CN103344962B - 一种基于光路差分的激光脉冲测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光测距领域，特别是涉及一种基于光路差分的激光测距方法，包括处理电路模块，激光光源，准直扩束镜，分光镜，光电探测器，聚光镜，第一粗微动平台，第一APD，第一接收透镜，半反半透镜，减法器，第一粗微动平台控制器，第二接收透镜，第二粗微动平台，第二APD，第二粗微动平台控制器。本发明的一种基于光路差分的激光脉冲测距方法，采用双APD探测器对回波接收，同时利用减法器得到差分回波信号，有效地消除了背景噪声对测距的影响，使系统可以在中远距离均能进行有效测量。

Description

一种基于光路差分的激光脉冲测距方法

技术领域

本发明属于激光测距领域，特别是涉及一种基于光路差分的激光测距方法。 

背景技术

激光脉冲测距是利用激光器对目标发射一窄脉冲，测量激光脉冲在目标与传感器之间的飞行时间（TOF:time of flight），进而计算二者之间的距离。由于基于TOF测量方式具有测量距离远，精度高，结构简单，性能稳定等特点，被广泛用于坦克、飞机、舰艇和火炮等对目标的测距，以及地形测量，战场测量，云层、飞机、导弹以及人造卫星高度的测量等。目前，激光测距对于中远距离目标通常是采用单个高灵敏度的光电接收器（例如：雪崩光电二极管（APD）），结合回波峰值探测机制获取飞行时间。这种方法虽然结构简单，但是由于受噪声与回波展宽的影响，使得峰值时刻无法准确提取，尤其是在长距离测量中，微弱的回波信号很容易淹没在噪声之中，因此信噪比降低，从而影响了测距精度。 

发明内容

本发明的目的是为了解决因信噪比降低而影响了测距精度的问题，提供一种基于光路差分的激光脉冲测距方法。 

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。 

本发明的一种基于光路差分的激光脉冲测距方法，包括处理电路模块，激光光源，准直扩束镜，分光镜，光电探测器，聚光镜，第一粗微动平台，第一APD，第一接收透镜，半反半透镜，减法器，第一粗微动平台控制器，第二接收透镜，第二粗微动平台，第二APD，第二粗微动平台控制器； 

其中，聚光镜与分光镜的间距记为l₀，l₁为分光镜与半反半透镜之间的距离，分光镜与第一接收透镜、第二接收透镜的间距记为l₂，l₃，为实现光路差分，满足如下关系：l₁+l₂=l₀-d，l₁+l₃=l₀+d，其中，d为差分距离，下述系统工作原理。 

连接关系： 

激光光源受处理电路模块驱动发出一束脉冲激光，经过准直扩束镜、分光 镜分为两条光路，一部分光（小部分）经聚光镜聚焦在光电探测器用于产生开始信号给处理电路模块；另一部分（大部分）用于探测目标，从目标的反射或散射光经分光镜、半反半透镜分为两条光路，一路光经第一接收透镜汇聚至第一APD上，光信号转换为电信号P_r1(t)送至减法器的“+”端；另一路光经第二接收透镜汇聚至第二APD上，光信号转换为电信号P_r2(t)送至减法器的“-”端，两部分光路参数相同，第一接收透镜与第一APD构成一路接收单元，第二接收透镜与第二APD构成另一路接收单元。经过减法器后，形成差分信号P_r1(t)-P_r2(t)，送入处理电路模块中，处理电路模块根据优化原则向第一粗微动平台控制器、第二粗微动平台控制器同时发出控制信号，控制相应的第一粗微动平台，第二粗微动平台移动，从而改变差分距离d，当差分回波曲线过零点处的斜率最大时，停止移动，记录此时的过零点时刻，从而记录零点时刻，完成距离测量。 

粗微动平台分别由精密伺服电机与压电陶瓷制动器（PZT）组成，精密伺服电机用于粗动控制，PZT用于微动控制。 

含有背景噪声的回波信号将在减法器的作用下相互抵消，从而避免了背景噪声对系统精度影响。 

所述优化原则是以回波信号在零点处的斜率最大为准则。 

所述处理电路模块根据优化原则向粗微动平台控制器发出控制信号，控制相应的粗微动平台移动，具体步骤如下： 

（1）减法器输出的差分回波信号送入处理电路模块中，测得回波脉宽τ_r； 

（2）基于d=cτ_r计算出此时应调整的差分距离d； 

（3）对于范围较大的差分距离移动（大于mm量级），优先选用粗动控制方式，控制第一粗微动平台、控制第二粗微动平台使其快速移动到指定的差分距离d值附近；对于移动距离范围小的情况可以直接采用微动控制； 

（4）停止粗动调整，微动控制开始运行，当零点处的斜率最大时，记录此时零点位置对应的时刻； 

有益效果： 

（1）本发明的一种基于光路差分的激光脉冲测距方法，将峰值探测转换为零点探测，而且差分回波存在绝对过零点，更加有利于精度提高与硬件实施； 

（2）本发明的一种基于光路差分的激光脉冲测距方法，采用双APD探测 器对回波接收，同时利用减法器得到差分回波信号，有效地消除了背景噪声对测距的影响，使系统可以在中远距离均能进行有效测量； 

（3）本发明的一种基于光路差分的激光脉冲测距方法，采用粗微动相结合移动平台，其控制信号由处理电路模块提供，能够根据目标的距离以及特性自动调节差分距离，使得整个测距系统始终保持在最佳工作状态。 

附图说明

图1；系统结构图 

图2；平面目标模型 

图3；目标回波曲线 

图4；不同差分距离的回波曲线 

1-处理电路模块，2-激光光源，3-准直扩束镜，4-分光镜，5-光电探测器，6-聚光镜，7-目标，8-第一粗微动平台，9-第一APD，10-第一接收透镜，11-半反半透镜，12-减法器，13-第一粗微动平台控制器，14-第二接收透镜，15-第二粗微动平台，16-第二APD，17-第二粗微动平台控制器，18-发射/接收系统，19-目标平面，20-第二APD的回波曲线，21-传统方式的回波曲线，22-峰值点，23-第一APD的回波曲线，24-零点，25-差分回波曲线，26-d为1/3×cτ_r的回波曲线，27-d为1/2×cτ_r的回波曲线，28-d为cτ_r的回波曲线，29-d为2×cτ_r的回波曲线，30-d为3×cτ_r的回波曲线。 

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。 

实施例1 

一种基于光路差分的激光脉冲测距方法，结构如图1所示，包括处理电路模块1，激光光源2，准直扩束镜3，分光镜4，光电探测器5，聚光镜6，第一粗微动平台8，第一APD9，第一接收透镜10，半反半透镜11，减法器12，第一粗微动平台控制器13，第二接收透镜14，第二粗微动平台15，第二APD16，第二粗微动平台控制器17； 

其中，聚光镜6与分光镜4的间距记为l₀，l₁为分光镜4与半反半透镜11之间的距离，分光镜4与第一接收透镜10、第二接收透镜14的间距记为l₂，l₃， 为实现光路差分，满足如下关系：l₁+l₂=l₀-d，l₁+l₃=l₀+d，其中，d为差分距离，下述系统工作原理。 

连接关系： 

图1中的虚线为电信号，实现为光波信号，激光光源2受处理电路模块1驱动发出一束脉冲激光，经过准直扩束镜3、分光镜4分为两条光路，一部分光（小部分）经聚光镜6聚焦在光电探测器5用于产生开始信号给处理电路模块1；另一部分（大部分）用于探测目标7，从目标7的反射或散射光经分光镜4、半反半透镜11分为两条光路，一路光经第一接收透镜10汇聚至第一APD9上，光信号转换为电信号P_r1(t)送至减法器12的“+”端；另一路光经第二接收透镜14汇聚至第二APD16上，光信号转换为电信号P_r2(t)送至减法器12的“-”端，两部分光路参数相同，第一接收透镜10与第一APD9构成一路接收单元，第二接收透镜14与第二APD16构成另一路接收单元。经过减法器12后，形成差分信号P_r1(t)-P_r2(t)，送入处理电路模块1中，处理电路模块1根据优化原则向第一粗微动平台控制器13、第二粗微动平台控制器17同时发出控制信号，控制相应的第一粗微动平台8，第二粗微动平台15移动，从而改变l₂、l₃，改变量即为差分距离d，需要说明，l₂、l₃相对于半反半透镜11的改变量正好相反，例如：l₂减小了d，则l₂增加了d，反之亦然。当差分回波曲线25过零点24处的斜率最大时，停止移动，记录此时的过零点时刻，从而记录零点时刻，完成距离测量。 

所述优化原则是以回波信号在零点处的斜率最大为准则 

其中，粗微动平台分别由精密伺服电机与压电陶瓷制动器（PZT）组成，精密伺服电机用于粗动的控制，PZT用于微动控制。含有背景噪声的回波信号将在减法器中作用下相互抵消，从而避免了背景噪声对系统精度影响。 

基于上述的工作原理以并结合图1、图2，对系统进一步阐述： 

经过发射光学系统后的激光脉冲是一个时空分布函数，且光强分布服从高斯分布，第一APD9与第二APD16得到回波功率可以看作激光脉冲与目标、介质相互作用的过程，用公式(1)表示： 

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{r1}\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\ρ}}_r{T}_a^2{T}_o{E}_t}{\sqrt{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\τ}}_r}\·\exp [-\frac{1}{{2\mathrm{\τ}}_r^2}{(t-\frac{2R-d}{c})}^2]+P_B\\ P_{r2}\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\ρ}}_r{T}_a^2{T}_o{E}_t}{\sqrt{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\τ}}_r}\·\exp [-\frac{1}{{2\mathrm{\τ}}_r^2}{(t-\frac{2R+d}{c})}^2]+P_B\\ {\mathrm{\τ}}_r^2={\mathrm{\τ}}^2+\frac{{\tan }^2\left(\mathrm{\θ}\right)w^2\left(z\right)}{c^2}\\ w\left(z\right)=w_0[1+{\left(\frac{\mathrm{\λz}}{{\mathrm{\πw}}_0^2}\right)}^2]\\ P_B={\mathrm{\ρ}}_r{h}_{\mathrm{sun}}{T}_o{A}_r\sin {(\mathrm{\α}/2)}^2\mathrm{\Δ\λ}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，E_t为脉冲能量，P_r1(t)为第一APD9探测器接收回波功率，P_r2(t)为第二APD16探测器接收回波功率，T_a-单程大气通过率，T_o-光学系统效率，ρ_r-目标反射率，τ-发射脉冲宽度，τ_r-回波脉冲宽度，d-差分距离，R-目标距系统的距离，w₀-束腰半径，w(z)-光束传播距离z处的光束半径（z=R），λ-光束波长，θ-目标与光轴垂直方向的夹角，P_B-噪声功率，h_sun-背景光辐射强度，α-视场角，△λ-接收系统的光谱范围。 

第一APD9与第二APD16的回波信号P_r1(t)与P_r2(t)分别送入减法器12的“+”端与“-”端，相减后的差分信号表达式为： 

$P_{\mathrm{rd}}\left(t\right)=P_{r1}\left(t\right)-P_{r2}\left(t\right)$

$=\frac{{\mathrm{\ρ}}_r{T}_a^2{T}_o{E}_t}{\sqrt{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\τ}}_r}\·\left\{\exp \right[-\frac{1}{{2\mathrm{\τ}}_r^2}{(t-\frac{2R-d}{c})}^2]-\exp [-\frac{1}{{2\mathrm{\τ}}_r^2}{(t-\frac{2R+d}{c})}^2\left]\right\}---\left(2\right)$

式(2)说明了基于光路差分的系统能够有效的消除背景噪声影响，基于式(2)对1km处的平面目标进行仿真，目标的倾斜角度θ=10°，模型如图2所示，发射、接收模块25位于坐标系原点，目标平面26的倾角为10°，与发射、接收模块25相距为R=1km，条件如下：目标反射率ρ_r=0.5，大气透过率T_a=0.81（能见度10km），光学效率T_o=0.8，发射脉冲宽度τ=2ps，光束波长λ=905nm，仿真结果如图3所示，曲线21为传统方式的回波曲线，22与19是第一APD9、第二APD16单独响应的回波曲线，曲线24为经过减法器12处理后的差分回波曲线。传统测距方式是探测曲线20上的峰值21时刻与起始时刻时间间隔，由于受到噪声与脉宽展宽的影响，峰值21时刻较难准确探测，而且靠近峰值的斜 率很小，使得峰值附近的灵敏度较低。本发明提出的光路差分系统则是记录零点23与起始时刻的间隔，将峰值21时刻探测转换为零点时刻23的探测，由于差分回波存在绝对零点，因此较容易判别，并且从图中易看出，差分曲线在零点处仍有一定斜率，保留了较高的灵敏度，更有利于提高测距精度。 

根据式(2)，当P_rd(t)=0时，即在零点位置时，可以求得 

${(t-\frac{2R-d}{c})}^2={(t-\frac{2R+d}{c})}^2\⇒t=\frac{2R}{c}---\left(3\right)$

由式(3)证明了差分回波的零点时刻与单探测器的峰值时刻相同。 

基于式(2)对1km处的平面目标进行不同差分d距离的回波仿真，目标的倾斜角度θ=10°，如图2所示，采用不同的差分距离得到的回波如图4所示，19～23分别是d=1/3×cτ_r，1/2×cτ_r，cτ_r，2×cτ_r，3×cτ_r的回波曲线，从曲线中发现随着差分距离d的增大，零点处的斜率存在最优值，下文对差分距离的优化进一步说明： 

为了能最有效的提取零点时刻，优化的标准是以回波信号在零点处的斜率最大为准则。基于差分光路的回波在峰值时刻的斜率k_d可以通过对式(2)求导获得。 

$\left\{\begin{array}{c}{k}_d=\frac{{\mathrm{dP}}_{\mathrm{rd}}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{\&rho;}}_r{T}_a^2{T}_o{E}_t}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&tau;}}_r}\left\{\begin{array}{c}[-(t-\frac{2R-d}{c})/{\mathrm{\&tau;}}_r^2]\exp \left(u_1\right)+\\ [(t-\frac{2R+d}{c})/{\mathrm{\&tau;}}_r^2]\exp \left(u_2\right)\end{array}\right\}\\ u_1=-\frac{1}{2{\mathrm{\&tau;}}_r^2}{(t-\frac{2R-d}{c})}^2\\ u_2=-\frac{1}{{2\mathrm{\&tau;}}_r^2}{(t-\frac{2R+d}{c})}^2\\ 0<d<c\&CenterDot;{\mathrm{\&tau;}}_r\sqrt{8\log \left(2\right)}\end{array}\right.---\left(4\right)$

进一步求取k_d在零点时刻（t=2R/c）对应的导数，如下式 

$k_d{|}_{t=2R/c}=-\frac{2d}{{\mathrm{\&tau;}}_r^{2}c}\exp [-\frac{1}{2{\mathrm{\&tau;}}_r^2}{\left(\frac{d}{c}\right)}^2]\frac{{\mathrm{\&rho;}}_r{T}_a^2{T}_o{E}_t}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&tau;}}_r}---\left(5\right)$

求取式(5)的最大值，从而求得差分距离的最优值，如下式 

$\frac{d\left(k_d\right)}{d\left(d\right)}=-\frac{2}{{\mathrm{\&tau;}}_r^{2}c}\exp [-\frac{1}{2{\mathrm{\&tau;}}_r^2}{\left(\frac{d}{c}\right)}^2]+\frac{2d}{{\mathrm{\&tau;}}_r^{2}c}\exp [-\frac{1}{{2\mathrm{\&tau;}}_r^2}{\left(\frac{d}{c}\right)}^2]\frac{2d}{c}\frac{1}{{2\mathrm{\&tau;}}_r^2\&CenterDot;c}---\left(6\right)$

令d(k_d)/d(d)=0，可求得差分距离d的最优解，d=cτ_r，结合图4，也可以看到当d=cτ_r为5条曲线中零点处斜率的最大者。 

结合上述推导，本实例优先选择粗微动平台作为优化控制的执行单元，具体实施步骤如下： 

（1）减法器12输出的差分回波信号送入处理电路模块1中，测得回波脉宽τ_r； 

（2）基于d=cτ_r计算出此时应调整的差分距离d； 

（3）对于范围较大的差分距离移动（大于mm量级），优先选用粗动控制方式，控制第一粗微动平台8、控制第二粗微动平台15使其快速移动到指定的差分距离d值附近；对于移动距离范围小的情况可以直接采用微动控制； 

（4）停止粗动调整，微动控制开始运行，当零点处的斜率最大时，记录此时零点位置对应的时刻； 

综上所述，相比较传统的单探测器激光测距方法，基于光路差分的激光脉冲测距方法，具有消除背景噪声，测距精度高，适用性广等优点。 

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (4)

1.一种基于光路差分的激光脉冲测距方法，其特征在于：包括处理电路模块(1)，激光光源(2)，准直扩束镜(3)，分光镜(4)，光电探测器(5)，聚光镜(6)，第一粗微动平台(8)，第一APD(9)，第一接收透镜(10)，半反半透镜(11)，减法器(12)，第一粗微动平台控制器(13)，第二接收透镜(14)，第二粗微动平台(15)，第二APD(16)，第二粗微动平台控制器(17)；激光光源(2)受处理电路模块(1)驱动发出一束脉冲激光，经过准直扩束镜(3)、分光镜(4)分为两条光路，一部分光经聚光镜(6)聚焦在光电探测器(5)用于产生开始信号给处理电路模块(1)；另一部分用于探测目标(7)，从目标(7)的反射或散射光经分光镜(4)、半反半透镜(11)分为两条光路，一路光经第一接收透镜(10)汇聚至第一APD(9)上，光信号转换为电信号P_r1(t)送至减法器(12)的“+”端；另一路光经第二接收透镜(14)汇聚至第二APD(16)上，光信号转换为电信号P_r2(t)送至减法器(12)的“-”端，两部分光路参数相同，第一接收透镜(10)与第一APD(9)构成一路接收单元，第二接收透镜(14)与第二APD(16)构成另一路接收单元；经过减法器(12)后，形成差分信号P_r1(t)-P_r2(t)，送入处理电路模块(1)中，处理电路模块(1)根据优化原则向第一粗微动平台控制器(13)、第二粗微动平台控制器(17)同时发出控制信号，控制相应的第一粗微动平台(8)，第二粗微动平台(15)移动，从而改变差分距离d，当差分回波曲线(25)过零点(24)处的斜率最大时，停止移动，记录此时的过零点时刻，从而记录零点时刻，完成距离测量。

2.如权利要求1所述的一种基于光路差分的激光脉冲测距方法，其特征在于：所述聚光镜(6)与分光镜(4)的间距记为l₀，l₁为分光镜(4)与半反半透镜(11)之间的距离，为实现光路差分，分光镜(4)与第一接收透镜(10)、第二接收透镜(14)的间距记为l₂，l₃，且满足l₁+l₂＝l₀-d，l₁+l₃＝l₀+d，其中，d为差分距离。

3.如权利要求1所述的一种基于光路差分的激光脉冲测距方法，其特征在于：所述优化原则是以回波信号在零点(24)处的斜率最大为准则。

4.如权利要求1所述的一种基于光路差分的激光脉冲测距方法，其特征在于：所述处理电路模块根据优化原则向粗微动平台控制器发出控制信号，控制相应的粗微动平台移动，具体步骤如下：

(1)减法器(12)输出的差分回波信号送入处理电路模块(1)中，测得回波脉宽τ_r；

(2)基于d＝cτ_r计算出此时应调整的差分距离d；

(3)对于范围大于mm量级的差分距离移动，优先选用粗动控制方式，控制第一粗微动平台(8)、控制第二粗微动平台(15)使其快速移动到指定的差分距离d值附近；对于移动距离范围小的情况可以直接采用微动控制；

(4)停止粗动调整，微动控制开始运行，当零点(24)处的斜率最大时，记录此时零点位置对应的时刻。