CN105738884A - 一种基于液体透镜的自适应激光测距系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于液体透镜的自适应激光测距系统，属于光学测量领域。本发明包括测距平台、L型支架、条形孔、发射模块和接收模块；其中发射模块包括激光管、发射电路板固定架、发射电路板以及发射光学模块；接收模块包括接收探测器、接收后盖、接收电路板、接收电路板固定架以及液体透镜模块。本发明可以根据不同距离的目标，获得最佳的回波波形，相比较传统光学系统，具有体积小、结构紧凑特点，能够显著提高回波的接收强度，使得探测距离增加，还能有效抑制因波形饱和时引起的测距误差。

Description

一种基于液体透镜的自适应激光测距系统

技术领域

本发明涉及一种基于液体透镜的自适应激光测距系统，属于光学测量领域。

背景技术

脉冲激光测距法是利用激光器对目标发射一个极窄的脉冲，测量激光脉冲在目标与传感器之间的飞行时间(TOF：timeofflight)，计算二者之间的距离。设光在空气中的传播速度为c，激光的往返时间为t，则目标的距离为R＝ct/2。基于TOF的测量方式具有探测距离远(km级)，抗干扰性强，因此被广泛应用于军用与民用领域。测距精度一直是脉冲激光测距的重要指标之一，其主要由飞行时间的准确获取决定，即对目标回波的准确提取决定，而飞行时间获取的关键在于回波时刻鉴别。目前，已有许多关于提高测距方面的方法被提出，比如：前沿判别、峰值时刻鉴别、型心法、恒比定时、高通容阻等鉴别方法等，上述方法可以分为两类，一类为基于电路，比如：前沿法、峰值法、恒比定时、高通容阻；一类基于算法，比如：形心法，通过软件实现。但无论哪种方法，均需要以优良的回波波形作为高精度测量作为保证。传统的测距系统因均采用焦距固定的光学器件实现回波采集，对于过强或过弱的信号都无法适应，不仅会导致测距精度的下降，还会降低测距范围减小。

因此，为提高回波波形的质量，本发明提出一种基于液体透镜的自适应测距系统。通过液体透镜对回波波形改变，以提高激光测距精度及测量范围。

发明内容

本发明针对传统激光测距系统因定焦而无法获取优良波形的缺点，提出了一种基于液体透镜的自适应激光测距系统。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种基于液体透镜的自适应激光测距系统，包括测距平台、L型支架、条形孔、发射模块和接收模块。L型支架的底部有两个条形孔，通过条形孔配合紧定螺钉将整套系统固定在测距平台上，L型支架的顶端有两个圆孔，配合两个紧定螺钉分别将发射模块和接收模块固定到支架上。

发射模块的内部结构中，包括激光管、发射电路板固定架、发射电路板以及发射光学模块，激光管通过焊接固定在发射电路板中心位置，发射电路板通过发射电路板螺钉固定到发射电路板固定架上，利用带有螺纹的连接套，通过螺纹连接将发射电路板固定架与发射光学模块相连构成发射模块。

发射光学模块的内部结构中，包括透镜前压圈、透镜后压圈、发射安装架、透镜Ⅰ和透镜Ⅱ，透镜前压圈和透镜后压圈上分别带有外螺纹，发射安装架前后两端的内侧分别带有与之配合的内螺纹，通过螺纹连接将透镜Ⅰ固定在透镜后压圈与发射安装架后端的内部凸台之间，将透镜Ⅱ固定在透镜前压圈与发射安装架前端的内部凸台之间，通过旋转透镜后压圈与透镜前压圈两侧的凹槽来调节松紧并实现该模块的拆分。

接收模块的内部结构中，包括接收探测器、接收后盖、接收电路板、接收电路板固定架以及液体透镜模块，接收探测器通过焊接固定在接收电路板的中心位置，而接收电路板再通过接收电路板螺钉固定到接收后盖上，利用带有螺纹的连接套，通过螺纹连接将接收电路板固定架与液体透镜模块相连构成接收模块。

液体透镜模块的内部结构中，包括平晶片、连接套、薄膜、薄膜前压圈、薄膜后压圈、支撑架和液体注入口，平晶片为透明材料的平板，连接套前端带有凹槽，用于放置平晶片，平晶片放入凹槽后，两者间的缝隙用密封胶填塞。薄膜为透明弹性薄膜，通过薄膜后压圈以及薄膜前压圈固定到支撑架的前端，薄膜前压圈含有凹陷的导槽，薄膜后压圈含有与之配合的凸台，同时对薄膜前压圈与薄膜后压圈施加压力，将薄膜挤压在薄膜前压圈与薄膜后压圈之间，用密封胶填塞薄膜前压圈与薄膜后压圈因挤压不匀而产生的缝隙，支撑架再通过过盈配合与连接套相连，在支撑架有一小孔作为液体透镜模块的液体注入口，液体注入口连接的是一个微流泵，它用来控制液体对薄膜压力大小改变液体透镜的曲率。

有益效果

本发明基于液体透镜的变焦特性，实现适应激光测距系统，其有益效果包括：

(1)基于液体透镜曲率可变的特性，测距系统相比较传统测距能够提高测距的自适应性，即可以根据不同距离的目标，获得最佳的回波波形；

(2)采用液体透镜进行测距，相比较传统光学系统，体积小、结构紧凑；

(3)通过液体变焦特性，能够显著提高回波的接收强度，使得探测距离增加；

(4)基于液体透镜的变曲率特性，能够有效抑制因波形饱和时引起的测距误差。

附图说明

图1为本发明的系统结构图；

图2为本发明的发射模块轴测图(图2-A)与拆分图(图2-B)；

图3为本发明的发射光学模块轴测图；

图4为本发明的接收模块轴测图(图4-A)与拆分图(图4-B)；

图5为本发明的液体透镜模块拆分图；

图6为本发明的液体透镜模块装配剖视图；

图7为本发明的液体透镜在弱回波时的工作状态示意图；

图8为本发明的液体透镜在弱回波时的回波曲线图；

图9为本发明的液体透镜在强回波时的工作状态示意图；

图10为本发明的液体透镜在强回波时的回波曲线图。

其中，1-L型支架、2-条形孔、3-接收模块、4-紧定螺钉、5-发射模块、6-测距平台、7-发射电路板固定架、8-连接套Ⅰ、9-发射电路板、10-激光管、11-发射光学模块、12-发射电路板螺钉、13-发射光轴、14-透镜后压圈、15-透镜Ⅰ、16-发射安装架、17-透镜Ⅱ、18-透镜前压圈、19-接收光轴、20-接收后盖、21-接收电路板、22-接收探测器、23-接收电路板螺钉、24-液体透镜模块、25-连接套Ⅱ、26-平晶片、27-支撑架、28-液体注入口、29-薄膜后压圈、30-薄膜、31-薄膜前压圈、32-填充液体、33-平行光线、34-聚焦位置、35-正常回波曲线、36-弱光回波曲线、37-强光回波曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。

图1，一种基于液体透镜的自适应激光测距系统，由L型支架1、条形孔2、接收模块3、紧定螺钉4、发射模块5和测距平台6组成。接收模块3和发射模块5旋入L型支架1上的两个圆孔后，分别通过紧定螺钉4固定在L型支架上，条形孔2可以用来将整个系统固定在测距平台6上并具有一定的移动空间。

图2描述了发射模块5的具体组成结构及其连接关系。图2-A为发射模块5轴测图，连接套Ⅰ8上带有螺纹，通过螺纹连接将发射电路板固定架7与发射光学模块11相连构成发射模块5。图2-B为发射模块5拆分图，激光管10通过焊接固定在发射电路板9的中心位置，而发射电路板9通过两个对称的发射电路板螺钉12固定在发射电路板固定架7上。

图3描述了发射光学模块11内部的组成与装配关系，所有构件均以发射光轴13为对称中心，透镜前压圈18和透镜后压圈14上分别带有外螺纹，发射安装架16前后两端的内侧分别带有与之配合的内螺纹，通过螺纹连接将透镜Ⅰ15固定在透镜后压圈14与发射安装架16后端的内部凸台之间，将透镜Ⅱ17固定在透镜前压圈18与发射安装架16前端的内部凸台之间，通过旋转透镜后压圈14与透镜前压圈18两侧的凹槽来调节松紧并实现该模块的拆分。

图4描述了接收模块3的具体组成结构及其连接关系。图4-A为接收模块3轴测图，连接套Ⅱ25上带有螺纹，通过螺纹连接将接收后盖20与液体透镜模块24相连构成接收模块3。图4-B为接收模块3拆分图，所有构件均以接收光轴19为对称中心，接收探测器22通过焊接固定在接收电路板21的中心位置，而接收电路板21再通过两个对称的接收电路板螺钉23固定到接收后盖20上。

图5描述了液体透镜模块24内部的组成与装配关系，所有构件均以接收光轴19为对称中心，平晶片26为透明材料的平板，例如：玻璃，连接套Ⅱ25前端带有凹槽，用于放置平晶片26，平晶片26放入凹槽后，两者间的缝隙用密封胶填塞。薄膜30需为透明弹性薄膜，例如PDMS材料，薄膜30通过薄膜后压圈29以及薄膜前压圈31固定到支撑架27的前端，薄膜前压圈31含有凹陷的导槽，薄膜后压圈29含有与之配合的凸台，同时对薄膜前压圈31与薄膜后压圈29施加压力，将薄膜30挤压在薄膜前压圈31与薄膜后压圈29之间，用密封胶填塞薄膜前压圈31与薄膜后压圈29因挤压不匀而产生的缝隙，支撑架27再通过过盈配合与连接套Ⅱ25相连，在支撑架27有一小孔作为液体透镜模块24的液体注入口28。

图6为液体透镜模块24的内部结构，连接套Ⅱ25与支撑架27之间形成的空间用来填充从液体注入口28注入的填充液体32，平晶片26与连接套Ⅱ25之间、支撑架27与薄膜后压圈29之间、薄膜后压圈29与薄膜30之间以及薄膜30与薄膜前压圈31之间的缝隙用密封胶填塞，防止填充液体32外溢，液体注入口28连接的是一个微流泵，它可以用来控制液体对薄膜压力大小改变液体透镜的曲率，从而实现液体透镜的变焦功能。

图7为液体透镜在弱回波时的工作状态，当检测到的回波较弱时，其回波曲线如图8所示，正常回波曲线35的强度高于弱回波曲线36。在此种情况下，通过微流泵控制填充液体32对薄膜30压力大小来改变液体透镜的曲率，使得当回波以平行光线33照射到液体透镜时，其焦点位置刚好在聚焦位置34处，也就是接收探测器22的中心位置，此时液体透镜模块24工作在聚焦状态下，从而去接收足够强的回波，调整至正常回波曲线35。

图9为液体透镜在强回波时的工作状态，当接收到的回波较强时，其回波曲线如图10所示，强光回波曲线37的顶部较为平滑，呈饱和状态，强度也比正常回波曲线35大，且波形更宽，降低测距精度。此种情况下，通过微流泵控制填充液体32对薄膜30压力大小来改变液体透镜的曲率，使得当回波以平行光线33照射到液体透镜时，其焦点位置在接收探测器22的后方，此时液体透镜模块24工作在离焦状态下，削弱了探测器对回波的响应，从而防止波形饱和，使得强回波曲线37调整至正常回波曲线35。

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 (7)

1.一种基于液体透镜的自适应激光测距系统，其特征在于，包括测距平台、L型支架、条形孔、发射模块和接收模块；所述发射模块包括激光管、发射电路板固定架、发射电路板以及发射光学模块；所述接收模块包括接收探测器、接收后盖、接收电路板、接收电路板固定架以及液体透镜模块；连接关系为：L型支架的底部有两个条形孔，通过条形孔配合紧定螺钉将整套系统固定在测距平台上，L型支架的顶端有两个圆孔，配合两个紧定螺钉分别将发射模块和接收模块固定到支架上。

2.根据权利要求1所述的一种基于液体透镜的自适应激光测距系统，其特征在于：所述的发射模块包括激光管、发射电路板固定架、发射电路板以及发射光学模块；连接关系为：激光管通过焊接固定在发射电路板中心位置，发射电路板通过发射电路板螺钉固定到发射电路板固定架上，利用带有螺纹的连接套，通过螺纹连接将发射电路板固定架与发射光学模块相连构成发射模块。

3.根据权利要求1和2所述的一种基于液体透镜的自适应激光测距系统，其特征在于：所述的发射光学模块包括透镜前压圈、透镜后压圈、发射安装架、透镜Ⅰ和透镜Ⅱ；连接关系为：透镜前压圈和透镜后压圈上分别带有外螺纹，发射安装架前后两端的内侧分别带有与之配合的内螺纹，通过螺纹连接将透镜Ⅰ固定在透镜后压圈与发射安装架后端的内部凸台之间，将透镜Ⅱ固定在透镜前压圈与发射安装架前端的内部凸台之间，通过旋转透镜后压圈与透镜前压圈两侧的凹槽来调节松紧并实现该模块的拆分。

4.根据权利要求1所述的一种基于液体透镜的自适应激光测距系统，其特征在于：所述的接收模块包括接收探测器、接收后盖、接收电路板、接收电路板固定架以及液体透镜模块；连接关系为：接收探测器通过焊接固定在接收电路板的中心位置，而接收电路板再通过接收电路板螺钉固定到接收后盖上，利用带有螺纹的连接套，通过螺纹连接将接收电路板固定架与液体透镜模块相连构成接收模块。

5.根据权利要求1和4所述的一种基于液体透镜的自适应激光测距系统，其特征在于：所述的液体透镜模块包括平晶片、连接套、薄膜、薄膜前压圈、薄膜后压圈、支撑架和液体注入口；连接关系为：连接套前端带有凹槽，用于放置平晶片，平晶片放入凹槽后，两者间的缝隙用密封胶填塞；薄膜通过薄膜后压圈以及薄膜前压圈固定到支撑架的前端，薄膜前压圈含有凹陷的导槽，薄膜后压圈含有与之配合的凸台，同时对薄膜前压圈与薄膜后压圈施加压力，将薄膜挤压在薄膜前压圈与薄膜后压圈之间，用密封胶填塞薄膜前压圈与薄膜后压圈因挤压不匀而产生的缝隙，支撑架再通过过盈配合与连接套相连，在支撑架有一小孔作为液体透镜模块的液体注入口，液体注入口连接的是一个微流泵，用来控制液体对薄膜压力大小改变液体透镜的曲率。

6.根据权利要求1、4和5所述的一种基于液体透镜的自适应激光测距系统，其特征在于：所述的平晶片为透明材料的平板。

7.根据权利要求1、4和5所述的一种基于液体透镜的自适应激光测距系统，其特征在于：所述的薄膜为透明弹性薄膜。