CN104865576A - 一种紧凑的超短脉冲激光远程测距系统及其测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紧凑的超短脉冲激光远程测距系统及其测距方法，包括激光光源、扩束模块一、扩束模块二、分束镜、发射接收模块、反射镜、滤波模块、聚焦透镜、光电探测器，所述激光光源为超短脉冲激光器，发射激光光束，其输出激光脉冲宽度为皮秒～亚皮秒；本发明采用发射光路和接收光路同轴的系统设计，采用一块反射镜即完成了主波脉冲信号的取样；通过改变反射镜的镀膜反射率来调整入射主波信号的大小来防止过强的主波脉冲信号对光电探测器的损坏；本激光测距系统测程远、测量精度高；系统结构简单紧凑、成本低。

Description

一种紧凑的超短脉冲激光远程测距系统及其测距方法

技术领域

本发明涉及脉冲激光测距技术领域，具体涉及一种紧凑的超短脉冲激光远程测距系统及其测距方法。

背景技术

脉冲激光测距是指利用射向测距目标的脉冲激光束来测量目标距离的一种测量技术。激光测距系统一般包括：激光光源、激光发射系统、激光回波接收系统以及信号检测处理和控制系统。

激光光源发射脉冲激光束，经过激光发射系统，绝大部分激光束被发射至测距目标方向，发射激光束经过测距目标的反射后，返回较为微弱的回波激光束，该回波激光束经过接收光学系统光电探测器接收作为回波脉冲信号；其中很小一部分激光束被取样，然后被会聚至光电探测器作为主波脉冲信号。最后，通过回波脉冲信号和主波脉冲信号的比较分析，结合测距方程得出所测量距离。

在现有的远程激光测距系统中，激光发射和接收光学系统有两种设计方案：

一种是发射光路和接收光路分离的设计，包括两个大口径镜片和一个光电探测器，一个大口径镜片用于发射、另一个大口径镜片用于接收，其中主波信号的取样通过两片小平面反射镜分别插入发射和接收光路来实现。这种设计方案需要两个大口径镜片，整个系统较为复杂，且难以做成小型化；

另一种是发射光路和接收光路同轴的设计，包括一个大口径镜片和两个光电探测器，用一个大口径镜片同时实现激光束的发射和接收；而其主波信号则是通过在发射光路中插入一个分束器，分离微小部分光束进入第二个光电探测器，从而作为主波信号。这种设计方案虽然只需一个大口径镜片，但其主波信号的取样增加了一个光电探测器，且其主波信号和回波信号需要经过不同的光电探测器系统，必然存在的电路延时差异会对信号处理造成严重影响，从而降低了测距系统的测量精度。

在现有的地物目标远程激光测距系统中，所使用的激光光源一般为纳秒脉宽激光输出，其测量精度由于受到激光脉冲宽度的限制而难以提高；同时，对于超远距离激光测距则需要输出脉冲激光具有非常高的峰值功率，从而使得激光器的输出能量要求特别高，使得激光光源能耗需求很大且系统复杂、体积较为庞大。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种测程远、测量精度高、系统简单、结构紧凑的超短脉冲激光远程测距系统及其测距方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种紧凑的超短脉冲激光远程测距系统，包括激光光源、扩束模块一、扩束模块二、分束镜、发射接收模块、反射镜、滤波模块、聚焦透镜和光电探测器；

所述扩束模块一包括平行且同光轴排列的小透镜一和小透镜二；

所述扩束模块二包括平行且同光轴排列的大透镜一和大透镜二；

所述激光光源、小透镜二、小透镜一、大透镜二、大透镜一和发射接收模块依次排列在同一条光轴上，所述小透镜一和所述大透镜二共焦放置，所述大透镜一和所述发射接收模块共焦放置；

所述分束镜设于所述大透镜一和大透镜二之间，且与所述大透镜二的光轴呈45°角放置；

所述反射镜设于所述分束镜的侧面，且与所述大透镜二的光轴平行放置；

所述滤波模块设于所述分束镜的另一侧面，且与所述反射镜平行放置；

所述聚焦透镜与所述滤波模块平行且同光轴放置；

所述光电探测器设于所述聚焦透镜的焦点位置。

进一步，所述激光光源为超短脉冲激光器，所述超短脉冲激光器输出的激光脉冲宽度为0.1～100ps，峰值功率为0.1-100MW。

进一步，所述扩束模块一和所述扩束模块二表面均镀有对所述激光光源输出的激光高透过率的膜。

进一步，所述小透镜一和所述小透镜二直径均为2～20mm。

进一步，所述大透镜一和所述大透镜二直径均为10～200mm。

进一步，所述分束镜为半透半反镜。

进一步，所述发射接收模块为离轴抛面镜，口径为100～2000mm，表面镀有对所述激光光源输出的激光高反射率的膜，偏离角为5°～80°。

进一步，所述聚焦透镜表面镀有对所述激光光源输出的激光高透过率的膜，直径为10～200mm。

另，本发明还提供一种利用如上所述紧凑的超短脉冲激光远程测距系统进行的测距方法，所述测距方法包括如下步骤：

(1)激光光源输出激光光束，激光光束具有一定的发散角，依次经过扩束模块一和大透镜二后，所述激光光束的口径扩大，完成第一次扩束，得到初扩束光束；

(2)所述初扩束光束入射到分束镜，被分为反射光束和透射光束，反射光束入射到反射镜被反射后再次入射到分束镜，反射光束部分透过分束镜后，依次经过滤波模块和聚焦透镜，最后入射到光电探测器，得到主波信号；

(3)步骤(2)得到的透射光束依次经过大透镜二和发射接收模块后，光束口径再次扩大，完成第二次扩束，得到平行的再扩束光束；

(4)所述再扩束光束传递至远处的测距目标并被反射回来，被发射接收模块收集并会聚，经过大透镜一后，得到平行的返回光束；

(5)所述返回光束入射到分束镜，部分返回光束被反射至滤波模块，然后依次经过聚焦透镜和光电探测器，得到回波信号；

(6)采集到主波信号和回波信号后，通过对比两脉冲信号的时间差，得出测距结果。

进一步，所述主波信号的光强通过改变所述反射镜的反射率进行调节。

本发明的有益效果如下：

1、采用发射光路和接收光路同轴的系统设计，巧妙设置分束镜和反射镜的位置关系，仅通过增加一个反射镜即可完成主波信号的取样，同时整个系统只需一个光电探测器即可完成回波信号和主波信号的探测；

2、由于整个系统中仅采用一个光电探测器，从而在实现系统紧凑简单的同时，避免了采用多个光电探测器所导致的电路延时时间不同，因而提高了整个系统测距结果的准确度；

3、采用超短脉冲激光器作为激光光源，输出激光光束为皮秒量级脉冲激光，输出功率高，从而光束传输距离远，因此整个系统的测量距离远；

4、激光光源输出的脉冲激光脉冲宽度窄，从而时间辨识度高，因此整个系统的测量精度高；

5、反射镜的反射率通过镀不同的膜进行调整，从而根据激光光源输出的激光强度的不同来调整入射到光电探测器的主波信号的大小，因此可以防止过强的主波信号对光电探测器的损坏；

6、整个系统结构简单紧凑、成本低。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的发射接收模块的平面投影图。

图中，1—激光光源；2—扩束模块一；21—小透镜一；22—小透镜二；3—扩束模块二；31—大透镜一；32—大透镜二；4—分束镜；5—发射接收模块；6—反射镜；7—滤波模块；8—聚焦透镜；9—光电探测器。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。

实施例一：

如图1所示，一种紧凑的超短脉冲激光远程测距系统，包括激光光源1、扩束模块一2、扩束模块二3、分束镜4、发射接收模块5、反射镜6、滤波模块7、聚焦透镜8和光电探测器9；所述扩束模块一2包括平行且同光轴排列的小透镜一21和小透镜二22；所述扩束模块二包括平行且同光轴排列的大透镜一31和大透镜二32；所述激光光源1、小透镜二22、小透镜一21、大透镜二32、大透镜一31和发射接收模块5依次排列在同一条光轴上，所述小透镜一21和所述大透镜二32共焦放置，所述大透镜一31和所述发射接收模块5共焦放置；所述分束镜4设于所述大透镜一31和大透镜二32之间，且与所述大透镜二32的光轴呈45°角放置；所述反射镜6设于所述分束镜4的侧面，且与所述大透镜二32的光轴平行放置；所述滤波模块7设于所述分束镜4的另一侧面，且与所述反射镜6平行放置；所述聚焦透镜8与所述滤波模块7平行且同光轴放置；所述光电探测器9设于所述聚焦透镜8的焦点位置。整个系统结构简单紧凑、成本低。本发明采用发射光路和接收光路同轴的系统设计，巧妙设置分束镜4和反射镜6的位置关系，只增加了一个反射镜6即可完成主波信号的取样，同时整个系统只需一个光电探测器9即可完成回波信号和主波信号的探测。由于整个系统中仅采用一个光电探测器9，从而在实现系统紧凑简单的同时，避免了采用多个光电探测器9所导致的电路延时时间不同，因而提高了整个系统测距结果的准确度。

所述激光光源1为超短脉冲激光器，输出的激光脉冲宽度为10ps，波长为1064nm，频率为1KHz，峰值功率为1MW，单脉冲能量为10mJ。采用超短脉冲激光器作为激光光源1，输出激光功率高，从而光束传输距离远，因此整个系统的测量距离远，同时，激光光源1输出的脉冲激光脉冲宽度窄，从而时间辨识度高，因此整个系统的测量精度高。

所述扩束模块一2和所述扩束模块二3表面均镀有对所述激光光源1输出的激光高透过率的膜，透过率>99.9％；所述小透镜一21和所述小透镜二22参数相同，为小口径透镜，其直径为5mm；所述大透镜一31和所述大透镜二32参数相同，为大口径透镜，其直径为50mm。

所述分束镜4为半透半反镜，对于45°角入射的激光光束，50％的光束透射，另外50％的光束从垂直于入射方向反射出去。

如图2所示，所述发射接收模块5为离轴抛面镜，口径D为500mm，所述口径D为光束经过发射接收模块5扩大后光束的最大直径，离轴抛面镜表面镀有对激光光源1输出的激光高反射的膜，当有平行光入射时，光束被偏离原方向θ角度反射并会聚到离轴抛面镜的焦点位置，偏离角θ为30°；

所述反射镜6表面镀有对激光光源1输出的激光反射率为R的膜，反射率R为5％；

所述滤波模块7为窄带滤光片，只允许激光光源1输出的激光波段的光束透射，其他波段的光束被阻挡，以避免其余干扰光束被光电探测器接收；

所述聚焦透镜8表面镀有对激光光源1输出的激光高透过率的膜，直径大小为60mm；

所述光电探测器9为雪崩光电二极管。

本发明利用超短脉冲激光远程测距系统进行测距的方法包括如下步骤：

(1)激光光源1输出激光光束，激光光束具有一定的发散角，单脉冲能量为W，依次经过扩束模块一2和大透镜二32后，所述激光光束的口径扩大，完成第一次扩束，得到初扩束光束；

(2)所述初扩束光束入射到分束镜4，被分为反射光束和透射光束，由于所述分束镜4为半透半反镜，所以反射光束的单脉冲能量为0.5W，透射光束的单脉冲能量为0.5W，反射光束入射到反射镜6被反射，由于反射镜6的反射率为R，因此从反射镜6反射后的光束单脉冲能量为0.5W×R，反射光束再次入射到分束镜4，反射光束部分透过分束镜4后，光束的单脉冲能量变为0.25W×R，然后依次经过滤波模块7和聚焦透镜8，最后入射到光电探测器9，得到主波信号；

(3)步骤(2)得到的透射光束依次经过大透镜二32和发射接收模块5后，光束口径再次扩大，完成第二次扩束，得到平行的再扩束光束；

(4)所述再扩束光束传递至远处的测距目标并被反射回来，被发射接收模块5收集并会聚，经过大透镜一31后，得到平行的返回光束；

(5)所述返回光束入射到分束镜4，部分返回光束被反射至滤波模块7，然后依次经过聚焦透镜8和光电探测器9，得到回波信号；

(6)采集到主波信号和回波信号后，通过对比两脉冲信号的时间差，得出测距结果。由于光束在分束镜4和反射镜6之间的多次反射，光电探测器9可能会接收到多个干扰信号，干扰信号的单脉冲能量明显低于主波信号，据此即可判断出主波信号和干扰信号。

本实施例反射镜6镀膜后，反射率为5％，因此所述主波信号的单脉冲能量约为激光光源1输出的激光光束单脉冲能量的1.25％。反射镜6的反射率通过镀不同的膜进行调整，从而根据激光光源1输出的激光强度的不同来调整入射到光电探测器9的主波信号的大小，因此可以防止过强的主波信号对光电探测器9的损坏。

利用本实施例进行实际的地面远距离测量，实际距离为958.9米，本系统测得的结果为956.1米，准确度高达99.7％。

实施例二：

本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的部分是：

所述激光光源1输出的激光脉冲宽度为0.1ps，输出激光频率为10KHz，峰值功率为0.1MW，单脉冲能量为9mJ；输出激光功率高，从而光束传输距离远，因此整个系统的测量距离远；同时，激光光源1输出的脉冲激光脉冲宽度窄，从而时间辨识度高，因此整个系统的测量精度高。

所述小透镜一21和所述小透镜二22参数相同，为小口径透镜，其直径为2mm；所述大透镜一31和所述大透镜二32参数相同，为大口径透镜，其直径为10mm；所述离轴抛面镜口径D为100mm，偏离角θ为5°；所述聚焦透镜8直径为10mm；反射镜6镀膜后的反射率为1％。反射镜6的反射率通过镀不同的膜进行调整，从而根据激光光源1输出的激光强度的不同来调整入射到光电探测器9的主波信号的大小，因此可以防止过强的主波信号对光电探测器9的损坏。

利用本实施例进行实际的地面远距离测量，实际距离为958.9米，本系统测得的结果为955.0米，准确度高达99.59％

实施例三：

本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的部分是：

所述激光光源1输出的激光脉冲宽度为100ps，峰值功率为100MW；输出激光功率高，从而光束传输距离远，因此整个系统的测量距离远；同时，激光光源1输出的脉冲激光脉冲宽度窄，从而时间辨识度高，因此整个系统的测量精度高。

所述小透镜一21和所述小透镜二22直径为20mm；所述大透镜一31和所述大透镜二32直径为200mm；所述离轴抛面镜口径D为2000mm，偏离角θ为80°；所述聚焦透镜8直径为200mm；所述光电探测器9为单光子探测器；反射镜6镀膜后反射率为0.5％。反射镜6的反射率通过镀不同的膜进行调整，从而根据激光光源1输出的激光强度的不同来调整入射到光电探测器9的主波信号的大小，因此可以防止过强的主波信号对光电探测器9的损坏。

利用本实施例进行实际的地面远距离测量，实际距离为958.9米，本系统测得的结果为954.3米，准确度高达99.52％。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种紧凑的超短脉冲激光远程测距系统，其特征在于，包括激光光源、扩束模块一、扩束模块二、分束镜、发射接收模块、反射镜、滤波模块、聚焦透镜和光电探测器；

所述扩束模块一包括平行且同光轴排列的小透镜一和小透镜二；

所述扩束模块二包括平行且同光轴排列的大透镜一和大透镜二；

所述激光光源、小透镜二、小透镜一、大透镜二、大透镜一和发射接收模块依次排列在同一条光轴上，所述小透镜一和所述大透镜二共焦放置，所述大透镜一和所述发射接收模块共焦放置；

所述分束镜设于所述大透镜一和大透镜二之间，且与所述大透镜二的光轴呈45°角放置；

所述反射镜设于所述分束镜的侧面，且与所述大透镜二的光轴平行放置；

所述滤波模块设于所述分束镜的另一侧面，且与所述反射镜平行放置；

所述聚焦透镜与所述滤波模块平行且同光轴放置；

所述光电探测器设于所述聚焦透镜的焦点位置。

2.根据权利要求1所述一种紧凑的超短脉冲激光远程测距系统，其特征在于，所述激光光源为超短脉冲激光器，所述超短脉冲激光器输出的激光脉冲宽度为0.1～100ps，峰值功率为0.1-100MW。

3.根据权利要求1所述一种紧凑的超短脉冲激光远程测距系统，其特征在于，所述扩束模块一和所述扩束模块二表面均镀有对所述激光光源输出的激光高透过率的膜。

4.根据权利要求3所述一种紧凑的超短脉冲激光远程测距系统，其特征在于，所述小透镜一和所述小透镜二直径均为2～20mm。

5.根据权利要求4所述一种紧凑的超短脉冲激光远程测距系统，其特征在于，所述大透镜一和所述大透镜二直径均为10～200mm。

6.根据权利要求5所述一种紧凑的超短脉冲激光远程测距系统，其特征在于，所述分束镜为半透半反镜。

7.根据权利要求6所述一种紧凑的超短脉冲激光远程测距系统，其特征在于，所述发射接收模块为离轴抛面镜，口径为100～2000mm，表面镀有对所述激光光源输出的激光高反射率的膜，偏离角为5°～80°。

8.根据权利要求7所述一种紧凑的超短脉冲激光远程测距系统，其特征在于，所述聚焦透镜表面镀有对所述激光光源输出的激光高透过率的膜，直径为10～200mm。

9.一种利用如权利要求1-8任意一项所述紧凑的超短脉冲激光远程测距系统进行的测距方法，其特征在于，所述测距方法包括如下步骤：

(1)激光光源输出激光光束，激光光束具有一定的发散角，依次经过扩束模块一和大透镜二后，所述激光光束的口径扩大，完成第一次扩束，得到初扩束光束；

(2)所述初扩束光束入射到分束镜，被分为反射光束和透射光束，反射光束入射到反射镜被反射后再次入射到分束镜，反射光束部分透过分束镜后，依次经过滤波模块和聚焦透镜，最后入射到光电探测器，得到主波信号；

(3)步骤(2)得到的透射光束依次经过大透镜二和发射接收模块后，光束口径再次扩大，完成第二次扩束，得到平行的再扩束光束；

(4)所述再扩束光束传递至远处的测距目标并被反射回来，被发射接收模块收集并会聚，经过大透镜一后，得到平行的返回光束；

(5)所述返回光束入射到分束镜，部分返回光束被反射至滤波模块，然后依次经过聚焦透镜和光电探测器，得到回波信号；

(6)采集到主波信号和回波信号后，通过对比两脉冲信号的时间差，得出测距结果。

10.根据权利要求9所述测距方法，其特征在于，所述主波信号的光强通过改变所述反射镜的反射率进行调节。