CN104656093A - 一种水下激光测距仪及测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下激光测距仪及测距方法，该测距仪包括密封箱、支架、第一激光测距模块、第二激光测距模块、前反射板、后反射板、步进电机、输出接口、电源、控制模块、数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块和显示模块；本发明激光测距仪使用第一激光测距模块对两块距离已知的反射板测距，根据拟合算法获取矫正系数，并根据矫正算法矫正第二激光发测距模块对目标物体所测距离数据，获得高精度水下距离。本激光测距仪测量精度与水体折射率等光学特性无关，具有测量精度高、使用范围广的优点。

Description

一种水下激光测距仪及测距方法

技术领域

本发明涉及一种水下测距仪，特别是一种使用光学方法精确测距，能满足工程作业、科学研究、无人勘探等需要的水下测距仪。

背景技术

激光测距仪是利用激光对目标进行准确测定的仪器。相位法激光测距使用激光器向目标发射一束细激光，通过激光相位检测元件接收反射的激光束，根据接受激光的相位延迟计算距离，其测量精度极高，一般为毫米级。

激光测距仪已经广泛应用于陆上精密测距，但由于其所计算距离读数与光传播介质的折射率有关，而不同水体光学性质有较大差别，因此至今未有用于水下测距的激光测距仪。

发明内容

本发明克服了普通激光测距仪所测距离受光传输介质折射率影响的缺点，提供了一种对水下目标精确测距的水下激光测距仪。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种水下激光测距仪，其特征在于，包括密封箱、支架、第一激光测距模块、第二激光测距模块、前反射板、后反射板、步进电机、输出接口、电源、控制模块、数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块和显示模块。

所述电源、控制模块、数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块和显示模块均置于密封箱内；所述步进电机置于密封箱内，其输出轴穿过密封箱的上表面，所述前反射板与步进电机的输出轴固定连接。

所述第一激光测距模块包括第一激光相位探测装置和第一激光发射装置；所述第二激光测距模块包括第二激光相位探测装置和第二激光发射装置；所述第一激光测距模块、后反射板和支架依次固定在密封箱的上表面，所述第二激光测距模块与支架转动连接；所述前反射板置于第一激光测距模块和后反射板之间，所述第一激光发射装置的发射口正对后反射板，其激光出射方向与后反射板的中轴线在同一水平面，相互平行且不重合；所述第一激光测距模块、第二激光测距模块、步进电机、输出接口、控制模块、数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块和显示模块均由电源供电；所述第一激光测距模块、第二激光测距模块、步进电机、数据处理模块、显示模块和输出接口均与控制模块相连；所述第一激光测距模块、第二激光测距模块、数据存储模块和数据处理模块均与数据采集模块相连，所述数据处理模块、显示模块和输出接口均与数据存储模块相连；所述显示模块设有显示窗口，所述显示窗口嵌于密封箱的上表面。

所述第一激光发射装置和第二激光发射装置发射频率可变的激光光束，第一激光相位探测装置和第二激光相位探测装置可精确测量反射激光相位；发射激光频率、相位及探测激光相位信息传输至数据采集模块。

所述前反射板和后反射板为定标物体，反射第一激光测距模块发射的激光；由步进电机控制前反射板的旋转，从而确定入射激光由哪块反射板反射；前反射板与第一激光发射装置之间的距离X₁、后反射板与第一激光发射装置之间的距离X₂均已知。

所述第一激光测距模块测量第一激光测距模块与两个反射板间距离，第二激光测距模块测量第二激光测距模块与目标物体间距离。

所述数据采集模块实时采集第一激光发射装置和第二激光发射装置的发射激光频率和发射激光相位、第一激光相位探测装置和第二激光相位探测装置所探测的反射激光相位；将采集的数据实时传输至数据处理模块和数据存储模块。

所述数据处理模块分为激光测距距离计算模块与激光测距距离矫正模块；所述激光距离计算模块根据发射激光频率、发射激光相位及激光相位探测模块所测反射激光相位，计算未经矫正的距离数据，具体为：分别记f_s1和f_s2为两次发射激光的频率；为当发射激光频率为f_s1时，发射激光相位与相位探测模块探得的反射激光相位的相位差；为当发射激光频率为f_s2时，发射激光相位与相位探测模块探得的反射激光相位的相位差；c＝2.9979×10⁸m/s为真空中光速，n＝1.3333为纯水中光的折射率，则激光测距仪所测距离D：

所述激光测距距离矫正模块对前反射板与第一激光发射装置之间的距离X₁、后反射板与第一激光发射装置之间的距离X₂作矩阵运算，获得矫正系数；矫正系数计算公式如下：

$\left[\begin{array}{c}a\\ b\end{array}\right]={\left(\left[\begin{array}{cc}{x}_1^{\′}& 1\\ x_2^{\′}& 1\end{array}\right]{\left[\begin{array}{cc}{x}_1^{\′}& 1\\ x_2^{\′}& 1\end{array}\right]}^T\right)}^{-1}\left(\left[\begin{array}{cc}{x}_1^{\′}& 1\\ x_2^{\′}& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\end{array}\right]\right)---\left(2\right)$

其中，X′₁为第一激光测距模块所测的第一激光测距模块到前反射板的距离，X′₂为第一激光测距模块所测的第一激光测距模块到后反射板的距离，a、b为矫正系数；

对第二激光测距模块做距离矫正的原理如下：

L＝a·L′+b    (3)

其中L′为第二激光测距模块测得的距离，L为矫正后的距离，亦即实际距离。

一种利用上述水下激光测距仪进行测距的方法，包括以下步骤：

(1)控制模块控制步进电机，将前反射板旋转至与激光方向垂直的位置，测量第一激光测距模块到前反射板之间的距离X′₁；控制模块控制步进电机，将前反射板旋转至与激光方向平行的位置，测量第一激光测距模块到后反射板之间的距离X′₂；距离D计算公式如下：

其中，f_s1和f_s2为两次发射激光的频率；为当发射激光频率为f_s1时，发射激光相位与相位探测模块探得的反射激光相位的相位差；为当发射激光频率为f_s2时，发射激光相位与相位探测模块探得的反射激光相位的相位差；c＝2.9979×10⁸m/s为真空中光速，n＝1.3333为纯水中光的折射率；

(2)将前反射板与第一激光发射装置之间的距离X₁、后反射板与第一激光发射装置之间的距离X₂作矩阵运算，获得矫正系数；矫正系数a、b的计算公式如下：

$\left[\begin{array}{c}a\\ b\end{array}\right]={\left(\left[\begin{array}{cc}{x}_1^{\′}& 1\\ x_2^{\′}& 1\end{array}\right]{\left[\begin{array}{cc}{x}_1^{\′}& 1\\ x_2^{\′}& 1\end{array}\right]}^T\right)}^{-1}\left(\left[\begin{array}{cc}{x}_1^{\′}& 1\\ x_2^{\′}& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\end{array}\right]\right)---\left(2\right)$

(3)控制模块控制第二激光测距模块对准目标物体，通过第二激光测距模块测量第二激光测距模块到目标物体的距离L′，距离计算公式同步骤(1)；

(4)对步骤(3)测得的距离L′进行矫正，得到实际距离L，矫正公式如下：

L＝a·L′+b    (3)。

本发明的有益效果是：由于采用一个激光测距模块定标、一个激光测距模块测量到目标距离的机制，并结合一套高效精确的数据处理算法，该系统能在不同光学特性的水体中快速获取矫正系数，并通过矫正系数获取无偏差测距读数，因此本激光测距仪测量精度与水体折射率等光学特性无关，具有测量精度高、使用范围广的优点。

附图说明

图1是水下激光测距仪的示意图；

图2是水下激光测距仪的俯视图；

图中，密封箱1、支架2、第二激光测距模块3、第一激光测距模块4、第一激光相位探测装置5、第一激光发射装置6、后反射板7、前反射板8、步进电机9、输出接口10、显示窗口11、第二激光相位探测装置12、第二激光发射装置13。

具体实施方案

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1、2所示，本发明一种水下激光测距仪，包括密封箱1、支架2、第一激光测距模块4、第二激光测距模块3、前反射板8、后反射板7、步进电机9、输出接口10、电源、控制模块、数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块和显示模块；

所述电源、控制模块、数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块和显示模块均置于密封箱1内；所述步进电机9置于密封箱1内，其输出轴穿过密封箱1的上表面，所述前反射板8与步进电机9的输出轴固定连接；

所述第一激光测距模块4包括第一激光相位探测装置5和第一激光发射装置6；所述第二激光测距模块3包括第二激光相位探测装置12和第二激光发射装置13；所述第一激光测距模块4、后反射板7和支架2依次固定在密封箱1的上表面，所述第二激光测距模块3与支架2转动连接；所述前反射板8置于第一激光测距模块4和后反射板7之间，所述第一激光发射装置6的发射口正对后反射板7，其激光出射方向与后反射板7的中轴线在同一水平面，相互平行且不重合；所述第一激光测距模块4、第二激光测距模块3、步进电机9、输出接口10、控制模块、数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块和显示模块均由电源供电；所述第一激光测距模块4、第二激光测距模块3、步进电机9、数据处理模块、显示模块和输出接口10均与控制模块相连；所述第一激光测距模块4、第二激光测距模块3、数据存储模块和数据处理模块均与数据采集模块相连，所述数据处理模块、显示模块和输出接口均与数据存储模块相连；所述显示模块设有显示窗口11，所述显示窗口11嵌于密封箱1的上表面；

所述第一激光发射装置6和第二激光发射装置13发射不同频率激光光束，第一激光相位探测装置5和第二激光相位探测装置12可精确测量反射激光相位；发射激光频率、相位及探测激光相位信息传输至数据采集模块。

所述前反射板8和后反射板7为定标物体，反射第一激光测距模块4发射的激光；由步进电机9控制前反射板8的旋转，从而确定入射激光由哪块反射板反射；前反射板8与第一激光发射装置6之间的距离X₁、后反射板7与第一激光发射装置6之间的距离X₂均已知。

所述第一激光测距模块4测量第一激光测距模块4与两个反射板间距离，第二激光测距模块3测量第二激光测距模块3与目标物体间距离。

所述数据采集模块实时采集第一激光发射装置6和第二激光发射装置13的发射激光频率和发射激光相位、第一激光相位探测装置5和第二激光相位探测装置12所探测的反射激光相位；将采集的数据实时传输至数据处理模块和数据存储模块。

所述数据处理模块分为激光测距距离计算模块与激光测距距离矫正模块；所述激光距离计算模块根据发射激光频率、发射激光相位及激光相位探测模块所测反射激光相位，计算未经矫正的距离数据，具体为：分别记f_s1和f_s2为两次发射激光的频率；为当发射激光频率为f_s1时，发射激光相位与相位探测模块探得的反射激光相位的相位差；为当发射激光频率为f_s2时，发射激光相位与相位探测模块探得的反射激光相位的相位差；c＝2.9979×10⁸m/s为真空中光速，n＝1.3333为纯水中光的折射率，则激光测距仪所测距离D：

所述激光测距距离矫正模块对前反射板8与第一激光发射装置6之间的距离X₁、后反射板7与第一激光发射装置6之间的距离X₂作矩阵运算，获得矫正系数；矫正系数计算公式如下：

$\left[\begin{array}{c}a\\ b\end{array}\right]={\left(\left[\begin{array}{cc}{x}_1^{\′}& 1\\ x_2^{\′}& 1\end{array}\right]{\left[\begin{array}{cc}{x}_1^{\′}& 1\\ x_2^{\′}& 1\end{array}\right]}^T\right)}^{-1}\left(\left[\begin{array}{cc}{x}_1^{\′}& 1\\ x_2^{\′}& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\end{array}\right]\right)---\left(2\right)$

其中，X′₁为第一激光测距模块4所测的第一激光测距模块4到前反射板8的距离，X′₂为第一激光测距模块4所测的第一激光测距模块4到后反射板7的距离，a、b为矫正系数；

对第二激光测距模块3做距离矫正的原理如下：

L＝a·L′+b    (3)

其中L′为第二激光测距模块3测得的距离，L为矫正后的距离，亦即实际距离。

一种利用上述激光测距仪测距的方法，包括以下步骤：

(1)控制模块控制步进电机9，将前反射板8旋转至与激光方向垂直的位置，测量第一激光测距模块4到前反射板8之间的距离X′₁；控制模块控制步进电机9，将前反射板8旋转至与激光方向平行的位置，测量第一激光测距模块4到后反射板7之间的距离X′₂；距离D计算公式如下：

其中，f_s1和f_s2为两次发射激光的频率；为当发射激光频率为f_s1时，发射激光相位与相位探测模块探得的反射激光相位的相位差；为当发射激光频率为f_s2时，发射激光相位与相位探测模块探得的反射激光相位的相位差；c＝2.9979×10⁸m/s为真空中光速，n＝1.3333为纯水中光的折射率；

(2)将前反射板8与第一激光发射装置6之间的距离X₁、后反射板7与第一激光发射装置6之间的距离X₂作矩阵运算，获得矫正系数；矫正系数a、b的计算公式如下：

$\left[\begin{array}{c}a\\ b\end{array}\right]={\left(\left[\begin{array}{cc}{x}_1^{\′}& 1\\ x_2^{\′}& 1\end{array}\right]{\left[\begin{array}{cc}{x}_1^{\′}& 1\\ x_2^{\′}& 1\end{array}\right]}^T\right)}^{-1}\left(\left[\begin{array}{cc}{x}_1^{\′}& 1\\ x_2^{\′}& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\end{array}\right]\right)---\left(2\right)$

(3)控制模块控制第二激光测距模块3对准目标物体，通过第二激光测距模块3测量第二激光测距模块3到目标物体的距离L′，距离计算公式同步骤(1)；

(4)对步骤(3)测得的距离L′进行矫正，得到实际距离L，矫正公式如下：

L＝a·L′+b    (3)。

Claims (2)

1.一种水下激光测距仪，其特征在于，包括密封箱(1)、支架(2)、第一激光测距模块(4)、第二激光测距模块(3)、前反射板(8)、后反射板(7)、步进电机(9)、输出接口(10)、电源、控制模块、数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块和显示模块；

所述电源、控制模块、数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块和显示模块均置于密封箱(1)内；所述步进电机(9)置于密封箱(1)内，其输出轴穿过密封箱(1)的上表面，所述前反射板(8)与步进电机(9)的输出轴固定连接；

所述第一激光测距模块(4)包括第一激光相位探测装置(5)和第一激光发射装置(6)；所述第二激光测距模块(3)包括第二激光相位探测装置(12)和第二激光发射装置(13)；所述第一激光测距模块(4)、后反射板(7)和支架(2)依次固定在密封箱(1)的上表面，所述第二激光测距模块(3)与支架(2)转动连接；所述前反射板(8)置于第一激光测距模块(4)和后反射板(7)之间，所述第一激光发射装置(6)的发射口正对后反射板(7)，其激光出射方向与后反射板(7)的中轴线在同一水平面，相互平行且不重合；所述第一激光测距模块(4)、第二激光测距模块(3)、步进电机(9)、输出接口(10)、控制模块、数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块和显示模块均由电源供电；所述第一激光测距模块(4)、第二激光测距模块(3)、步进电机(9)、数据处理模块、显示模块和输出接口(10)均与控制模块相连；所述第一激光测距模块(4)、第二激光测距模块(3)、数据存储模块和数据处理模块均与数据采集模块相连，所述数据处理模块、显示模块和输出接口均与数据存储模块相连；所述显示模块设有显示窗口(11)，所述显示窗口(11)嵌于密封箱(1)的上表面；

所述数据采集模块实时采集第一激光发射装置(6)和第二激光发射装置(13)的发射激光频率和发射激光相位、第一激光相位探测装置(5)和第二激光相位探测装置(12)所探测的反射激光相位；将采集的数据实时传输至数据处理模块和数据存储模块；

所述数据处理模块分为激光测距距离计算模块与激光测距距离矫正模块；所述激光距离计算模块根据发射激光频率、发射激光相位及激光相位探测模块所测反射激光相位，计算未经矫正的距离数据，具体为：分别记f_s1和f_s2为两次发射激光的频率；为当发射激光频率为f_s1时，发射激光相位与相位探测模块探得的反射激光相位的相位差；为当发射激光频率为f_s2时，发射激光相位与相位探测模块探得的反射激光相位的相位差；c＝2.9979×10⁸m/s为真空中光速，n＝1.3333为纯水中光的折射率，则激光测距仪所测距离D：

所述激光测距距离矫正模块对前反射板(8)与第一激光发射装置(6)之间的距离X₁、后反射板(7)与第一激光发射装置(6)之间的距离X₂作矩阵运算，获得矫正系数；矫正系数计算公式如下：

$\left[\begin{array}{c}a\\ b\end{array}\right]={\left(\left[\begin{array}{cc}{x}_1^{\′}& 1\\ x_2^{\′}& 1\end{array}\right]{\left[\begin{array}{cc}{x}_1^{\′}& 1\\ x_2^{\′}& 1\end{array}\right]}^T\right)}^{-1}\left(\left[\begin{array}{cc}{x}_1^{\′}& 1\\ x_2^{\′}& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\end{array}\right]\right)---\left(2\right)$

其中，X′₁为第一激光测距模块(4)所测的第一激光测距模块(4)到前反射板(8)的距离，X′₂为第一激光测距模块(4)所测的第一激光测距模块(4)到后反射板(7)的距离，X₁为前反射板(8)与第一激光发射装置(6)之间的距离，X₂为后反射板(7)与第一激光发射装置(6)之间的距离，X₁和X₂均已知，a、b为矫正系数；对第二激光测距模块(3)做距离矫正的原理如下：

L＝a·L′+b    (3)

其中L′为第二激光测距模块(3)测得的距离，L为矫正后的距离，亦即实际距离。

2.一种利用权利要求1所述水下激光测距仪的激光测距方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)控制模块控制步进电机(9)，将前反射板(8)旋转至与激光方向垂直的位置，测量第一激光测距模块(4)到前反射板(8)之间的距离X′₁；控制模块控制步进电机(9)，将前反射板(8)旋转至与激光方向平行的位置，测量第一激光测距模块(4)到后反射板(7)之间的距离X′₂；距离D计算公式如下：

其中，f_s1和f_s2为两次发射激光的频率；为当发射激光频率为f_s1时，发射激光相位与相位探测模块探得的反射激光相位的相位差；为当发射激光频率为f_s2时，发射激光相位与相位探测模块探得的反射激光相位的相位差；c＝2.9979×10⁸m/s为真空中光速，n＝1.3333为纯水中光的折射率；

(2)将前反射板(8)与第一激光发射装置(6)之间的距离X₁、后反射板(7)与第一激光发射装置(6)之间的距离X₂作矩阵运算，获得矫正系数；矫正系数a、b的计算公式如下：

$\left[\begin{array}{c}a\\ b\end{array}\right]={\left(\left[\begin{array}{cc}{x}_1^{\′}& 1\\ x_2^{\′}& 1\end{array}\right]{\left[\begin{array}{cc}{x}_1^{\′}& 1\\ x_2^{\′}& 1\end{array}\right]}^T\right)}^{-1}\left(\left[\begin{array}{cc}{x}_1^{\′}& 1\\ x_2^{\′}& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\end{array}\right]\right)---\left(2\right)$

(3)控制模块控制第二激光测距模块(3)对准目标物体，通过第二激光测距模块(3)测量第二激光测距模块(3)到目标物体的距离L′，距离计算公式同步骤(1)；

(4)对步骤(3)测得的距离L′进行矫正，得到实际距离L，矫正公式如下：

L＝a·L′+b    (3)。