CN109375233A - 一种基于光轨道角动量空间复用的激光测距仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光轨道角动量空间复用的激光测距仪，包括激光器、第一分束器、第一调制器、第二调制器、第一振荡器、第二振荡器、第一相位计、第一空间光调制器、第二空间光调制器、合束器、光学发射天线、光学接收天线、第二分束器、第三空间光调制器、第四空间光调制器、第一光电探测器、第二光电探测器、第二相位计、MCU和显示器。本发明利用两个带有不同轨道角动量的光波，携带不同频率的载波，测量两个载波之间的相位差的变化，可以在一个较大的范围内测得距离。避免了多个频率的粗测，提高测量速度。利用光轨道角动量空间，两个调幅波经过的空间路径完全相同，在求两者相差时，可以去除温度、空气湍流等因素对相位的影响，提高了精度。

Description

一种基于光轨道角动量空间复用的激光测距仪
技术领域
本发明属于测量技术领域，尤其涉及一种基于光轨道角动量空间复用的激光测距仪。
背景技术
由于激光测距具有高精度、高分辨力、探测距离远，抗干扰能力强、对光源相干性要求低等特点，因此被广泛的应用于工业、航空航天、军事、大地大气探测和机器人技术等领域。目前激光测距的方法主要有两类：1、脉冲法激光测距是直接计算发射脉冲和接收脉冲之间的时间间隔来实现距离测量。2、相位式激光测距，是通过测量强度调制的正弦波往返被测距离后产生的相移来测量距离的。
前者由于光速较快，导致时间间隔较短，无法提高测量精度。后者需要采用一个测尺频率f1时，显示器上就只有不足一周的相位差ΔΦ所相应的测距尾数，超过一周的整周数N所相应的测距整尺数就无法知道，为此，相位式测距仪的主振和本振二个部件中还包含一组粗测尺的振荡频率，即主振频率f2,f3…和本振频率f2′,f3′…。如前所述，若用粗测尺频率进行同样的测量，把精测尺与一组粗测尺的结果组合起来，才能得到整个待测距离的数值。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于光轨道角动量空间复用的激光测距仪。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：
一种基于光轨道角动量空间复用的激光测距仪，其特征在于，包括：激光器、第一分束器、第一调制器、第二调制器、第一振荡器、第二振荡器、第一相位计、第一空间光调制器、第二空间光调制器、合束器、光学发射天线、光学接收天线、第二分束器、第三空间光调制器、第四空间光调制器、第一光电探测器、第二光电探测器、第二相位计、MCU和显示器；
所述激光器输出端连接第一分束器输入端，
所述第一分束器的一个输出端连接第一调制器的光信号输入端，所述第一调制器的电信号输入端连接第一振荡器的一个输出端，所述第一振荡器的另一个输出端连接第一相位计的一个输入端，所述第一调制器的输出端连接第一空间光调制器的输入端，所述第一空间光调制器的输出端连接合束器的一个输入端，
所述第一分束器的另一个输出端连接第二调制器的光信号输入端，所述第二调制器的电信号输入端连接第二振荡器的一个输出端，所述第二振荡器的另一个输出端连接第一相位计的另一个输入端，所述第一相位计的输出端连接MCU的一个输入端，所述第二调制器的输出端连接第二空间光调制器的输入端，所述第二空间光调制器的输出端连接合束器的另一个输入端，所述合束器的输出端连接光学发射天线的输入端，所述光学发射天线输出的光照射到测量物体，测量物体将光反射回所述光学接收天线，
所述光学接收天线的输出端连接第二分束器的输入端，所述第二分束器的一个输出端连接第三空间光调制器的输入端，所述第三空间光调制器的输出端连接第一光电探测器的输入端，所述第一光电探测器的输出端连接第二相位计的一个输入端，
所述第二分束器的另一个输出端连接第四空间光调制器的输入端，所述第四空间光调制器的输出端连接第二光电探测器的输入端，所述第二光电探测器的输出端连接第二相位计的另一个输入端，所述第二相位计的输出端连接MCU的另一个输入端，所述MCU的输出端连接所述显示器的输入端。
更进一步的技术方案是，所述激光器为砷化镓半导体激光器或氦-氖气体激光器。前者一般用于短程测距仪中，后者用于中远程测距仪中。
更进一步的技术方案是，所述第一振荡器和第二振荡器采用LC正弦波振荡器。
更进一步的技术方案是，所述第一调制器和第二调制器采用根据普克尔斯效应制作的普克尔斯调制器。
更进一步的技术方案是，所述第一相位计和第二相位计采用数字式相位差测量仪。
更进一步的技术方案是，所述第一空间光调制器、第二空间光调制器、第三空间光调制器和第四空间光调制器采用螺旋相位片。
更进一步的技术方案是，所述第一光电探测器和第二光电探测器采用光电二极管、雪崩光电二极管或光电倍增管中的一种。
更进一步的技术方案是，所述MCU采用嵌入式处理器。用于计算最后得到的距离。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提出利用两个带有不同轨道角动量的光波，携带不同频率的载波，测量两个载波之间的相位差的变化，可以在一个较大的范围内测得距离。避免了多个频率的粗测，提高测量速度。利用光轨道角动量空间，两个调幅波经过的空间路径完全相同，在求两者相差时，可以去除温度、空气湍流等因素对相位的影响，提高了精度。
附图说明
图1是本发明的原理框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
如图1所示，一种基于光轨道角动量空间复用的激光测距仪，包括：激光器、第一分束器、第一调制器、第二调制器、第一振荡器、第二振荡器、第一相位计、第一空间光调制器、第二空间光调制器、合束器、光学发射天线、光学接收天线、第二分束器、第三空间光调制器、第四空间光调制器、第一光电探测器、第二光电探测器、第二相位计、MCU和显示器；
所述激光器输出端连接第一分束器输入端，所述第一分束器的一个输出端连接第一调制器的光信号输入端，所述第一调制器的电信号输入端连接第一振荡器的一个输出端，所述第一振荡器的另一个输出端连接第一相位计的一个输入端，所述第一调制器的输出端连接第一空间光调制器的输入端，所述第一空间光调制器的输出端连接合束器的一个输入端，所述第一分束器的另一个输出端连接第二调制器的光信号输入端，所述第二调制器的电信号输入端连接第二振荡器的一个输出端，所述第二振荡器的另一个输出端连接第一相位计的另一个输入端，所述第一相位计的输出端连接MCU的一个输入端，所述第二调制器的输出端连接第二空间光调制器的输入端，所述第二空间光调制器的输出端连接合束器的另一个输入端，所述合束器的输出端连接光学发射天线的输入端，所述光学发射天线输出的光照射到测量物体，测量物体将光反射回所述光学接收天线，所述光学接收天线的输出端连接第二分束器的输入端，所述第二分束器的一个输出端连接第三空间光调制器的输入端，所述第三空间光调制器的输出端连接第一光电探测器的输入端，所述第一光电探测器的输出端连接第二相位计的一个输入端，所述第二分束器的另一个输出端连接第四空间光调制器的输入端，所述第四空间光调制器的输出端连接第二光电探测器的输入端，所述第二光电探测器的输出端连接第二相位计的另一个输入端，所述第二相位计的输出端连接MCU的另一个输入端，所述MCU的输出端连接所述显示器的输入端。
所述激光器为砷化镓半导体激光器或氦-氖气体激光器。前者一般用于短程测距仪中，后者用于中远程测距仪中。
所述第一振荡器和第二振荡器采用LC正弦波振荡器。
所述第一调制器和第二调制器采用根据普克尔斯效应制作的普克尔斯调制器。
所述第一相位计和第二相位计采用数字式相位差测量仪。
所述第一空间光调制器、第二空间光调制器、第三空间光调制器和第四空间光调制器采用螺旋相位片。
所述第一光电探测器和第二光电探测器采用光电二极管、雪崩光电二极管或光电倍增管中的一种。
所述MCU采用嵌入式处理器。用于计算最后得到的距离。
基本原理：
第一振荡器和第二振荡器的频率分别为f1和f2(f1＞f2)，角频率ω1＝2πf1、ω2＝2πf2，发射时刻t的相位差为两者接收时的相位差为光线经过测量物体反射后的两者的相位差增加了
假设激光在测量距离上往返的时间为t2D，则有下式：
当n＝0时需要满足：
此时测量距离需要满足条件：
其中C为光速。
当f1＝10.01MHz、f2＝10MHz时，测量范围:
在此范围内，只需比较两个载波相位差的变化，而不必计算总共有多少个波长。
距离在此范围内：
工作过程：
由激光器所发出的激光，经第一分束器分成两束，其中一束进入第一调制器，被来自第一振荡器的频率为f1的测距信号所调制成为第一调幅波，另一束进入第二调制器，被来自第二振荡器的频率为f2的测距信号所调制成为第二调幅波，第一调幅波通过第一空间光调制器调制成轨道角动量为+1的光束，第二调幅波通过第二空间光调制器调制成轨道角动量为-1的光束，两束光束经合束器后通过光学发射天线发射，光照射到测量物体，测量物体将光反射回光学接收天线后通过第二分束器分为两束，其中一束通过第三空间光调制器调制成轨道角动量为+1的光束，再通过第一光电探测器转换为频率为f1的电信号，另一束通过第四空间光调制器调制成轨道角动量为-1的光束，再通过第二光电探测器转换为频率为f2的电信号，第一相位计测量两个振荡器产生信号的相差第二相位计测量接收到的测量信号相差再利用MCU计算出相位差就可获得距离：式中C为光速，再通过显示器进行显示。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种基于光轨道角动量空间复用的激光测距仪，其特征在于，包括：激光器、第一分束器、第一调制器、第二调制器、第一振荡器、第二振荡器、第一相位计、第一空间光调制器、第二空间光调制器、合束器、光学发射天线、光学接收天线、第二分束器、第三空间光调制器、第四空间光调制器、第一光电探测器、第二光电探测器、第二相位计、MCU和显示器；
所述激光器输出端连接第一分束器输入端，
所述第一分束器的一个输出端连接第一调制器的光信号输入端，所述第一调制器的电信号输入端连接第一振荡器的一个输出端，所述第一振荡器的另一个输出端连接第一相位计的一个输入端，所述第一调制器的输出端连接第一空间光调制器的输入端，所述第一空间光调制器的输出端连接合束器的一个输入端，
所述第一分束器的另一个输出端连接第二调制器的光信号输入端，所述第二调制器的电信号输入端连接第二振荡器的一个输出端，所述第二振荡器的另一个输出端连接第一相位计的另一个输入端，所述第一相位计的输出端连接MCU的一个输入端，所述第二调制器的输出端连接第二空间光调制器的输入端，所述第二空间光调制器的输出端连接合束器的另一个输入端，所述合束器的输出端连接光学发射天线的输入端，所述光学发射天线输出的光照射到测量物体，测量物体将光反射回所述光学接收天线，
所述光学接收天线的输出端连接第二分束器的输入端，所述第二分束器的一个输出端连接第三空间光调制器的输入端，所述第三空间光调制器的输出端连接第一光电探测器的输入端，所述第一光电探测器的输出端连接第二相位计的一个输入端，
所述第二分束器的另一个输出端连接第四空间光调制器的输入端，所述第四空间光调制器的输出端连接第二光电探测器的输入端，所述第二光电探测器的输出端连接第二相位计的另一个输入端，所述第二相位计的输出端连接MCU的另一个输入端，所述MCU的输出端连接所述显示器的输入端。
2.根据权利要求1所述的一种基于光轨道角动量空间复用的激光测距仪，其特征在于，所述激光器为砷化镓半导体激光器或氦-氖气体激光器。
3.根据权利要求1所述的一种基于光轨道角动量空间复用的激光测距仪，其特征在于，所述第一振荡器和第二振荡器采用LC正弦波振荡器。
4.根据权利要求1所述的一种基于光轨道角动量空间复用的激光测距仪，其特征在于，所述第一调制器和第二调制器采用根据普克尔斯效应制作的普克尔斯调制器。
5.根据权利要求1所述的一种基于光轨道角动量空间复用的激光测距仪，其特征在于，所述第一相位计和第二相位计采用数字式相位差测量仪。
6.根据权利要求1所述的一种基于光轨道角动量空间复用的激光测距仪，其特征在于，所述第一空间光调制器、第二空间光调制器、第三空间光调制器和第四空间光调制器采用螺旋相位片。
7.根据权利要求1所述的一种基于光轨道角动量空间复用的激光测距仪，其特征在于，所述第一光电探测器和第二光电探测器采用光电二极管、雪崩光电二极管或光电倍增管中的一种。
8.根据权利要求1所述的一种基于光轨道角动量空间复用的激光测距仪，其特征在于，所述MCU采用嵌入式处理器。
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