量装置可使测量端装置和有源协作目标端装置采用相同的光学及电路结构，从而实现了互为测量端和有源协作目标端的测量模式，在不增加额外环节的情况下双端均可作为测量端实施距离测量。

(3)有源协作目标端装置内部设置了内光路及测量电路，从而实现了对有源协作目标端装置的内部延迟的实时获取和补偿，消除了温度漂移等因素引起有源协作目标端装置内部延迟变化而影响测距结果。

下面结合附图详细介绍本发明提出的有源协作式相位激光测距方法与装置。

附图说明

图1为现有技术的相位激光测距方法原理框图

图2为本发明的有源协作目标示意图

图3为本发明的有源协作式相位激光测距方法示意图

图4为本发明的有源协作式相位激光测距装置测量端示意图

图5为本发明的有源协作式相位激光测距装置有源协作目标端示意图

图中，1调制信号产生单元A、2激光强度调制单元A、3激光器A、4激光束整形镜组A、5后向反射镜、6汇聚透镜A、7雪崩光电探测器A、8光电转换电路A、9相差测量单元A、10距离计算及显示单元A、11分光镜A、12光电转换电路B、13雪崩光电探测器B、14汇聚透镜B、15直角棱镜A、16汇聚透镜C、17雪崩光电探测器C、18光电转换电路C、19直角棱镜B、20汇聚透镜D、21雪崩光电探测器D、22光电转换电路D、23相差测量单元B、24分光镜B、25激光束整形镜组B、26激光器B、27激光强度调制单元B、28测量端装置、29有源协作目标端装置、30内延迟实时补偿电路、31测量端控制器、32模拟开关A、33偏振分光镜A、341/4波片A、35凸透镜A、36孔径光阑A、37双胶合透镜A、38窄带干涉滤光片A、39望远结构的发射接收公用镜头组A、40模拟开关B、41有源协作目标端控制器、42偏振分光镜B、431/4波片B、44凸透镜B、45孔径光阑B、46双胶合透镜B、47窄带干涉滤光片B、48望远结构的发射接收公用镜头组B、49距离计算及显示单元B、50调制信号产生单元B

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

有源协作式相位激光测距方法：

图2给出了本发明所提出的有源协作目标示意图，有源协作目标端装置29的作用是对来自测量端装置28的激光信号进行有源放大并沿原路返回。其主要由汇聚透镜C16、雪崩光电探测器C17、光电转换电路C18、激光强度调制单元B27、激光器B26、激光束整形镜组B25构成。测量时，来自测量端的激光信号被接收汇聚透镜C16汇聚至雪崩光电探测器C17的光敏面上，经光电转换电路C18转后变为电信号，该电信号通过激光强度调制单元B27调制激光器B26的输出激光强度，被调制的激光束经过激光束整形镜组B25整形后沿测量方向照射回测量端。

图3给出了本发明所给出的有源协作式相位激光测距方法的示意图。整个测量系统由两大部分测量端装置28和有源协作目标端装置29组成，测量时，测量端装置28的调制信号产生单元A1根据测量要求产生一定频率的正弦调制信号，该调制信号作用到激光强度调制单元A2上对激光器A3的输出光强进行正弦调制。调制后的激光束经过激光束整形镜组A4后被分光镜A11分为两束，其中一束照射向被测目标，另一束经过直角棱镜A15及汇聚透镜B14后汇聚至雪崩光电探测器B13的光敏面上，经光电转换电路B12转换后变为电信号，作为测量端参考信号，记为E_Mr。有源协作目标端装置29的汇聚透镜C16将来自测量端的激光信号汇聚至雪崩光电探测器C17的光敏面上，经过光电转换电路C18转换为电信号，同时提取其中的调制信号，记该信号为E_Tm。提取出的调制信号E_Tm作用到激光强度调制单元B27上对激光器B26的输出激光束强度进行调制，被调制的输出激光束经过激光束整形镜组B25后再经过分光镜B24被分为两束，一束沿测量方向照射回测量端，另一束经过直角棱镜B19被汇聚透镜D20汇聚至雪崩光电探测器D21的光敏面上，作为目标内延迟测量参考信号，记为E_Tr。对信号E_Tm和E_Tr进行相差测量，得到相位差

此相位差为有源协作目标的相位内延迟。在测量端，接收汇集透镜6将来自有源协作目标端的激光信号汇聚至雪崩光电探测器A7的光敏面上，经过光电转换电路A8后转化为电信号，记为E_Mm，对信号E_Mm和E_Mr进行相差测量得到相位差

此相位差既包含有和被测距离相关的相位还包含有源协作目标的相位内延迟。通过对相位差

和

做差便可以得到与被测距离相关的相位差进而求得被测距离。

对于有源协作式相位激光测距系统采用测量端和目标端相同的参数来进行接收功率模型分析，设有源协作目标端激光器发出的光功率与测量端的相等，即P_t-mea＝P_t-tag＝P_t，光波调制度m_mea＝m_tag＝m，接收光学镜头口径d_r-mea＝d_r-tag＝d_r，则在有源协作目标端接收到的光功率可表示为：

$P_{r-\mathrm{tag}}=P_{t-\mathrm{mea}}\·m_{\mathrm{mea}}\·{\mathrm{\η}}_t\·e^{-\mathrm{\αD}}\·{\mathrm{\η}}_r\·\frac{\frac{1}{4}\mathrm{\π}{d}_r^2}{\frac{1}{4}\mathrm{\π}\·D^2\·{\mathrm{\θ}}_t^2}---\left(1\right)$

$=P_t\·m\·{\mathrm{\η}}_t\·{\mathrm{\η}}_r\·e^{-\mathrm{\αD}}\·\frac{d_r^2}{{\mathrm{\θ}}_t^2\·D^2}$

其中：η_t为发射系统的透过率，α为大气衰减因子，η_r为接收系统的透过率，A_r为接收透镜有效面积，θ_t为发射激光束的发散角。

则同理可得到测量端接收到的来自有源协作目标端的激光信号功率为

$P_{r-\mathrm{mea}}=P_t\·m\·{\mathrm{\η}}_t\·{\mathrm{\η}}_r\·e^{-\mathrm{\αD}}\·\frac{d_r^2}{{\mathrm{\θ}}_t^2\·D^2}---\left(2\right)$

从式(2)可以看出，采用ACT的系统在测量端接收到的光功率以作用距离的二次方衰减，还可得作用距离方程

$D_{\max }={\left(\frac{P_t\·m\·{\mathrm{\μ}}_t\·{\mathrm{\η}}_r\·e^{-\mathrm{\αD}}\·d_r}{{\mathrm{\θ}}_t^2\·P_{r\min }}\right)}^{\frac{1}{2}}---\left(3\right)$

其中，D_max为最大量程，P_rmin为满足系统测量精度时接收器需要接收到的最小接收信号功率。

由式(3)可知，对于设定的量程，激光器的发射功率与作用距离的关系为

$P_{t-\mathrm{mea}}=\frac{P_{r\min }\·D^2\·{\mathrm{\θ}}_t^2}{m\·{\mathrm{\η}}_t\·{\mathrm{\η}}_r\·e^{-\mathrm{\αD}}\·d_r^2}---\left(4\right)$

根据式(3)可以给出接收口径的表达式为

$d_r=\sqrt{\frac{P_{r\min }\·D^2{\mathrm{\θ}}_t^2}{P_{t-\mathrm{mea}}\·m\·{\mathrm{\η}}_t\·{\mathrm{\η}}_r}}---\left(5\right)$

上述分析表明，采用本发明的有源协作式相位激光测距方法可以使得测量系统回光能的衰减形式由现有方法的被测距离的四次方衰减函数变为二次方衰减函数，因此可以在很大程度上增大系统回光能量及信噪比，测程越远效果越显著，进而使得测量系统以很小的激光出射功率及光学接收口径实现远程高精度测量。

有源协作式相位激光测距装置：

图4和图5给出了本发明的有源协作式相位激光测距装置的实施例，在此实施例中，测量端装置28和有源协作目标端装置29采用相同的光学及电路结构，主要由调制信号产生单元A1、测量端控制器31、模拟开关A32、激光强度调制单元A2、激光器A3、激光束整形镜组A4、分光镜A11、汇聚透镜B14、雪崩光电探测器B13、光电转换电路B12、偏振分光镜A33、1/4波片A34、望远结构的发射接收公用镜头组A39、窄带干涉滤光片A38、汇聚透镜A6、雪崩光电探测器A7、光电转换电路A8、相差测量单元A9和距离计算及显示单元A10组成，其中望远结构的发射接收公用镜头组A39由凸透镜A35、孔径光阑A36和双胶合透镜A37组成。

调制信号产生单元A1和调制信号产生单元B50主要由微处理器(MSP430F149)控制直接数字合成芯片(AD9850)来实现，可以根据测距要求产生频率指定频率的正弦调制信号，信号频率范围可从1KHz～10MHz。测量端控制器31和有源协作目标端控制器41可根据实际测量时的需要控制模拟开关A32和模拟开关B40使得该单元实现测量端和有源协作目标端的切换。激光强度调制单元A2和激光强度调制单元B27采用电流驱动的调制模式通过调制流经的电流来调制其输出光功率的强度，调制频率范围可从1KHz～10MHz。激光器A3和激光器B26的输出功率为5mW、波长为650nm、偏振度大于100∶1。激光器A3和激光器B26的光束经过激光束整形镜组A4和激光束整形镜组B25整形后输出的激光束的发散角约为0.5mrad。分光镜A11和分光镜B24采用透过率T＝95％的普通宽带分光镜。雪崩光电探测器A7、雪崩光电探测器B13和雪崩光电探测器C17、雪崩光电探测器D21选用日本滨松公司的雪崩探测器S2382，波长范围400～1000nm，灵敏度为50V/W。1/4波片A34和1/4波片B43的快轴与半导体激光器输出光束的偏振方向成45°夹角。窄带干涉滤光片A38和窄带干涉滤光片B47中心波长为650nm、带宽为10nm、峰值透过率为65％。相差测量单元A9、相差测量单元B23和距离计算及显示单元A10、距离计算及显示单元B49主要由ALTERA公司的FPGA芯片EP1C3T144和TI公司的DSP芯片TMS320F2407构成，完成相位差的测量、测量端装置28与有源协作目标端装置29的测量数据无线同步。

系统工作时，在测量端，测量端控制器31控制模拟开关A32使得该单元工作于测量端模式。调制信号产生单元A1产生的正弦调制信号经过模拟开关A32后作用到激光强度调制单元A2，进而对激光器A3的激光器的强度实施调制，激光器A3输出强度调制的偏振激光束且偏振方向与偏振分光镜A33的分光面平行，此激光束经过激光束整形镜组A4后被分光镜A11分为两束，其中95％透射，5％反射后经过汇聚透镜B14照射到雪崩光电探测器B13的光敏面上，后经光电转换电路B12后转换为电信号，记为E_Mr。95％透射的透射光经过偏深分光镜A33后产生90°的反射，后经1/4波片A34变为圆偏振光，再经过望远结构的发射接收公用镜头组A39射向被测目标端。

在有源协作目标端，有源协作目标端控制器41控制模拟开关B40使得该单元工作于有源协作目标端模式。来自测量端的圆偏振激光信号经过望远结构的发射接收公用镜头组B48后，再经过1/4波片B43变为线偏振光，该线偏振光经过偏振分光镜B42后透射至干涉滤光片B47，经汇聚透镜C16后照射至雪崩光电探测器C17的光敏面上，后经光电转换电路C18后转换为电信号，并提取其中的调制信号成分，记为E_Tm。该信号经过模拟开关B40后作用到激光强度调制单元B27，进而对激光器B26的激光器那强度实施调制，激光器B26输出强度调制的偏振激光束且偏振方向与偏振分光镜B42的分光面平行，此激光束经过激光束整形镜组B25后被分光镜B24分为两束，其中95％透射，5％反射后经过汇聚透镜D20照射到雪崩光电探测器D21的光敏面上，后经光电转换电路D22后转换为电信号，记为E_Tr。95％透射的透射光经过偏深分光镜B42后产生90°的反射，后经1/4波片B43变为圆偏振光，再经过望远结构的发射接收公用镜头组B48沿测量方向射回测量端。同时相差测量单元B23对信号E_Tm和E_Tr进行相差测量，得到的相位差记为

为有源协作目标的相位内延迟。

从有源协作目标端照射回测量端的圆偏振激光信号，经过望远结构的发射接收公用镜头组A39后，再经过1/4波片A34变为线偏振光，该线偏振光经过偏振分光镜A33后透射至窄带干涉滤光片A38，经汇聚透镜A6后照射至雪崩光电探测器A7的光敏面上，后经光电转换电路A8后转换为电信号，并提取其中的调制信号成分，记为E_Mm。同时相差测量单元A9对信号E_Mr和E_Mm进行相差测量，得到的相位差记为

测量过程中距离计算及显示单元A10和距离计算及显示单元B49处于无线同步测量状态，采用相同的测量时钟工作，并进行数据交互无线传输，由测量端完成和

的差运算及距离计算，最终的到测距结果。

Claims (5)

1、一种有源协作式相位激光测距方法，其特征在于该方法采用了测量端和目标端的协同工作共同实现测距，其测量方式为双光束单程协作测量的测量模式，有源协作目标端装置将来自测量端装置的激光信号放大后沿测量方向照射回测量端装置；该方法包括以下步骤：

(1)在测量端，测量端装置调制信号产生单元产生的正弦调制信号作用到激光强度调制单元上对激光器输出激光束的光强进行调制，该激光束经过激光束准直整形镜组后再经过分光镜分成两束，一束射向被测目标处，另一束作为参考光经光电转化后作为测量端参考信号，记为E_Mr；

(2)在被测目标端，设置的有源协作目标端装置将来自测量端装置的光信号接收并转换成电信号，同时提取其中的调制信号，记为E_Tm，然后用提取到的调制信号调制激光器产生光强调制的激光信号，该激光束经过准直整形镜组后再经过分光镜分成两束，一束激光信号沿测量方向照射回测量端，另一束激光经光电转化后作为有源协作目标端内延迟测量参考信号，记为E_Tr，对信号E_Tm和E_Tr进行相差测量，得到相位差

，此相位差为有源协作目标端的相位内延迟；

(3)测量端装置接收到来自有源协作目标端装置的激光信号，并将该信号转换成电信号，记为E_Mm，对信号E_Mm和E_Mr进行相差测量得到相位差，此相位差既包含有和被测距离相关的相位还包含有源协作目标端的内延迟，通过对相位差

和

做差便可以得到与被测距离相关的相位差

，进而求得被测距离。

2、一种有源协作式相位激光测距装置，包括由调制信号产生单元A、测量端控制器、模拟开关A、激光强度调制单元A、激光器A、激光束整形镜组A、分光镜A、汇聚透镜A、雪崩光电探测器A、光电转换电路A、偏振分光镜A、1/4波片A、望远结构的发射接收公用镜头组A、窄带干涉滤光片A、汇聚透镜B、雪崩光电探测器B、光电转换电路B、相差测量单元A和距离计算及显示单元A组成的测量端装置，其特征在于该发明装置由测量端装置和有源协作端装置两部分组成，且将与测量端装置光学及电路结构相同的有源协作目标端装置配置在被测目标端处。

3、根据权利要求2所述的有源协作式相位激光测距装置，其特征在于所述的光学结构采用了共轴结构。

4、根据权利要求2或3所述的有源协作式相位激光测距装置，其特征在于所述的光学结构采用了共轴光路中的激光发射和接收耦合与分离的1/4波片和偏振分光镜。

5、根据权利要求2所述的有源协作式相位激光测距装置，其特征在于有源协作目标端装置采用了由分光镜B、汇聚透镜D、雪崩光电探测器D、光电转换电路D组成的内延迟实时测量补偿电路。

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