CN103344962B - 一种基于光路差分的激光脉冲测距方法 - Google Patents
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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
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Pr1(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Pr2(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Pr1(t)-Pr2(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τr;
(2)基于d=cτr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×cτr的回波曲线,27-d为1/2×cτr的回波曲线,28-d为cτr的回波曲线,29-d为2×cτr的回波曲线,30-d为3×cτr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Pr1(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Pr2(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Pr1(t)-Pr2(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:
式中,Et为脉冲能量,Pr1(t)为第一APD9探测器接收回波功率,Pr2(t)为第二APD16探测器接收回波功率,Ta-单程大气通过率,To-光学系统效率,ρr-目标反射率,τ-发射脉冲宽度,τr-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,PB-噪声功率,hsun-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Pr1(t)与Pr2(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:
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ρr=0.5,大气透过率Ta=0.81(能见度10km),光学效率To=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Prd(t)=0时,即在零点位置时,可以求得
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×cτr,1/2×cτr,cτr,2×cτr,3×cτr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kd可以通过对式(2)求导获得。
进一步求取kd在零点时刻(t=2R/c)对应的导数,如下式
求取式(5)的最大值,从而求得差分距离的最优值,如下式
令d(kd)/d(d)=0,可求得差分距离d的最优解,d=cτr,结合图4,也可以看到当d=cτr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τr;
(2)基于d=cτr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Pr1(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Pr2(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Pr1(t)-Pr2(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τr;
(2)基于d=cτr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。
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