CN106646500B - 一种自适应闭环调整激光测距方法及装置 - Google Patents

一种自适应闭环调整激光测距方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种自适应闭环调整激光测距方法及装置，属于激光测距领域。采用液体透镜替换测量系统中的普通透镜，液体透镜以液体作为介质，通过外加电压改变液体透镜两个曲面的曲率，进而改变其焦距，同时配合使用红外相机，观察光斑和探测器光敏面的相对位置，以达到自适应闭环调整激光测距方法的目的；发明公开的一种自适应闭环调整的激光测距方法及装置，可通过自适应闭环控制液体透镜，改变液体透镜的两个曲面的曲率半径，从而改变液体透镜的焦距，使得回波光斑离焦，避免了近距离测距的回波光斑的能量密度大，探测器容易饱和，精度下降的问题。从而提高测距范围、提高测量精度。

Description

一种自适应闭环调整激光测距方法及装置
技术领域
本发明涉及一种自适应闭环调整激光测距方法及装置，属于激光测距领域。
背景技术
随着脉冲激光器和光电探测器的迅速发展，脉冲激光测距技术以探测距离远、精度高、抗干扰能力强等优点在工业及国防均有广泛的应用。同时，激光测距技术作为激光三维成像的关键技术之一，其测距范围、测量精度和抗干扰能力直接决定了三维成像质量。如何提高激光测距的测距范围、测量精度以及抗干扰性始终是亟需解决的关键问题，尤其是要求探测距离的大范围变化(例如：cm到km级均需要系统正常工作)，对于脉冲激光测距系统提出了严苛的要求。
对于脉冲激光测距，在近距离目标探测的情况下，探测器处于接收透镜的焦点时，回波信号强度过强，能量密度过高，导致探测器容易饱和，从而使得测量精度下降；相反的情况，如果目标距离测距系统较远，或者探测器远离接收透镜的焦点较远时，会导致回波信号微弱，难以有效提取。不仅如此，在实际工况中，脉冲测距系统还有受到外界振动的干扰，尤其是在一些载荷平台上，例如：车载、机载、船载等情况，会导致接收透镜离轴或倾斜，使得探测器与接收系统之间出现相对位置改变，回波信号远离探测器光敏面难以被探测器有效获取。因此，研究一种测距范围大、测量精度高、抗干扰能力强的激光测距系统及方法具有重要的实用价值。
发明内容
本发明的目的是为了提高脉冲激光测距的抗干扰能力，提出了一种自适应闭环调整激光测距方法及装置。
一种自适应闭环调整激光测距方法，采用液体透镜替换测量系统中的普通透镜，液体透镜以液体作为介质，通过外加电压改变液体透镜两个曲面的曲率，进而改变其焦距，同时配合使用红外相机，观察光斑和探测器光敏面的相对位置，以达到自适应闭环调整激光测距方法的目的；
一种自适应闭环调整激光测距装置，包括控制模块、脉冲发生器、触发脉冲、脉冲激光器、发射模块、照射脉冲、目标、回波脉冲、接收模块。
控制模块包括信号处理电路、相机接口和液体透镜驱动电路。
发射模块由准直透镜组和发射透镜组成；
接收模块包括：调整前液体透镜、调整后液体透镜、红外光线、APD探测器、红外相机。
控制模块控制脉冲发生器产生触发脉冲进而触发脉冲激光器发射脉冲激光，此时记为开始时刻；脉冲激光经过发射模块后产生照射脉冲照射在目标；经过目标漫反射或者散射回来的回波脉冲被接收模块接收，经过调整前液体透镜的汇聚作用后，汇聚于APD探测器上；APD探测器将光信号转换成电信号传递给控制模块，控制模块的信号处理电路采集到回波脉冲的峰值时刻，此时刻为停止时刻；停止时刻与开始时刻的差即为飞行时间，通过飞行时间计算目标相对于发射模块的距离信息；同时APD探测器和回波脉冲发出的红外光线可通过红外相机观察，红外相机的图像通过相机接口被控制模块采集，在控制模块上可以同时观测APD探测器和回波脉冲的光斑；当外界环境发生变化时，会导致从红外相机的图像观察到的回波脉冲的光斑大小以及其和探测器的光敏面相对位置发生变化，此时可通过闭环控制，控制液体透镜驱动电路调整液体透镜的两个曲面的曲率半径，变为调整后液体透镜，使得脉冲始终能够被APD探测器探测到，从而提高了测距性能。
当目标距离接收系统较近时，调整前液体透镜将回波脉冲汇聚在APD探测器上，此时调整前的共焦回波光斑尺寸小(能量密度较大)且位于APD光敏面的中心。然而共焦回波光斑的能量密度较大，容易导致APD探测器饱和，不利于短距离的测量，为此需要重新调整光路。可通过液体透镜驱动电路，改变液体透镜的电压，减小液体透镜两个曲面的曲率半径，从而减小液体透镜的焦距，此时的液体透镜为调整后液体透镜。回波脉冲被调整后液体透镜汇聚，此时汇聚点位于APD探测器的前面，即回波脉冲出现了离焦，调整后的离焦回波光斑尺寸大，能量密度较小，APD探测器不易出现饱和的情况，可缩短最小可探测距离。
当在实际测量环境中出现调整前液体透镜离轴时，导致聚焦的光斑与APD探测器的光敏面相切，或者甚至远离APD探测器的光敏面，从红外相机观察到的光斑和探测器的光敏面相对位置分析，表现为调整前的离轴回波光斑(相切)与APD探测器的光敏面相切，或者调整前的离轴回波光斑(远离)远离APD光敏面，显然，此时测距系统将无法正常工作，为此需要重新调整光路。可通过液体透镜驱动电路，改变液体透镜的电压，减小液体透镜两个曲面的曲率半径，从而减小液体透镜的焦距，此时的液体透镜为调整后液体透镜。回波脉冲被调整后液体透镜汇聚，此时汇聚点位于APD探测器的前面。此时从红外相机观察到的光斑和探测器的光敏面相对位置分析，表现为调整后的离轴回波光斑(相交)和APD探测器的光敏面相交，回波脉冲可被APD探测器探测到，因此，本发明可消除外界环境振动导致的离轴使得APD探测器难以探测回波脉冲的问题。
当在实际测量环境中出现调整前液体透镜倾斜的情况时，导致聚焦的光斑与APD探测器的光敏面相切，或者甚至远离APD探测器的光敏面，从红外相机观察到的光斑和探测器的光敏面相对位置分析，表现为调整前的倾斜回波光斑(相切)与APD探测器的光敏面相切，或者调整前的倾斜回波光斑(远离)远离APD探测器的光敏面，显然，此时测距系统也将无法正常工作，需要重新调整光路。可通过液体透镜驱动电路，改变液体透镜的电压，减小液体透镜两个曲面的曲率半径，从而减小液体透镜的焦距，此时的液体透镜为调整后液体透镜。回波脉冲被调整后液体透镜汇聚，此时汇聚点位于APD探测器的前面。此时从红外相机观察到的光斑和探测器的光敏面相对位置分析，表现为调整后的倾斜回波光斑(相交)和APD探测器的光敏面相交，回波脉冲可被APD探测器探测到，因此，本发明可消除外界环境振动导致的倾斜使得APD探测器难以探测回波脉冲的问题。
有益效果
(1)发明公开的一种自适应闭环调整的激光测距方法及装置，可通过自适应闭环控制液体透镜，改变液体透镜的两个曲面的曲率半径，从而改变液体透镜的焦距，使得回波光斑离焦，避免了近距离测距的回波光斑的能量密度大，探测器容易饱和，精度下降的问题。从而提高测距范围、提高测量精度。
(2)本发明公开的一种自适应闭环调整的激光测距方法及装置，采用红外相机直观表示回波光斑大小以及其与探测器光敏面的相对位置，为回波波形调整提供依据。
(3)本发明公开的一种自适应闭环调整的激光测距方法及装置，根据回波光斑大小以及其与探测器的相对位置，利用闭环控制可实时的调整液体透镜的两个曲面的曲率大小，使得回波光斑始终能够被探测器探测到，从而提高了抗外界环境干扰能力。
附图说明
图1为本发明的原理图；
图2为本发明的共焦情况(调整前)的光路图(图2A)和从红外相机观察到的光斑和探测器的光敏面相对位置图(图2B)；
图3为本发明的离焦情况(调整后)的光路图(图3A)和从红外相机观察到的光斑和探测器的光敏面相对位置图(图3B)；
图4为本发明的离轴情况(调整前)的光路图(图4A)和从红外相机观察到的光斑和探测器的光敏面相对位置图(图4B)；
图5为本发明的离轴情况(调整后)的光路图(图5A)和从红外相机观察到的光斑和探测器的光敏面相对位置图(图5B)；
图6为本发明的倾斜情况(调整前)的光路图(图6A)和从红外相机观察到的光斑和探测器的光敏面相对位置图(图6B)；
图7为本发明的倾斜情况(调整后)的光路图(图7A)和从红外相机观察到的光斑和探测器的光敏面相对位置图(图7B)；
其中，1-控制模块、2-脉冲发生器、3-触发脉冲、4-脉冲激光器、5-发射模块、6-准直透镜组、7-发射透镜、8-照射脉冲、9-目标、10-回波脉冲、11-接收模块、12-调整前液体透镜、13-调整后液体透镜、14-红外光线、15-APD探测器、16-红外相机、17-信号处理电路、18-相机接口、19-液体透镜驱动电路、20-APD探测器的光敏面、21-调整前的共焦回波光斑、22-调整后的离焦回波光斑、23-调整前的离轴回波光斑(相切)、24-调整前的离轴回波光斑(远离)、25-调整后的离轴回波光斑(相交)、26-调整前的倾斜回波光斑(相切)、27-调整前的倾斜回波光斑(远离)、28-调整后的倾斜回波光斑(相交)。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
图1为一种自适应闭环调整的激光测距方法及装置的原理图，包括控制模块1、脉冲发生器2、触发脉冲3、脉冲激光器4、发射模块5、准直透镜组6、发射透镜7、照射脉冲8、目标9、回波脉冲10、接收模块11、调整前液体透镜12、调整后液体透镜13、红外光线14、APD探测器15、红外相机16、信号处理电路17、相机接口18、液体透镜驱动电路19。
首先由控制模块1控制脉冲发生器2产生触发脉冲3触发脉冲激光器4发射脉冲激光，此时为开始时刻；脉冲激光经过发射模块5，其中发射模块5包含准直透镜组6和发射透镜7，经过发射透镜7后产生照射脉冲8照射在目标9；然后经过目标9漫反射或者散射回来的回波脉冲10被接收模块11接收，经过调整前液体透镜12的汇聚作用后，回波脉冲10汇聚于APD探测器15上；同时APD探测器15和回波脉冲10的红外光线14照射可通过红外相机16观察，红外相机16的图像通过相机接口18被控制模块1所感应，在控制模块1上可以同时观测到APD探测器15和聚焦的光斑；最后APD探测器15探测到回波脉冲10产生电流信号，电流信号经过信号处理电路17处理后计算峰值时刻为停止时刻，两个时刻差即为飞行时间，通过飞行时间计算目标距离发射模块5的距离信息。当APD探测器15受到外界影响发生变化时，会导致从红外相机16的图像观察到的回波脉冲10光斑的大小以及其和APD探测器15的光敏面20相对位置发生变化，此时可通过控制模块1闭环控制液体透镜驱动电路19，改变液体透镜的驱动，调整液体透镜的两个曲面的曲率半径，变为调整后液体透镜13，使得回波脉冲10始终能够被APD探测器15探测到。
图2为本发明的共焦情况(调整前)的光路图(图2A)和从红外相机观察到的光斑和探测器的光敏面相对位置图(图2B)，当目标9距离接收模块11较近时，调整前液体透镜12将回波脉冲10汇聚在APD探测器15上，此时从红外相机16观察到的调整前的共焦回波光斑21尺寸小(能量密度较大)且位于APD探测器的光敏面20的中心，然而此时的共焦回波光斑21的能量密度较大，容易导致APD探测器15饱和，不利于短距离的测量，为此需要重新调整光路。
图3为本发明的离焦情况(调整后)的光路图(图3A)和从红外相机观察到的光斑和探测器的光敏面相对位置图(图3B)，通过液体透镜驱动电路19，改变液体透镜的电压，减小液体透镜两个曲面的曲率半径，从而减小液体透镜的焦距，此时的液体透镜为调整后液体透镜13。回波脉冲10被调整后液体透镜13汇聚，此时汇聚点位于APD探测器15的前面，即回波脉冲10出现了离焦，调整后的离焦回波光斑22尺寸大，能量密度较小，APD探测器15不易出现饱和的情况，可缩短最小可探测距离。
图4为本发明的离轴情况(调整前)的光路图(图4A)和从红外相机观察到的光斑和探测器的光敏面相对位置图(图4B)，由于在实际测量环境中可能会出现调整前液体透镜12离轴的情况，导致聚焦的光斑与APD探测器15相切，或者甚至远离APD探测器15，从红外相机16观察到的光斑和探测器的光敏面相对位置分析，表现为调整前的离轴回波光斑(相切)23与APD探测器的光敏面20相切，或者调整前的离轴回波光斑(远离)24远离APD探测器的光敏面20，显然，此时测距系统将无法正常工作，为此需要重新调整光路。
图5为本发明的离轴情况(调整后)的光路图(图5A)和从红外相机16观察到的光斑和探测器的光敏面相对位置图(图5B)，通过液体透镜驱动电路19，改变液体透镜的电压，减小液体透镜两个曲面的曲率半径，从而减小液体透镜的焦距，此时的液体透镜为调整后液体透镜13。回波脉冲10被调整后液体透镜13汇聚，此时汇聚点位于APD探测器15的前面。此时从红外相机16观察到的光斑和探测器的光敏面相对位置分析，表现为调整后的离轴回波光斑(相交)25和APD探测器的光敏面20相交，回波脉冲10可被APD探测器15探测到，因此，本发明可消除外界环境导致的离轴使得APD探测器15难以探测回波脉冲10的问题。
图6为本发明的倾斜情况(调整前)的光路图(图6A)和从红外相机16观察到的光斑和探测器的光敏面相对位置图(图6B)，由于在实际测量环境中可能会出现调整前液体透镜12倾斜的情况，导致聚焦的光斑与APD探测器15相切，或者甚至远离APD探测器15，从红外相机16观察到的光斑和探测器的光敏面相对位置分析，表现为调整前的倾斜回波光斑(相切)26与APD探测器的光敏面20相切，或者调整前的倾斜回波光斑(远离)27远离APD探测器的光敏面20，显然，此时测距系统也将无法正常工作，需要重新调整光路。
图7为本发明的倾斜情况(调整后)的光路图(图7A)和光斑和探测器相对位置图(图7B)，通过液体透镜驱动电路19，改变液体透镜的电压，减小液体透镜两个曲面的曲率半径，从而减小液体透镜的焦距，此时的液体透镜为调整后液体透镜13。回波脉冲10被调整后液体透镜13汇聚，此时汇聚点位于APD探测器15的前面。此时从红外相机16观察到的光斑和探测器的光敏面相对位置表现为调整后的倾斜回波光斑(相交)28和APD探测器的光敏面20相交，回波脉冲10可被APD探测器的光敏面20探测到，因此，本发明可消除外界环境导致的倾斜使得APD探测器的光敏面20难以探测回波脉冲10的问题。
综上所述，本发明公开的一种自适应闭环调整的激光测距方法及装置可通过自适应闭环液体透镜调整焦距，改变液体透镜的两个曲面的曲率半径，从而改变液体透镜的焦距，使得回波光斑离焦，避免了近距离测距的回波光斑的能量密度大，探测器容易饱和，精度下降的问题。提高测距范围、提高测量精度，同时消除外界环境发生变化导致的回波光斑离轴和倾斜，使得回波光斑难以探测的问题，从而提高了抗外界环境干扰能力。
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 (6)

1.一种自适应闭环调整激光测距装置，其特征在于：采用液体透镜替换测量系统中的普通透镜；并配合使用相机和液体透镜驱动电路，以达到自适应闭环调整激光测距方法的目的；
包括：控制模块(1)、脉冲发生器(2)、脉冲激光器(4)、发射模块(5)、目标(9)、回波脉冲(10)、接收模块(11)；
控制模块(1)包括信号处理电路(17)、相机接口(18)和液体透镜驱动电路(19)；
接收模块(11)包括：液体透镜、APD探测器(15)、红外相机(16)；
控制模块(1)控制脉冲发生器(2)产生触发脉冲(3)进而触发脉冲激光器(4)发射脉冲激光，此时记为开始时刻；脉冲激光经过发射模块(5)后产生照射脉冲(8)照射在目标(9)；经过目标(9)漫反射或者散射回来的回波脉冲(10)被接收模块(11)接收，经过液体透镜的汇聚作用后，汇聚于APD探测器(15)上；APD探测器(15)将光信号转换成电信号传递给控制模块(1)，控制模块(1)的信号处理电路(17)采集到回波脉冲(10)的峰值时刻，此时刻为停止时刻；停止时刻与开始时刻的差即为飞行时间，通过飞行时间计算目标(9)相对于发射模块(5)的距离信息；同时APD探测器(15)和回波脉冲(10)发出的红外光线(14)可通过红外相机(16)观察，红外相机(16)的图像通过相机接口(18)被控制模块(1)采集，在控制模块(1)上能够同时观测APD探测器(15)和回波脉冲(10)的光斑；透镜驱动电路(19)用于调整液体透镜。
2.如权利要求1所述的一种自适应闭环调整激光测距装置，其特征在于：发射模块(5)由准直透镜组(6)和发射透镜(7)组成。
3.一种基于权利要求1或2所述的自适应闭环调整激光测距装置的测距方法，其特征在于：当外界环境发生变化时，会导致从红外相机的图像观察到的回波脉冲(10)的光斑大小以及其和探测器的光敏面相对位置发生变化，此时可通过闭环控制，控制液体透镜驱动电路调整液体透镜的两个曲面的曲率半径，变为调整后液体透镜，使得脉冲始终能够被APD探测器探测到，从而提高了测距性能。
4.如权利要求3所述的测距方法，其特征在于：所述外界环境发生变化为当目标距离接收系统较近时，调整前液体透镜将回波脉冲汇聚在APD探测器上，此时调整前的共焦回波光斑尺寸小且位于APD光敏面的中心；然而共焦回波光斑的能量密度较大，容易导致APD探测器饱和，不利于短距离的测量，为此需要重新调整光路；可通过液体透镜驱动电路，改变液体透镜的电压，减小液体透镜两个曲面的曲率半径，从而减小液体透镜的焦距，此时的液体透镜为调整后液体透镜；回波脉冲被调整后液体透镜汇聚，此时汇聚点位于APD探测器的前面，即回波脉冲出现了离焦，调整后的离焦回波光斑尺寸大，能量密度较小，APD探测器不易出现饱和的情况，可缩短最小可探测距离。
5.如权利要求3所述的测距方法，其特征在于：所述外界环境发生变化为当在实际测量环境中出现调整前液体透镜离轴时，导致聚焦的光斑与APD探测器的光敏面相切，或者甚至远离APD探测器的光敏面，从红外相机观察到的光斑和探测器的光敏面相对位置分析，表现为调整前的离轴回波光斑与APD探测器的光敏面相切，或者调整前的离轴回波光斑远离APD光敏面，显然，此时测距系统将无法正常工作，为此需要重新调整光路；可通过液体透镜驱动电路，改变液体透镜的电压，减小液体透镜两个曲面的曲率半径，从而减小液体透镜的焦距，此时的液体透镜为调整后液体透镜；回波脉冲被调整后液体透镜汇聚，此时汇聚点位于APD探测器的前面；此时从红外相机观察到的光斑和探测器的光敏面相对位置分析，表现为调整后的离轴回波光斑和APD探测器的光敏面相交，回波脉冲可被APD探测器探测到，因此，本发明可消除外界环境振动导致的离轴使得APD探测器难以探测回波脉冲的问题。
6.如权利要求3所述的测距方法，其特征在于：所述外界环境发生变化为当在实际测量环境中出现调整前液体透镜倾斜的情况时，导致聚焦的光斑与APD探测器的光敏面相切，或者甚至远离APD探测器的光敏面，从红外相机观察到的光斑和探测器的光敏面相对位置分析，表现为调整前的倾斜回波光斑与APD探测器的光敏面相切，或者调整前的倾斜回波光斑远离APD探测器的光敏面，显然，此时测距系统也将无法正常工作，需要重新调整光路；可通过液体透镜驱动电路，改变液体透镜的电压，减小液体透镜两个曲面的曲率半径，从而减小液体透镜的焦距，此时的液体透镜为调整后液体透镜；回波脉冲被调整后液体透镜汇聚，此时汇聚点位于APD探测器的前面；此时从红外相机观察到的光斑和探测器的光敏面相对位置分析，表现为调整后的倾斜回波光斑和APD探测器的光敏面相交，回波脉冲可被APD探测器探测到，因此，本发明可消除外界环境振动导致的倾斜使得APD探测器难以探测回波脉冲的问题。
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