CN106289073A - 飞秒激光测距装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种飞秒激光测距装置，包括第一参考光路、第二参考光路以及测量光路，所述第一参考光路和所述第二参考光路具有固定的光程差，所述第一参考光路和所述第二参考光路上分别设置有快门，所述快门用于在测距过程中切换参考光路以使用相应的参考光进行测量。一种飞秒激光测距装置方法，为所述第一参考光和所述第二参考光的干涉信号设定一个死区范围，在数据采集过程中，当所述测量光的干涉信号进入正在使用中的参考光的死区范围时，控制关闭该路参考光所对应的快门，并打开另一路参考光对应的快门；在计算被测物距离时，使用所述固定的光程差对两路参考光之间的切换所带来的测量距离的偏差进行补偿。本发明可有效解决飞秒激光测距存在的死区问题。

Description

飞秒激光测距装置和方法

技术领域

本发明涉及激光测距技术领域，尤其是一种飞秒激光测距装置和方法。

背景技术

目前对于激光测距仪器，分别在测量精度、量程和测距速度等性能上有很大提高，但是在现代科技发展中的工业生产、国防和科研领域等对精密测距技术在实现绝对距离测量的同时更对测量速度、量程和精度三个方面提出更高要求。现有的激光测距仪已经无法满足日益增长的技术发展要求。20世纪末期出现的新型飞秒激光器，使激光测距技术出现了革命性的转机，迅速成为国际上测距研究的一大热点。

在先进的飞秒激光测距原理开发过程中，其原理缺陷之一便是测量光干涉信号与参考光干涉信号接近时出现的混叠现象导致测量无法继续，从而限制整个仪器的测距范围，该现象出现的区域被称为死区。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种飞秒激光测距装置和方法，解决上述死区问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种飞秒激光测距装置，包括第一参考光路、第二参考光路以及测量光路，所述第一参考光路和所述第二参考光路具有固定的光程差，所述第一参考光路和所述第二参考光路上分别设置有快门，所述快门用于在测距过程中切换参考光路以使用相应的参考光进行测量。

进一步地：

所述第一参考光路、第二参考光路以及测量光路经过以下光路配置实现，所述光路配置包括第一反光镜、第二反光镜、第三反光镜、第一分光镜、第二分光镜、第一快门、第二快门，所述第三反光镜与被测物安装在一起，飞秒激光器的信号光通过所述第一分光镜分为参考光和测量光，所述参考光通过所述第二分光镜分为第一参考光和第二参考光，所述第一参考光经过所述第二分光镜的反射后通过所述第一快门，再经过所述第一反光镜的反射后反向通过所述第一快门，再次经过所述第二分光镜的反射后，通过所述第一分光镜后与飞秒激光器的本振光汇合在同一方向上；所述第二参考光通过所述第二分光镜后通过所述第二快门，再经过所述第二反光镜的反射后，反向通过所述第二快门、所述第二分光镜以及所述第一分光镜后与飞秒激光器的本振光汇合在同一方向上，所述测量光经过所述第三反光镜的反射后返回所述第一分光镜，再经过所述第一分光镜的反射后与飞秒激光器的本振光汇合在同一方向上。

所述光路配置还包括设置在所述第一分光镜和所述第三反光镜之间的第三快门。

所述光路配置还包括设置在本振光光路上的半透半反镜，从所述半透半反镜通过的本振光与在所述半透半反镜上反射的所述测量光、所述第一参考光和所述第二参考光汇合在同一方向上。

所述第一快门和所述第二快门分别连接到电机，通过所述电机控制开闭。

一种飞秒激光测距方法，使用所述飞秒激光测距装置进行测距；

其中为所述第一参考光和所述第二参考光的干涉信号设定一个死区范围，在数据采集过程中，当所述测量光的干涉信号进入正在使用中的参考光的死区范围时，控制关闭该路参考光所对应的快门，并打开另一路参考光对应的快门；

其中在计算被测物距离时，使用所述固定的光程差对两路参考光之间的切换所带来的测量距离的偏差进行补偿。

进一步地：

在被测物在逐渐远离飞秒激光器的情况下，当测量光未进入第一参考光的死区时，打开所述第一快门并关闭所述第二快门，当测量光进入第一参考光死区时，打开所述第二快门并关闭所述第一快门。

在被测物在逐渐靠近飞秒激光器的情况下，当测量光未进入第二参考光的死区时，打开所述第二快门并关闭所述第一快门，当测量光进入第二参考光死区时，打开所述第一快门并关闭所述第二快门。

根据以下公式计算被测物距离：

$D=\frac{c}{2n_g}\mathrm{\Δ}t=\frac{c}{2n_g}\mathrm{\Δ}\mathrm{\τ}\frac{\mathrm{\Δ}f}{f_1}$

其中c是光速，n_g为空气折射率，f1为飞秒激光的信号光频率，f2为飞秒激光的本振光频率，Δf＝f1-f2，Δτ为参考光和测量光的干涉信号在时域上因距离产生的时延，根据实时采集的数据进行计算，所述距离计算包括用所述固定的光程差补偿因切换参考光路带来的偏差。

本发明的有益效果包括：

本发明的飞秒激光测距装置和方法通过可切换的双参考光路，使用快门控制双参考光路进行适时切换，可以有效解决飞秒激光测距中死区问题，扩大整个测量仪器的测距范围，实现精准测距。本发明可以广泛用于各种大范围、实时的飞秒激光跟踪测距领域。

附图说明

图1为本发明实施例的测距原理光学系统原理图；

图2、图3、图4表示被测物在逐渐远离激光测距仪的过程；

图5、图6、图7表示被测物在逐渐靠近激光测距仪的过程。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图1，在一种实施例中，一种飞秒激光测距装置，包括第一参考光路、第二参考光路以及测量光路，所述第一参考光路和所述第二参考光路具有固定的光程差，所述第一参考光路和所述第二参考光路上分别设置有快门，所述快门用于在测距过程中切换参考光路以使用相应的参考光进行测量。

如图1所示，在优选的实施例中，所述第一参考光路、第二参考光路以及测量光B路经过以下光路配置实现，所述光路配置包括第一反光镜M1、第二反光镜M2、第三反光镜M3、第一分光镜S1、第二分光镜S2、第一快门O1、第二快门O2，第三反光镜M3与被测物安装在一起，在测距过程中是随被测物同步移动的，D为待测距离，飞秒激光器的信号光S通过所述第一分光镜S1分为参考光和测量光B，所述参考光通过所述第二分光镜S2分为第一参考光A和第二参考光A1，所述第一参考光A经过所述第二分光镜S2的反射后通过所述第一快门O1，再经过所述第一反光镜M1的反射后反向通过所述第一快门O1，再次经过所述第二分光镜S2的反射后，通过所述第一分光镜S1后与飞秒激光器的本振光L汇合在同一方向上；所述第二参考光A1通过所述第二分光镜S2后通过所述第二快门O2，再经过所述第二反光镜M2的反射后，反向通过所述第二快门O2、所述第二分光镜S2以及所述第一分光镜S1后与飞秒激光器的本振光L汇合在同一方向上，所述测量光B经过所述第三反光镜M3的反射后返回所述第一分光镜S1，再经过所述第一分光镜S1的反射后与飞秒激光器的本振光L汇合在同一方向上。

如图1所示，光电探测器PD用来接收测量中的光学信号，将其转化为电信号供后面的计算模块使用。

如图1所示，在进一步优选的实施例中，所述光路配置还包括设置在所述第一分光镜S1和所述第三反光镜M3之间的第三快门O3。

如图1所示，在优选的实施例中，所述光路配置还包括设置在本振光L光路上的半透半反镜，从所述半透半反镜通过的本振光L与在所述半透半反镜上反射的所述测量光B、所述第一参考光A和所述第二参考光A1汇合在同一方向上。

所述第一快门O1和所述第二快门O2可以分别连接到电机(未图示)，电机可以集成在快门结构中，通过所述电机控制开闭。另外第三快门O3也可以配备电机来进行控制。

参阅图1至图7，在另一种实施例中，一种飞秒激光测距方法，其可使用上述任一实施例的飞秒激光测距装置进行测距；

其中为所述第一参考光A和所述第二参考光A1的干涉信号设定一个死区范围，在数据采集过程中，当所述测量光B的干涉信号进入正在使用中的参考光的死区范围时，控制关闭该路参考光所对应的快门，并打开另一路参考光对应的快门；

其中在计算被测物距离时，使用所述固定的光程差对两路参考光之间的切换所带来的测量距离的偏差进行补偿。

参阅图1至图4，在优选实施例中，在被测物在逐渐远离飞秒激光器的情况下，当测量光未进入第一参考光A的死区时，打开所述第一快门并关闭所述第二快门，当测量光进入第一参考光A死区时，打开所述第二快门并关闭所述第一快门。

参阅图1、图5至图7，在优选实施例中，在被测物在逐渐靠近飞秒激光器的情况下，当测量光未进入第二参考光A1的死区时，打开所述第二快门并关闭所述第一快门，当测量光进入第二参考光A1死区时，打开所述第一快门并关闭所述第二快门。

在优选实施例中，根据以下公式计算被测物距离：

$D=\frac{c}{2n_g}\mathrm{\Δ}t=\frac{c}{2n_g}\mathrm{\Δ}\mathrm{\τ}\frac{\mathrm{\Δ}f}{f_1}$

其中c是光速，n_g为空气折射率，f1为飞秒激光的信号光频率，f2为飞秒激光的本振光频率，Δf＝f1-f2，Δτ为参考光和测量光的干涉信号在时域上因距离产生的时延，根据实时采集的数据进行计算，所述距离计算包括用所述固定的光程差补偿因切换参考光路带来的偏差。

以下结合图1至7进一步说明本发明具体实施例的原理。

飞秒激光测距装置设置有两路参考光A、A1和一路测量光B，两路参考光具有固定光程差，在测距过程中根据测量光干涉信号位置交替使用两路参考光。使用快门控制两路参考光及测量光的使用状态。计算距离时通过固定光程差补偿两路参考光切换状态时带来的测量距离的差值。

在原有测距原理中测量光干涉信号与参考光干涉信号十分接近时探测器无法分辨两个干涉信号属性，从而导致采集数据出现混乱，测距无法继续进行，称为测距死区现象；通过增加一路参考光，该参考光与原参考光同源并具有固定的光程差，正常测距中使用其中一个参考光路，当快接近该参考光死区时，将另一路参考光打开，并关闭现用参考光，即切换参考光路，在数据处理过程中将光路切换带了的固定光程差距离进行补偿。

在光路结构设计中，每路光分光镜后面安装一个快门，通过电机控制快门的开关状态，快门打开时激光通过快门参与到测距中；在数据采集过程中为每个参考干涉信号设定一个死区范围，当测量光干涉信号进入死区范围时就会给出相应信号，电机控制系统便会根据情况切换相应快门。

在计算测量距离中，每一次快门切换都会产生两参考光固定光程差对应的距离长度的变化，在计算过程中对该距离变化进行相应的增减距离补偿。

可以在正常工作前对三路光的干涉信号进行判断并标记，同时在参考光干涉信号两侧设置合适的死区范围，确认无误后开始进行正常测距；选取其中一路合适的参考光与测量光结合，对待测物进行的距离值进行采集，当测量光进入参考光死区时，系统会通过快门打开另一路参考光并判断其正确性，确认无误后关闭原使用的参考光，使用新的参考光进行测量，以此规律重复相应参考光路切换，直至测距结束。

快门的作用是控制光的使用状态，快门关闭时相应的一路光便不参与测距，快门打开时，对应光路为有效光路，快门的动作根据测距实际情况反馈的标志信号进行操作，测距开始前需对各路光信号进行标记，此时需要按照程序规定依次打开相应快门，标记完成后关闭其中一路参考光快门，测距可以开始进行，在正常测距中，当测量光进入某一死区时，快门将开始动作，根据标记信号依次打开未使用的参考光路快门，关闭已经处于死区状态的光路快门，以此类推直到测距结束。

图2、图3、图4表示被测物在逐渐远离激光测距仪的过程；图5、图6、图7表示被测物在逐渐靠近激光测距仪的过程。S_XX表示相应干涉信号的位置,其中测量光B的两个干涉信号的位置为S_0B、S_1B，第一参考光A的两个干涉信号的位置为S_0A、S_1A，第二参考光A1的两个干涉信号的位置为S_0A1、S_1A1。图2表示的是测量光B的干涉信号不在任何死区内，使用第一参考光A；图3表示的是测量光B进入第一参考光A的死区范围内，此时切换至第二参考光A1；图4表示的是测量光B进入第二参考光A1的死区范围内，此时切换至第一参考光A。图5表示的是测量光B不在任何死区内，此时使用在此状态前的第二参考光A1；图6表示的是测量光B进入第二参考光A1的死区范围内，此时切换至第一参考光A；图7表示的是测量光B进入第一参考光A的死区范围内，此时切换至第二参考光A1。

计算目标物的测量距离可根据以下公式：

$D=\frac{c}{2n_g}\mathrm{\Δ}t=\frac{c}{2n_g}\mathrm{\Δ}\mathrm{\τ}\frac{\mathrm{\Δ}f}{f_1}$

其中c是光速；n_g为空气折射率，工程光学中一般作为固定常数；测距前光源系统中飞秒激光的信号光频率f1和本振光频率f2经过锁模为确定值，并且非常稳定，Δf＝f1-f2的值在测距前也能够确定；Δτ为两个干涉信号在时域上因距离产生的时延，根据实时采集数据进行计算。

在计算测量距离时，由于切换参考光路后计算的参照点发生变化，计算的距离值会产生固定偏差，通过固定光程差补偿使切换光路带来的偏差得以纠正。

经过实验验证，本发明可以准确无误的解决以往测距方案存在的死区问题。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种飞秒激光测距装置，其特征在于,包括第一参考光路、第二参考光路以及测量光路，所述第一参考光路和所述第二参考光路具有固定的光程差，所述第一参考光路和所述第二参考光路上分别设置有快门，所述快门用于在测距过程中切换参考光路以使用相应的参考光进行测量。

2.如权利要求1所述的飞秒激光测距装置，其特征在于,所述第一参考光路、第二参考光路以及测量光路经过以下光路配置实现，所述光路配置包括第一反光镜、第二反光镜、第三反光镜、第一分光镜、第二分光镜、第一快门、第二快门，所述第三反光镜与被测物安装在一起，飞秒激光器的信号光通过所述第一分光镜分为参考光和测量光，所述参考光通过所述第二分光镜分为第一参考光和第二参考光，所述第一参考光经过所述第二分光镜的反射后通过所述第一快门，再经过所述第一反光镜的反射后反向通过所述第一快门，再次经过所述第二分光镜的反射后，通过所述第一分光镜后与飞秒激光器的本振光汇合在同一方向上；所述第二参考光通过所述第二分光镜后通过所述第二快门，再经过所述第二反光镜的反射后，反向通过所述第二快门、所述第二分光镜以及所述第一分光镜后与飞秒激光器的本振光汇合在同一方向上，所述测量光经过所述第三反光镜的反射后返回所述第一分光镜，再经过所述第一分光镜的反射后与飞秒激光器的本振光汇合在同一方向上。

3.如权利要求1所述的飞秒激光测距装置，其特征在于,所述光路配置还包括设置在所述第一分光镜和所述第三反光镜之间的第三快门。

4.如权利要求2或3所述的飞秒激光测距装置，其特征在于,所述光路配置还包括设置在本振光光路上的半透半反镜，从所述半透半反镜通过的本振光与在所述半透半反镜上反射的所述测量光、所述第一参考光和所述第二参考光汇合在同一方向上。

5.如权利要求1至3任一项所述的飞秒激光测距装置，其特征在于,所述第一快门和所述第二快门分别连接到电机,通过所述电机控制开闭。

6.一种飞秒激光测距方法，其特征在于,使用如权利要求1至5任一项所述的飞秒激光测距装置进行测距；

其中为所述第一参考光和所述第二参考光的干涉信号设定一个死区范围，在数据采集过程中，当所述测量光的干涉信号进入正在使用中的参考光的死区范围时，控制关闭该路参考光所对应的快门，并打开另一路参考光对应的快门；

其中在计算被测物距离时，使用所述固定的光程差对两路参考光之间的切换所带来的测量距离的偏差进行补偿。

7.如权利要求6所述的飞秒激光测距方法，其特征在于,在被测物在逐渐远离飞秒激光器的情况下，当测量光未进入第一参考光的死区时，打开所述第一快门并关闭所述第二快门，当测量光进入第一参考光死区时，打开所述第二快门并关闭所述第一快门。

8.如权利要求6所述的飞秒激光测距方法，其特征在于,在被测物在逐渐靠近飞秒激光器的情况下，当测量光未进入第二参考光的死区时，打开所述第二快门并关闭所述第一快门，当测量光进入第二参考光死区时，打开所述第一快门并关闭所述第二快门。

9.如权利要求6至8任一项所述的飞秒激光测距方法，其特征在于,根据以下公式计算被测物距离：

$D=\frac{c}{2n_g}\mathrm{\Δ}t=\frac{c}{2n_g}\mathrm{\Δ}\mathrm{\τ}\frac{\mathrm{\Δ}f}{f_1}$

其中c是光速，n_g为空气折射率，f1为飞秒激光的信号光频率，f2为飞秒激光的本振光频率，Δf＝f1-f2，Δτ为参考光和测量光的干涉信号在时域上因距离产生的时延，根据实时采集的数据进行距离计算，所述距离计算包括用所述固定的光程差补偿因切换参考光路带来的偏差。