CN110045385B - 一种基于分离谐振腔的激光测距系统 - Google Patents

一种基于分离谐振腔的激光测距系统 Download PDF

Info

Publication number
CN110045385B
CN110045385B CN201910295344.2A CN201910295344A CN110045385B CN 110045385 B CN110045385 B CN 110045385B CN 201910295344 A CN201910295344 A CN 201910295344A CN 110045385 B CN110045385 B CN 110045385B
Authority
CN
China
Prior art keywords
retro
phase
resonant
laser
ranging
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910295344.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110045385A (zh
Inventor
邓浩
刘庆文
白云峰
方稳
熊明亮
张清清
黄卓仪
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tongji University
Original Assignee
Tongji University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tongji University filed Critical Tongji University
Priority to CN201910295344.2A priority Critical patent/CN110045385B/zh
Publication of CN110045385A publication Critical patent/CN110045385A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110045385B publication Critical patent/CN110045385B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

本发明涉及一种基于分离谐振腔的激光测距系统，包括测距主机和合作目标，合作目标布置于待测目标的表面；测距主机包括第一回复反射结构、增益模块、主控系统和分别与主控系统连接的泵浦模块、第一通信装置、调制器、相位鉴定器，泵浦模块为第一回复反射结构提供泵浦；合作目标包括依次连接的第二通信装置、电能转换器、光电转换器、全反射镜和第二回复反射结构；第一回复反射结构发出的共振光束在与第二回复反射结构形成的长腔激光器中来回反射。与现有技术相比，本发明采用分离谐振腔结构，通过高功率密度的共振激光光束传输实现了0‑50米范围的测距，共振光束在谐振腔内来回反射可随时被侵入异物中断从而保证高功率密度应用下的安全。

Description

一种基于分离谐振腔的激光测距系统
技术领域
本发明涉及激光测距领域，尤其是涉及一种基于分离谐振腔的激光测距系统。
背景技术
激光测距技术在智能设备、工业制造、航空航天、测绘遥感等领域有广泛应用，具有无接触、实时快速、高精度和大范围的优点。激光测距目前主要分为三种方法：三角法、干涉法和飞行时间法。其中，飞行时间法因精度高、范围广、结构简单而被广泛应用在智能设备、工业制造等小型激光测距仪中，它又可分为脉冲飞行时间法和相位测距法。
对于智能设备、工业制造领域的近距离应用(0-50米范围)，脉冲飞行时间法由于精度不易提高，或者高精度测距需要昂贵的脉冲计数器(要实现10mm的测距精度需要高达30GHz的脉冲计数器)而不适合使用，因此，选择相位测距法为核心方案。相位测距法能够在几十米范围内实现非接触、高精度的距离测量。在测量时，相位测距法使用强度调制的方法调制激光信号，通过测量参考信号与经反射回的待测信号间的相位延迟获得光信号传播时间，从而确定待测距离。通常相位测距法使用的待测信号调制频率越高、相位测量精度越高，最终的距离测量精度就越高。因此，要提高相位法激光测距的测量精度，关键在于能够准确地测量参考信号与待测信号的相位延迟。
传统的相位延迟测量方法主要分为数字鉴相和模拟鉴相。数字鉴相的核心是通过对两路信号进行数字采样，再对采样结果计算得到两路信号间相位延迟，但是实时处理难度大，成本较高。模拟鉴相主要受待测信号幅度影响。可以看出，增强待测信号功率密度提升信号幅度的可调制空间，可同时加强数字鉴相和模拟鉴相测量相位延迟的准确度。然而现有激光测距技术主要采用腔外激光，由于安全原因在智能设备、工业制造的大多应用场景中无法提高功率密度。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于分离谐振腔的激光测距系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于分离谐振腔的激光测距系统，包括测距主机和合作目标，所述合作目标布置于待测目标的表面；所述测距主机包括第一回复反射结构、增益模块、主控系统和分别与主控系统连接的泵浦模块、第一通信装置、调制器、相位鉴定器，所述泵浦模块为增益模块提供泵浦；所述合作目标包括依次连接的第二通信装置、电能转换器、光电转换器、全反射镜和第二回复反射结构；所述第一回复反射结构发出的共振光束在与第二回复反射结构形成的长腔激光器中来回反射，所述调制器用于调制共振光束的发射相位，所述相位鉴定器用于鉴定共振光束的接收相位，所述第一通信装置与第二通信装置连接。
优选的，所述测距主机的主控系统基于正交调制激光相位测距法实现距离测量。
优选的，所述相位鉴定器通过鉴定反射的共振光束通过第一回复反射结构的泄漏光束，获得待测相位延迟。
优选的，所述调制器采用多测尺频率调制，测尺频率包括1.5MHz、15MHz、150MHz。
优选的，所述第一回复反射结构和第二回复反射结构都采用高反射率的部分反射镜。
优选的，所述第一回复反射结构与第二回复反射结构分别都采用角锥棱镜、猫眼回复反射器、回复反射微阵列中的一种。
优选的，所述增益模块为Nd:YAG薄片增益介质。
优选的，所述长腔激光器的腔内共振光束的功率密度大于25W/cm2。
优选的，所述光电转换器为带散热层的硅基垂直多结面光伏电池。
优选的，所述第一通信装置和第二通信装置分别都为2.4GHz ISM频段的低功耗无线电收发器。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、采用分离谐振腔结构，通过高功率密度的共振激光光束传输实现了0-50米范围的测距，共振光束在谐振腔内来回反射可随时被侵入异物中断从而保证高功率密度应用下的安全，其两端谐振腔镜为回复反射结构，可彼此作为合作目标为相位法测距提供基础。
2、采用激光器谐振腔内共振光束作为待测信号，可达25W/cm2以上功率密度，信号强度高，可减小噪声干扰带来的相移，避免信号增强元件(如雪崩光电二极管AvalanchePhotodiode,APD)的使用，降低系统复杂度，在提高相位鉴定器灵敏度的同时保证用户使用安全。
3、分离谐振腔的长腔激光器结构同时也是远距离无线充电系统，在为合作目标测距的同时提供合作目标通讯装置的电能，有利于及时反馈测距信息，保证合作目标与测距主机间的自启动通信。
4、通过分离谐振腔两端的回复反射结构，测距主机可测试移动的待测目标，并同时维持共振光束功率密度，保证相位鉴定器灵敏度。
附图说明
图1为本发明系统的结构示意图；
图2为本发明系统通过相位法激光测距的基本原理示意图；
图3为本发明系统正交调制激光相位测距法工作原理示意图；
图4为本发明实施例二的系统结构示意图。
图中标注：1、测距主机，2、合作目标，3、主控系统，4、泵浦模块，5、第一通信装置，6、第一回复反射结构，7、增益模块，8、调制器，9、相位鉴定器，10、第二通信装置，11、电能转换器，12、光电转换器，13、全反射镜，14、第二回复反射结构，15、待测目标，16、长腔激光器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例一
如图1所示，本申请提出一种基于分离谐振腔的激光测距系统，包括测距主机1和合作目标2，合作目标2设计尺寸较小并布置于待测目标15的表面。
测距主机1包括第一回复反射结构6、增益模块7、主控系统3和分别与主控系统3连接的泵浦模块4、第一通信装置5、调制器8、相位鉴定器9。合作目标2包括依次连接的第二通信装置10、电能转换器11、光电转换器12、全反射镜13和第二回复反射结构14。
泵浦模块4、第一回复反射结构6、增益模块7、第二回复反射结构14联合构成分离谐振腔长腔激光器，第一回复反射结构6发出的共振光束在第一回复反射结构6与第二回复反射结构14之间来回反射。本实施例中，长腔激光器16的腔内共振光束的功率密度大于25W/cm2。调制器8在测距主机侧用于调制共振光束的发射相位。相位鉴定器9在测距主机侧用于鉴定共振光束的接收相位，根据鉴定反射的共振光束通过第一回复反射结构6的泄漏光束，获得待测相位延迟。
测距主机1的主控系统3基于正交调制激光相位测距法实现距离测量，通过计算接收相位与发射相位间相位延迟代表的距离，获得测距主机1与合作目标2间的距离。
图2是本系统采用相位法激光测距的基本原理示意图，主控系统3为基于微处理器单元的控制平台，为系统提供计算、控制、存储等功能。泵浦模块4为半导体激光器光泵浦模块，由主控系统3控制，向增益模块7提供泵浦能量。第二回复反射结构14为第一回复反射结构6的合作目标，本实施例中两者都为角锥棱镜。第一回复反射结构6与第二回复反射结构14构成长腔激光器，其中第一回复反射结构6为全反射镜，第二回复反射结构14为98％部分反射镜，激光共振光束在谐振腔内形成环形光路。增益模块7为工作波长为1064nm的薄片型Nd:YAG增益介质，实现共振光束功率密度的放大。共振光束的发射端由调制器8提供的多测尺频率调制，测尺频率包括1.5MHz、15MHz、150MHz。共振光束的接收端由相位鉴定器9鉴相。
若测尺的调制角频率为ω，待测目标的距离为D，共振光束到待测目标往返一次对应的时间t可表示为：
Figure BDA0002026303390000041
那么距离D可表示为：
Figure BDA0002026303390000042
其中c为光速，
Figure BDA0002026303390000043
为共振光束往返一次产生的总的相位延迟，ω为调制信号的角频率(ω＝2πf)，K为往返一次所包含的半波长个数，
Figure BDA0002026303390000044
为往返一次产生的不足π部分的相位延迟。
由此可知，相位鉴定器9可通过测量K与
Figure BDA0002026303390000051
获得待测目标距离信息D。但是相位鉴定器9无法测量K，从而导致两个距离(距离D1，距离D2)为相差c/2f的整数倍时，系统将无法分辨两个距离的区别，因此相位法测距具有量程限制，其量程小于调制信号波长的一半(＜c/2f)。此外，由公式(2)可以看出，相位法的测距也有精度限制，其精度由
Figure BDA0002026303390000052
的精度决定，因此测量精度与相位鉴定器9的相位延迟测量精度有关(
Figure BDA0002026303390000053
有关)。
为了兼顾相位法的量程和精度限制，本实施例针对0-50米的测量范围，选定了调制器8的三个测尺频率：1.5MHz、15MHz、150MHz，其对应量程与典型测量精度的结果如图3所示。
表1调制器测尺频率的量程对应的典型测量精度结果
测尺频率 1.5MHz 15MHz 150MHz
量程 100米 10米 1米
精度 100毫米 10毫米 1毫米
为了提高相位鉴定器9的相位延迟测量精度，本实施例中采用了正交调制激光相位测距法，其工作原理如图3所示，具体包括：
1.调制器8产生两路调制信号分别为高频信号S1与低频信号S3，其初始相位分别为
Figure BDA0002026303390000054
2.将S1与S3分别进行90°相移，得到信号S2和S4；
3.发射共振光束S7，其由S7＝S3S2+S4S1得到；
4.得到为合作目标反馈的反射共振光束S8；
5.S8与高频调制信号S1混频后得到混频信号S9；
6.最后S9通过低通滤波器得到包含相差的低频信号S10。
S10信号频率由正交调制中的低频信号决定，并且相位鉴定器9分时检测发射相位和反射相位，消除了电路附加相移，提升了相位延迟测量精度，从而提升测距精度。
本系统中长腔激光器16与光电转换器12构成远距离无线充电系统，共振光束在作为测距的待测信号的同时，为合作目标2远距离传输能量，第二回复反射结构14的部分能量经全反射镜13反射到光电转换器12，通过光电转换器12为第二通信装置10供电。第二通信装置10与第一通信装置5通信，向主控系统3反馈待测目标15的确认信息。本实施例中，第一通信装置5和第二通信装置10均为2.4GHzISM频段的低功耗无线电收发器。第二通信装置10将待测目标15的确认信息通过无线电信号反馈给第一通信装置5，并通知主控系统3，确认测距成功。
本实施例中，光电转换器12为带散热层的硅基垂直多结面光伏电池，其典型光电转换效率可达40％。电能转换器11为带有最大功率点跟踪性能的DC-DC模块。
实施例二
如图4所示，本实施例中，第一回复反射结构6与第二回复反射结构14为猫眼回复反射器，实际也可采用其它可共线反射的回复反射结构，如回复反射微阵列。调制器8同时作为泵浦模块4，通过调制增益模块7实现发射共振光束的调制。第一回复反射结构6与第二回复反射结构14均为98％的部分反射镜。相位鉴定器9通过检测共振光束的泄漏光束测量相位延迟。最终通过正交调制激光相位测距法实现对待测目标15测距。
本系统的其他结构与实施例一中相同。

Claims (6)

1.一种基于分离谐振腔的激光测距系统，其特征在于，包括测距主机(1)和合作目标(2)，所述合作目标(2)布置于待测目标(15)的表面；所述测距主机(1)包括第一回复反射结构(6)、增益模块(7)、主控系统(3)和分别与主控系统(3)连接的泵浦模块(4)、第一通信装置(5)、调制器(8)、相位鉴定器(9)，所述泵浦模块(4)为增益模块(7)提供泵浦；所述合作目标(2)包括依次连接的第二通信装置(10)、电能转换器(11)、光电转换器(12)、全反射镜(13)和第二回复反射结构(14)；所述第一回复反射结构(6)发出的共振光束在与第二回复反射结构(14)形成的长腔激光器(16)中来回反射，所述调制器(8)用于调制共振光束的发射相位，所述相位鉴定器(9)用于鉴定共振光束的接收相位，所述第一通信装置(5)与第二通信装置(10)连接；
所述测距主机(1)的主控系统(3)基于正交调制激光相位测距法实现距离测量；
所述相位鉴定器(9)通过鉴定反射的共振光束通过第一回复反射结构(6)的泄漏光束，获得待测相位延迟；
所述长腔激光器(16)的腔内共振光束的功率密度大于25W/cm2；
所述光电转换器(12)为带散热层的硅基垂直多结面光伏电池。
2.根据权利要求1所述的一种基于分离谐振腔的激光测距系统，其特征在于，所述调制器(8)采用多测尺频率调制，测尺频率包括1.5MHz、15MHz、150MHz。
3.根据权利要求1所述的一种基于分离谐振腔的激光测距系统，其特征在于，所述第一回复反射结构(6)和第二回复反射结构(14)都采用高反射率的部分反射镜。
4.根据权利要求1所述的一种基于分离谐振腔的激光测距系统，其特征在于，所述第一回复反射结构(6)与第二回复反射结构(14)分别都采用角锥棱镜、猫眼回复反射器、回复反射微阵列中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种基于分离谐振腔的激光测距系统，其特征在于，所述增益模块(7)为Nd:YAG薄片增益介质。
6.根据权利要求1所述的一种基于分离谐振腔的激光测距系统，其特征在于，所述第一通信装置(5)和第二通信装置(10)分别都为2.4GHz ISM频段的低功耗无线电收发器。
CN201910295344.2A 2019-04-12 2019-04-12 一种基于分离谐振腔的激光测距系统 Active CN110045385B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910295344.2A CN110045385B (zh) 2019-04-12 2019-04-12 一种基于分离谐振腔的激光测距系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910295344.2A CN110045385B (zh) 2019-04-12 2019-04-12 一种基于分离谐振腔的激光测距系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110045385A CN110045385A (zh) 2019-07-23
CN110045385B true CN110045385B (zh) 2023-05-02

Family

ID=67277005

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910295344.2A Active CN110045385B (zh) 2019-04-12 2019-04-12 一种基于分离谐振腔的激光测距系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110045385B (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110618421B (zh) * 2019-08-30 2021-09-03 同济大学 一种基于分布式光学共振系统的定位系统
CN110854657B (zh) * 2019-10-15 2020-10-02 同济大学 一种基于光倍频的无腔内干扰的共振光通信装置
CN113422654B (zh) * 2021-05-20 2022-06-24 同济大学 一种基于共振光的移动数能同传系统
CN113567996B (zh) * 2021-07-21 2023-08-29 同济大学 一种基于共振光束的高精度被动定位系统
CN113777620B (zh) * 2021-09-23 2023-08-29 同济大学 一种基于共振光束的同时高精度被动定位与传能系统

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5125736A (en) * 1990-11-13 1992-06-30 Harris Corporation Optical range finder
JP2010203877A (ja) * 2009-03-03 2010-09-16 Topcon Corp 距離測定装置
CN105807282A (zh) * 2016-03-09 2016-07-27 长春理工大学 基于调制回复反射器的测距通信一体装置
CN107911165A (zh) * 2017-11-02 2018-04-13 同济大学 基于分布式光学谐振腔的无线通信装置

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1388739A1 (de) * 2002-08-09 2004-02-11 HILTI Aktiengesellschaft Laserdistanzmessgerät mit Phasenlaufzeitmessung

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5125736A (en) * 1990-11-13 1992-06-30 Harris Corporation Optical range finder
JP2010203877A (ja) * 2009-03-03 2010-09-16 Topcon Corp 距離測定装置
CN105807282A (zh) * 2016-03-09 2016-07-27 长春理工大学 基于调制回复反射器的测距通信一体装置
CN107911165A (zh) * 2017-11-02 2018-04-13 同济大学 基于分布式光学谐振腔的无线通信装置

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
一种高精度相位激光测距方法的实现;周睿等;《科学技术与工程》;20091130;第09卷(第21期);6337-6342 *
正交调制降频相位式激光测距;许贤泽等;《光学精密工程》;20170831;第25卷(第08期);1979-1984 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN110045385A (zh) 2019-07-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110045385B (zh) 一种基于分离谐振腔的激光测距系统
CN102944866B (zh) 基于干涉仪体制的航管二次雷达应答信号测向方法
CN109375167B (zh) 井下无源动目标定位方法
US20080018879A1 (en) Beacon to measure distance, positioning system using the same, and method of measuring distance
CN110308456A (zh) 一种用于提高探测距离的偏压调节装置及激光雷达系统
US20240118398A1 (en) Detection method of laser detection apparatus and laser detection apparatus
CN101210965B (zh) 无线测距的方法、无线测距和定位的方法、设备及系统
CN103048662B (zh) 一种三波束全光纤相干调频连续波激光雷达
CN103116164B (zh) 外差脉冲压缩式多功能激光雷达及其控制方法
CN112731413A (zh) 一种采用光锁相自适应补偿多普勒频移的相干激光雷达
CN112346068A (zh) 一种提高激光雷达角度分辨率的装置与方法
US10495747B2 (en) Snow quality measuring apparatus and snow quality measuring method
CN114488173A (zh) 一种基于飞行时间的距离探测方法和系统
CN111427025B (zh) 激光雷达和激光雷达的测距方法
Liu et al. Simultaneous localization and power transfer via resonant beam
EP4336209A1 (en) Detection device, radar, and terminal
US10571327B2 (en) Water level measuring device
CN105842682A (zh) 车辆安全间距探测系统
Fang et al. 60 GHz short range planar RSS localization
CN113589309B (zh) 一种基于微波光子技术的非合作目标空间位置探测方法
CN108983224A (zh) 一种周界安防雷达系统及监测周界安全的方法
US10082566B2 (en) Parking space status sensing system and method
CN112698341A (zh) 一种动态空间精密定位装置及方法
WO2021051423A1 (zh) 相位编码不饱和调制方法、装置、激光雷达测距测速方法及激光雷达系统
CN110618421A (zh) 一种基于分布式光学共振系统的定位系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant