CN103885065A - 双波长双脉冲的无模糊激光测距装置 - Google Patents

Abstract

一种双波长双脉冲的无模糊激光测距装置，基本原理是发射两个波长的激光脉冲，且对两激光脉冲的时间间隔进行顺序编码，接收通道通过波长分束的方法，将两个波长的激光回波分别接收到两个探测器，然后分别进行时间测量。通过计算两个波长脉冲的回波时间差，准确解码当前激光回波对应的起始脉冲的时间差，计算出目标的距离。本发明的特点是采用两个波长且时间间隔编码的双脉冲测距，可实现远距离、高重频的无模糊激光测距。

Description

双波长双脉冲的无模糊激光测距装置

技术领域

本发明涉及激光雷达和激光三维扫描仪，特别是一种双波长双脉冲的无模糊激光测距装置，能够实现高重频、远距离、无距离模糊的激光测距。

背景技术

在激光雷达和激光三维扫描仪领域，目前常用的激光测距方式主要有基于飞行时间的脉冲直接测距法和相位测量法等。相位测量因为发射的激光功率较低，往往用于近距离测量。对于200米以外的非合作目标，通常采用脉冲飞行时间测距方法。脉冲飞行时间方法存在距离模糊问题，为了能够获取准确的距离信息，测距距离和激光重复频率的乘积要小于光速的一半。对于远距离测量的激光雷达，往往需要降低激光重复频率，来克服距离模糊可能带来的测距错误。为了克服距离模糊，通常使用的方式是采用脉冲同步计数技术，通过对发射和接收脉冲进行同步计数，能够缩小模糊距离，从而一定程度上克服距离模糊对激光重频的限制，实现对远距离目标的高重频测距。但是该方法需要对目标距离的变化范围有先验知识或准确记录第一个脉冲的回波时间，且目标距离的变化范围不大，当目标距离变化较大且无先验知识时，该方法就会失效。也可以采用脉冲编码方式，对发射的激光脉冲进行单个或双脉冲间隔时间编码，通过对脉冲进行间隔时间解码，能够获得准确的距离信息，克服距离模糊。但是该方法在测量具有穿透性的目标时（如植被测量），会因为产生多个相邻回波而导致编码错位，产生错误的测距信息。而且双脉冲激光编码的双回波信号到达一个测距通道，由于测距通道的响应时间通常要达到几十纳秒，即脉冲距离间隔为几米，脉冲间隔时间需要较长，过宽的脉冲间隔也影响了编码的效率。因此，对于当前的高重频激光测距和激光三维扫描仪，测距距离和激光重复频率仍然存在一定的矛盾，限制了测距和激光扫描的速度。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前高重频激光测距中面临的距离模糊问题，提供一种双波长双脉冲的无模糊激光测距装置，该装置能够实现高重频、远距离、无距离模糊的激光测距。

本发明的工作原理是

发射两个波长的激光脉冲，对两个波长激光脉冲的时间间隔进行周期性的编码，通过合束器将两个波长的脉冲光合并到同一个光轴上发射出去，接收通道通过波长分束的方法，将两个波长的激光回波分别接收到两个探测器，然后通过计算两个波长脉冲的回波的时间差，能够准确解码当前激光回波对应的起始脉冲，消除在远距离测距时，由于距离模糊导致的测距错误。

该技术能够克服穿透性目标的多回波测距导致的脉冲调制错位，准确解算出多回波对应的距离值。而且能够通过两个测距通道的测距值平均，提高测距的精度。具体工作原理参见图1。

本发明技术解决方案如下：

一种双波长双脉冲的无模糊激光测距装置，其特点在于：该装置包括脉冲位置编码器、脉冲信号源、激光源、波长合束器、接收望远镜、波长分束器、带通滤光片、探测器、时间测量模块和脉冲解码模块，所述的脉冲信号源由固定周期的脉冲信号发生源和信号延迟器组成；所述的激光源由短波光纤激光器和长波光纤激光器组成，所述的带通滤光片包括短波带通滤光片和长波带通滤光片，所述的探测器包括短波探测器和长波探测器，上述元部件的连接关系如下：

所述的脉冲位置编码器的第一输出端接所述的信号延迟器的第一输入端，脉冲位置编码器的第二输出端接所述的脉冲解码模块的第二输入端，所述的固定周期的脉冲信号发生源的第一输出端分别接所述的短波光纤激光器的控制端和时间测量模块的第一输入端，该短波光纤激光器的输出端输出的短波长激光透过所述的波长合束器，所述的所述的固定周期的脉冲信号发生源的第二输出端接所述的信号延迟器的第二输入端，该信号延迟器的输出端分别接所述的长波光纤激光器的控制端和时间测量模块的第二输入端，所述的长波光纤激光器的输出端输出的长波长激光经所述的波长合束器的反射与透过所述的波长合束器的短波长激光合成光斑直径、角度和发散角完全相同的同光路的激光分别射向目标；

两个波长的激光回波由所述的接收望远镜接收，经过所述的波长分束器分为短波长透射光束和长波光反射光束：短波长透射光束经过所述的短波带通滤光片由所述的短波探测器接收，所述的短波探测器的输出端接所述的时间测量模块的第三输入端；所述的长波光反射光束经所述的长波带通滤光片，由所述的长波探测器接收，该长波探测器的输出端接所述的所述的时间测量模块的第四输入端，所述的时间测量模块的输出端接所述的脉冲解码模块的第二输入端。所述的短波光纤激光器为短波长激光1530nm的光纤激光器，所述的长波光纤激光器为长波长激光1560nm的光纤激光器。

所述的波长合束器是长波反射、短波透射的光学波长截止片，截止波长为1545nm。

所述的波长分束器是个长波反射、短波透射的光学波长截止片，截止波长为1545nm。

所述的短波探测器和长波探测器是两个近红外响应的雪崩光电二极管。

利用上述双波长双脉冲的无模糊激光测距装置进行加工测距的方法，其特点在于该方法包括下列步骤：

①将本发明所述的双波长双脉冲的无模糊激光测距装置的发射的波长合束器和接收望远镜对准待测的目标；

②启动本发明装置，当所述的接收望远镜接收到回波信号，所述的时间测量模块自动计算出相邻的发射和回波的时间间隔t1和t2，t1为短波长激光的激光回波与最近的激光发射脉冲的延时，t2为长波长激光的激光回波与最近的激光发射脉冲的延时,输入所述的脉冲解码模块；

③所述的脉冲解码模块自动进行下列处理，输出目标的实际距离d：

通过求t1和t2的差值，t1-t2=NΔt，解算出N，进一步计算出真实的短波长激光1从第一激光脉冲发射至本发明装置接收到第一激光脉冲回波的时间为N×t0+t1，目标的实际距离为：d＝C×（N×t0+t1）/2。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、无需先验知识即可克服激光高重频和远距离导致的距离模糊。

2、在测量穿透性物体（如植物、伪装网等）产生的多回波信号信号，不会产生双脉冲位置调制错位，避免出现错误测距信息。

3、两个波长通道的测距值可以做平均，提高测距精度。

附图说明

图1是本发明双波长双脉冲的无模糊激光测距装置的双波长脉冲位置原理示意图；

图2是本发明双波长双脉冲的无模糊激光测距装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图2，图2是本发明双波长双脉冲的无模糊激光测距装置的结构示意图，由图可见，本发明双波长双脉冲的无模糊激光测距装置，包括脉冲位置编码器1、脉冲信号源2、激光源3、波长合束器4、接收望远镜5、波长分束器6、带通滤光片7、探测器8、时间测量模块9和脉冲解码模块10，所述的脉冲信号源2由固定周期的脉冲信号发生源2-1和信号延迟器2-2组成；所述的激光源3由短波光纤激光器3-1和长波光纤激光器3-2组成，所述的带通滤光片7包括短波带通滤光片7-1和长波带通滤光片7-2，所述的探测器8包括短波探测器8-1和长波探测器8-2，上述元部件的连接关系如下：

所述的脉冲位置编码器1的第一输出端接所述的信号延迟器2-2的第一输入端，脉冲位置编码器1的第二输出端接所述的脉冲解码模块10的第二输入端，所述的固定周期的脉冲信号发生源2-1的第一输出端分别接所述的短波光纤激光器3-1的控制端和时间测量模块9的第一输入端，该短波光纤激光器3-1的输出端输出的短波长激光透过所述的波长合束器4，所述的固定周期的脉冲信号发生源2-1的第二输出端接所述的信号延迟器2-2的第二输入端，该信号延迟器2-2的输出端分别接所述的长波光纤激光器3-2的控制端和时间测量模块9的第二输入端，所述的长波光纤激光器3-2的输出端输出的长波长激光经所述的波长合束器4的反射后，与透过波长合束器（4）的短波长激光合成光斑直径、角度和发散角完全相同的同光路的激光分别射向目标；

两个波长的激光回波由所述的接收望远镜5接收，经过所述的波长分束器6分为短波长透射光束和长波光反射光束：短波长透射光束经过所述的短波带通滤光片7-1由所述的短波探测器8-1接收，所述的短波探测器8-1的输出端接所述的时间测量模块9的第三输入端；所述的长波光反射光束经所述的长波带通滤光片7-2，由所述的长波探测器8-2接收，该长波探测器8-2的输出端接所述的所述的时间测量模块9的第四输入端，所述的时间测量模块9的输出端接所述的脉冲解码模块10的第二输入端。

请参阅图1，图1是本发明双波长双脉冲的无模糊激光测距装置的双波长脉冲位置原理示意图，图中：

第一行为位置编码器产生的8位脉冲位置编码N，与短波长激光的脉冲顺序一一对应，分别为1、2、3、4、…，N…。第二和三行分别对应短波长激光1和长波长激光2的激光发射脉冲，第四和五行分别对应短波长激光1和长波长激光2的激光回波脉冲。短波长激光1的激光发射脉冲间隔为固定周期t0，长波长激光2的激光发射脉冲相对短波长激光1的脉冲有延时，该延时与脉冲顺序有关，即NΔt。由于距离模糊，在接收到激光回波之前，已经有多个激光发射脉冲，而本发明的时间探测模块只记录相邻的发射和回波的时间间隔t1和t2，t1为短波长激光1的激光回波与最近的激光发射脉冲的延时，t2为长波长激光2的激光回波与最近的激光发射脉冲的延时,输入所述的脉冲解码模块10。脉冲解码模块10通过求t1和t2的差值，可获得两波长回波的时间差ΔT=t1-t2=NΔt（图中示例的N=2），解算出N，进一步可计算出真实的短波长激光1从第一激光脉冲发射至本发明装置接收到第一激光脉冲回波的时间为N×t0+t1，目标的实际距离为d＝C×（N×t0+t1）/2。

实施例：

所述的两个不同波长激光源3由短波长激光1530nm的光纤激光器3-1和短波长激光1560nm的光纤激光器3-2组成，能够接收脉冲触发电信号，并产生相应的脉冲激光输出。

所述的波长合束器4是长波反射、短波透射的波长截止片，截止波长为1545nm，将两个不同波长、不同光路的激光合束到同一光路。

所述的接收望远镜5为透射式聚焦透镜，将激光回波会聚到探测器。

所述的波长分束器6是个长波反射、短波透射的波长截止片，截止波长为1545nm，将同一激光回波中的两个波长激光分到两个光路中。

所述的带通滤光片7由两个通带中心波长分别为1530nm带通滤光片7-1和1560nm7-2的带通滤光片7-2组成，每个滤光片的带宽为5nm，一方面有效过滤另一个波长的激光回波，一方面抑制背景光。

所述的探测器8由两个雪崩光电二极管8-1和雪崩光电二极管8-2组成，分别实现两个波长光的光电信号转换。

所述的时间测量模块9是双通道测时电路，两个通道分别测量两个波长激光触发到回波信号之间的延时。分别探测两个波长的相邻激光触发和激光回波的时间间隔t1和t2，t1为短波长激光1的激光回波与最近的激光触发的延时，t2为长波长激光2的激光回波与最近的激光触发的延时。

所述的脉冲解码模块10是脉冲时间间隔计算和对应时间调制码的起始时间查找软件，根据时间测量模块9获取的两通道延时t1和t2，计算双脉冲的时间间隔ΔT=t1-t2=N×Δt，解算出N，即可得出激光回波的实际时间为N×t0+t1，再根据光速换算出实际距离。

利用双波长双脉冲的无模糊激光测距装置进行加工测距的方法，其该方法包括下列步骤：

①将本发明所述的双波长双脉冲的无模糊激光测距装置的发射的波长合束器4和接收望远镜5对准待测的目标；

②启动本发明装置，当所述的接收望远镜5接收到回波信号，所述的时间测量模块9自动计算出相邻的发射和回波的时间间隔t1和t2，t1为短波长激光1的激光回波与最近的激光发射脉冲的延时，t2为长波长激光2的激光回波与最近的激光发射脉冲的延时,输入所述的脉冲解码模块10；

③所述的脉冲解码模块10自动进行下列处理，输出目标的实际距离d：

通过求t1和t2的差值，t1-t2=NΔt，解算出N，进一步计算出真实的短波长激光1从第一激光脉冲发射至本发明装置接收到第一激光脉冲回波的时间为N×t0+t1，目标的实际距离为：d＝C×（N×t0+t1）/2。

Claims (6)

1.一种双波长双脉冲的无模糊激光测距装置，其特征在于：该装置包括脉冲位置编码器（1）、脉冲信号源（2）、激光源（3）、波长合束器（4）、接收望远镜（5）、波长分束器（6）、带通滤光片（7）、探测器（8）、时间测量模块（9）和脉冲解码模块（10），所述的脉冲信号源（2）由固定周期的脉冲信号发生源（2-1）和信号延迟器（2-2）组成；所述的激光源（3）由短波光纤激光器（3-1）和长波光纤激光器（3-2）组成，所述的带通滤光片（7）包括短波带通滤光片（7-1）和长波带通滤光片（7-2），所述的探测器（8）包括短波探测器（8-1）和长波探测器（8-2），上述元部件的连接关系如下：

所述的脉冲位置编码器（1）的第一输出端接所述的信号延迟器（2-2）的第一输入端，脉冲位置编码器（1）的第二输出端接所述的脉冲解码模块（10）的第二输入端，所述的固定周期的脉冲信号发生源（2-1）的第一输出端分别接所述的短波光纤激光器（3-1）的控制端和时间测量模块（9）的第一输入端，该短波光纤激光器（3-1）的输出端输出的短波长激光透过所述的波长合束器（4），所述的所述的固定周期的脉冲信号发生源（2-1）的第二输出端接所述的信号延迟器（2-2）的第二输入端，该信号延迟器（2-2）的输出端分别接所述的长波光纤激光器（3-2）的控制端和时间测量模块（9）的第二输入端，所述的长波光纤激光器（3-2）的输出端输出的长波长激光经所述的波长合束器（4）的反射与透过所述的波长合束器（4）的短波长激光合成光斑直径、角度和发散角完全相同的同光路的激光分别射向目标；

两个波长的激光回波由所述的接收望远镜（5）接收，经过所述的波长分束器（6）分为短波长透射光束和长波光反射光束：短波长透射光束经过所述的短波带通滤光片（7-1）由所述的短波探测器（8-1）接收，所述的短波探测器（8-1）的输出端接所述的时间测量模块（9）的第三输入端；所述的长波光反射光束经所述的长波带通滤光片（7-2），由所述的长波探测器（8-2）接收，该长波探测器（8-2）的输出端接所述的所述的时间测量模块（9）的第四输入端，所述的时间测量模块（9）的输出端接所述的脉冲解码模块（10）的第二输入端。

2.根据权利要求1所述的双波长双脉冲的无模糊激光测距装置，其特征在于所述的短波光纤激光器（3-1）为短波长激光1530nm的光纤激光器，所述的长波光纤激光器（3-2）为长波长激光1560nm的光纤激光器。

3.根据权利要求1所述的双波长双脉冲的无模糊激光测距装置，其特征在于所述的波长合束器（4）是长波反射、短波透射的光学波长截止片，截止波长为1545nm。

4.根据权利要求1所述的双波长双脉冲的无模糊激光测距装置，其特征在于所述的波长分束器（6）是个长波反射、短波透射的光学波长截止片，截止波长为1545nm。

5.根据权利要求1所述的双波长双脉冲的无模糊激光测距装置，其特征在于短波探测器（8-1）和长波探测器（8-2）是两个近红外响应的雪崩光电二极管。

6.利用权利要求1至5任一项所述的双波长双脉冲的无模糊激光测距装置进行加工测距的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①将本发明所述的双波长双脉冲的无模糊激光测距装置的发射的波长合束器（4）和接收望远镜（5）对准待测的目标；

②启动本发明装置，当所述的接收望远镜（5）接收到回波信号，所述的时间测量模块(9)自动计算出相邻的发射和回波的时间间隔t1和t2，t1为短波长激光1的激光回波与最近的激光发射脉冲的延时，t2为长波长激光2的激光回波与最近的激光发射脉冲的延时,输入所述的脉冲解码模块（10）；

③所述的脉冲解码模块（10）自动进行下列处理，输出目标的实际距离d：

通过求t1和t2的差值，t1-t2=NΔt，解算出N，进一步计算出真实的短波长激光1从第一激光脉冲发射至本发明装置接收到第一激光脉冲回波的时间为N×t0+t1，目标的实际距离为：d＝C×（N×t0+t1）/2。

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