CN111077530B - 一种具备测空气组份功能的光量子测距仪 - Google Patents

一种具备测空气组份功能的光量子测距仪 Download PDF

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Abstract

一种具备测空气组份功能的光量子测距仪，包括激光发射模块、激光接收模块、激光解析模块、算法解析模块、存储显示模块；所述激光发射模块用于向目标发射激光，即出射激光；所述激光接收模块用于接收被目标反射的激光，即反射激光；所述激光解析模块用于对被目标反射的反射激光进行激光解析，剥离环境信息；所述算法解析模块用于将反射激光携带的环境信息进行算法解析，得到目标距离及目标处空气组份；所述存储显示模块用于存储并显示目标距离及目标处空气组份；还提供了光量子测距仪的测空气组份测距方法。本发明的有益效果为：在测距的同时得到目标处空气组份的检测结果，高效精确，简便快捷。

Description

一种具备测空气组份功能的光量子测距仪
技术领域
本发明涉及测距仪领域，具体涉及一种具备测空气组份功能的光量子测距仪。
背景技术
测距仪是利用光、声音、电磁波的反射、干涉等特性，而设计的用于长度、距离测量的仪器，新型测距仪在长度测量的基础上，可以利用长度测量结果，对待测目标的面积、周长、体积、质量等其他参数进行科学计算，在工程应用、GIS调查、军事等领域都有很广的应用范围。激光测距仪，是利用调制激光的某个参数实现对目标的距离测量的仪器。按照测距方法分为相位法测距仪和脉冲法测距仪，脉冲式激光测距仪是在工作时向目标射出一束或一序列短暂的脉冲激光束，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。相位法激光测距仪是利用检测发射光和反射光在空间中传播时发生的相位差来检测距离的。
激光测距仪已经被广泛应用于以下领域:电力，水利，通讯，环境，建筑，地质，警务，消防，爆破，航海，铁路，反恐/军事，农业，林业，房地产，休闲/户外运动等，但当前的激光测距仪一般仅具备测距功能，对于所测目标处的温度、湿度、空气组分等信息则需要借助另外的设备进行检测，并且无法在测距的同时得到其他信息的检测结果，为解决上述问题，本发明提供了一种具备测空气组份功能的光量子测距仪，及其测空气组份测距方法。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提供一种具备测空气组份功能的光量子测距仪。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
本发明提供了一种具备测空气组份功能的光量子测距仪，包括激光发射模块、激光接收模块、激光解析模块、算法解析模块、存储显示模块；
所述激光发射模块用于向目标发射激光，即出射激光；
所述激光接收模块用于接收被目标反射的激光，即反射激光；
所述激光解析模块用于对被目标反射的反射激光进行激光解析，剥离环境信息；
所述算法解析模块用于将反射激光携带的环境信息进行算法解析，得到目标距离及目标处空气组份；
所述存储显示模块用于存储并显示目标距离及目标处空气组份。
本发明还提供了光量子测距仪的测空气组份测距方法，包括：
S1使用者开启光量子测距仪对目标进行瞄准，开启光量子测距仪，所述激光发射模块向目标发射激光，即出射激光，所述出射激光为单光子激光；
S2出射激光发射至目标后，于目标物表面反射，光量子测距仪中所述激光接收模块接收被目标反射的激光，即反射激光；
S3光量子测距仪接收到反射激光后，由所述激光解析模块用于对被目标反射的反射激光进行激光解析，剥离环境信息；
S4所述算法解析模块中预设高效算法，将反射激光携带的环境信息进行算法解析，得到目标距离及目标处空气组份；
S5所述存储显示模块将目标距离及目标处空气组份暂存，根据使用者需求进行永久存储或覆盖存储，并将目标距离及目标处空气组份实时显示。
本发明的有益效果是：通过一种具备测空气组份功能的光量子测距仪能够在瞄准目标进行测距的同时进行目标处空气组份的测量，利用单光子激光进行测量，其相干性及方向性等物理参数较普通光更具优势，减少了大气环境对光束的漫反射和折射，提高了测量过程中的抗干扰性，对单光子激光的解析及高效算法的计算保证了目标距离及目标处空气组份测量的准确性，使测量精度更高，测量速度更快。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明的装置结构示意图；图2是本发明的方法示意图；
附图标记：
光量子测距仪1、激光发射模块101、激光接收模块102、激光解析模块103、算法解析模块104、存储显示模块105；S1、S2、S3、S4、S5。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
参见图1，本实施例的一种具备测空气组份功能的光量子测距仪1，包括激光发射模块101、激光接收模块102、激光解析模块103、算法解析模块104、存储显示模块105；
所述激光发射模块101用于向目标发射激光，即出射激光；
所述激光接收模块102用于接收被目标反射的激光，即反射激光；
所述激光解析模块103用于对被目标反射的反射激光进行激光解析，剥离环境信息；
所述算法解析模块104用于将反射激光携带的环境信息进行算法解析，得到目标距离及目标处空气组份；
所述存储显示模块105用于存储并显示目标距离及目标处空气组份。
本优选实施例通过一种具备测空气组份功能的光量子测距仪1能够在瞄准目标进行测距的同时进行目标处空气组份的测量，利用单光子激光进行测量，其相干性及方向性等物理参数较普通光更具优势，减少了大气环境对光束的漫反射和折射，提高了测量过程中的抗干扰性，对单光子激光的解析及高效算法的计算保证了目标距离及目标处空气组份测量的准确性，利用拉曼散射原理，通过测量计算出射激光与反射激光波长的变化量，即拉曼频移量与空气组份密度的函数关系，最终将目标处环境的空气组份采集计算出来。
优选的，所述激光发射模块101向目标发射激光，即出射激光，所述出射激光为单光子激光；所述激光发射模块101与激光接收模块102共用一组光学镜组，所述光学镜组用于所述出射激光及发射激光的发射与接收过程中的光路转换。
本优选实施例中使用的单光子激光具有特殊的物理性质，其相干性及方向性等物理参数较普通光更具优势，所述激光发射模块101用于向目标发射单光子激光，能够减少发射过程中的误差，受外界环境的温度天气等的影响较小，能够保证较远的测量范围。
优选的，所述激光解析模块103与所述激光发射模块101、所述激光接收模块102连接，内设时序转换器、光电转换器；
所述时序转换器用于根据所述激光发射模块101、所述激光接收模块102发射出射激光及接收反射激光的时序时间转换得出往返时间；
所述光电转换器用于将所述反射激光转换为电信号，并将所述电信号发送至所述算法解析模块。
所述激光解析模块103同时对出射激光及反射激光进行激光解析，得出出射激光与反射激光的波长。
本优选实施例中所述激光解析模块103与所述激光发射模块101、所述激光接收模块102连接，内设时序转换器、光电转换器，通过对出射激光及反射激光进行激光解析，得出往返时间及出射激光与反射激光的波长，并将转换所得所述电信号发送至所述算法解析模块104，便于所述算法解析模块104进行算法解析。
优选的，所述算法解析模块104内置微处理器；
所述微处理器预设高效算法，通过解析所述电信号得出目标距离及目标处空气组份：
一个远距离目标处环境(单位面积内)的空气，由多种成分的气溶胶粒子组成，它们的密度分别是：m1，m2，...mn，出射激光的功率是P，波长是λ，反射激光发生散射的功率是p1,p2,...pn,散射波长是λ1,λ2，...λn：
m＝m1+m2+....+mn
Figure GDA0002411942660000041
Figure GDA0002411942660000042
上述公式中，A1、A2、A3分别是各种不同微粒物质对大气组份影响的修正系数，h是玻尔兹曼常数，t是测量往返时间，△fx是不同微粒物质的拉曼频移，α、β、Ψ分别是温度、气压、湿度对拉曼散射影响的修正系数；
电信号V与空气组份数值m公式：
Figure GDA0002411942660000051
/>
上述公式中，θ表示平均的拉曼散射角，ε表示雪崩光电二极管光电转换效率系数；
因此：m＝f-1(V)
本优选实施例中当激光束穿越空气接近目标时，由于空气中含有多种微粒成份的气溶胶，它们会吸收部分能量，并且阻挡激光的直线传播，造成拉曼散射效应，发生拉曼频移。由物理常识知道，不同的微粒物质与光发生作用后，产生的拉曼频移大小都是彼此独立的分立值，因此，可以通过建立能量-波长方程来计算目标方周围的大气分子不同组份密度。
本发明还提供了光量子测距仪1的测空气组份测距方法，包括：
S1使用者开启光量子测距仪1对目标进行瞄准，开启光量子测距仪1，所述激光发射模块向101目标发射激光，即出射激光；
S2出射激光发射至目标后，于目标物表面反射，光量子测距仪1中所述激光接收模块102接收被目标反射的激光，即反射激光；
S3光量子测距仪1接收到反射激光后，由所述激光解析模块103用于对被目标反射的反射激光进行激光解析，剥离环境信息；
S4所述算法解析模块104中预设高效算法，将反射激光携带的环境信息进行算法解析，得到目标距离及目标处空气组份；
S5所述存储显示模块105将目标距离及目标处空气组份暂存，根据使用者需求进行永久存储或覆盖存储，并将目标距离及目标处空气组份实时显示。
本优选实施例通过光量子测距仪1的测空气组份测距方法能够在瞄准目标进行测距的同时进行目标处空气组份的测量，利用单光子激光进行测量，其相干性及方向性等物理参数较普通光更具优势，减少了大气环境对光束的漫反射和折射，提高了测量过程中的抗干扰性，对单光子激光的解析及高效算法的计算保证了目标距离及目标处空气组份测量的准确性，利用拉曼散射原理，通过测量计算出射激光与反射激光波长的变化量，即拉曼频移量与空气组份密度的函数关系，最终将目标处环境的空气组份采集计算出来。
优选的，所述S2具体可以通过以下一种或几种操作的组合来实现：
(1)所述激光发射模块101向目标发射激光，即出射激光，所述出射激光为单光子激光；
(2)所述激光发射模块101与激光接收模块102共用一组光学镜组，所述光学镜组用于所述出射激光及发射激光的发射与接收过程中的光路转换。
本优选实施例使用的单光子激光具有特殊的物理性质，其相干性及方向性等物理参数较普通光更具优势，所述激光发射模块101用于向目标发射单光子激光，能够减少发射过程中的误差，受外界环境的温度天气等的影响较小，能够保证较远的测量范围。
优选的，所述S4具体可以通过以下一种或几种操作的组合来：
(1)所述激光解析模块103与所述激光发射模块101、所述激光接收模块102连接，内设时序转换器、光电转换器；
(2)所述时序转换器用于根据所述激光发射模块101、所述激光接收模块102发射出射激光及接收反射激光的时序时间转换得出往返时间；
(3)所述光电转换器用于将所述反射激光转换为电信号，并将所述电信号发送至所述算法解析模块104。
优选的，所述S5具体可以通过以下一种或几种操作的组合来实现：
(1)所述算法解析模块104内置微处理器；
(2)所述微处理器预设高效算法，通过解析所述电信号得出目标距离及目标处空气组份。
本优选实施例通过光量子测距仪1的测空气组份测距方法能够在瞄准目标进行测距的同时进行目标处空气组份的测量，利用单光子激光进行测量，其相干性及方向性等物理参数较普通光更具优势，减少了大气环境对光束的漫反射和折射，提高了测量过程中的抗干扰性，对单光子激光的解析及高效算法的计算保证了目标距离及目标处空气组份测量的准确性，利用拉曼散射原理，通过测量计算出射激光与反射激光波长的变化量，即拉曼频移量与空气组份密度的函数关系，最终将目标处环境的空气组份采集计算出来。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (6)

1.一种具备测空气组份功能的光量子测距仪，其特征在于，包括激光发射模块、激光接收模块、激光解析模块、算法解析模块、存储显示模块；
所述激光发射模块用于向目标发射激光，即出射激光；
所述激光接收模块用于接收被目标反射的激光，即反射激光；
所述激光解析模块用于对被目标反射的反射激光进行激光解析，剥离环境信息；所述激光解析模块同时对出射激光及反射激光进行激光解析，得出出射激光与反射激光的波长；
所述激光解析模块与所述激光发射模块、所述激光接收模块连接，内设时序转换器、光电转换器；
所述时序转换器用于根据所述激光发射模块、所述激光接收模块发射出射激光及接收反射激光的时序时间转换得出往返时间；
所述光电转换器用于将所述反射激光转换为电信号，并将所述电信号发送至所述算法解析模块；
所述算法解析模块用于将反射激光携带的环境信息进行算法解析，得到目标距离及目标处空气组份；所述算法解析模块利用拉曼散射原理，通过测量计算出射激光与反射激光波长的变化量，根据拉曼频移量与空气组份密度的函数关系，最终将目标处环境的空气组份采集计算出来；
所述拉曼频移量与空气组份密度的函数关系如下式：
m＝f-1(V)＝m1+m2+…+mn
其中，m表示空气组份密度，V为拉曼频移量的电信号，f-1()表示逆函数，m1,m2,...mn分别表示空气中多种组份的密度；
Figure FDA0004024845030000011
其中，θ表示平均的拉曼散射角，ε表示雪崩光电二极管光电转换效率系数；
Figure FDA0004024845030000012
Figure FDA0004024845030000013
其中，p表示出射激光的功率，λ表示出射激光的波长，p1,p2,...pn表示反射激光发生散射的功率，λ1,λ2，...λn分别表示反射激光发生散射的散射波长；A1、A2、A3分别是各种不同微粒物质对大气组份影响的修正系数，h是玻尔兹曼常数，t是测量往返时间，△fx是不同微粒物质的拉曼频移，α、β、Ψ分别是温度、气压、湿度对拉曼散射影响的修正系数；
所述存储显示模块用于存储并显示目标距离及目标处空气组份。
2.根据权利要求1所述的一种具备测空气组份功能的光量子测距仪，其特征在于，所述激光发射模块向目标发射激光，即出射激光，所述出射激光为单光子激光；所述激光发射模块与激光接收模块共用一组光学镜组，所述光学镜组用于所述出射激光及发射激光的发射与接收过程中的光路转换。
3.根据权利要求1所述的一种具备测空气组份功能的光量子测距仪，其特征在于，所述算法解析模块内置微处理器；
所述微处理器预设高效算法，通过解析所述电信号得出目标距离及目标处空气组份。
4.一种测空气组份测距方法，利用如权利要求1～3任一项所述的具备测空气组份功能的光量子测距仪进行测空气组分测距，包括：
S1使用者开启光量子测距仪对目标进行瞄准，开启光量子测距仪，所述激光发射模块向目标发射激光，即出射激光；
S2出射激光发射至目标后，于目标物表面反射，光量子测距仪中所述激光接收模块接收被目标反射的激光，即反射激光；
S3光量子测距仪接收到反射激光后，由所述激光解析模块用于对被目标反射的反射激光进行激光解析，剥离环境信息；所述S3具体可以通过以下一种或几种操作的组合来：
(1)所述激光解析模块与所述激光发射模块、所述激光接收模块连接，内设时序转换器、光电转换器；
(2)所述时序转换器用于根据所述激光发射模块、所述激光接收模块发射出射激光及接收反射激光的时序时间转换得出往返时间；
(3)所述光电转换器用于将所述反射激光转换为电信号，并将所述电信号发送至所述算法解析模块；
(4)所述激光解析模块同时对出射激光及反射激光进行激光解析，得出出射激光与反射激光的波长；
S4所述算法解析模块中预设高效算法，将反射激光携带的环境信息进行算法解析，得到目标距离及目标处空气组份；所述算法解析模块利用拉曼散射原理，通过测量计算出射激光与反射激光波长的变化量，根据拉曼频移量与空气组份密度的函数关系，最终将目标处环境的空气组份采集计算出来；
所述拉曼频移量与空气组份密度的函数关系如下式：
m＝f-1(V)＝m1+m2+…+mn
其中，m表示空气组份密度，V为拉曼频移量的电信号，f-1()表示逆函数，m1,m2,...mn分别表示空气中多种组份的密度；
Figure FDA0004024845030000031
其中，θ表示平均的拉曼散射角，ε表示雪崩光电二极管光电转换效率系数；
Figure FDA0004024845030000032
Figure FDA0004024845030000033
其中，p表示出射激光的功率，λ表示出射激光的波长，p1,p2,...pn表示反射激光发生散射的功率，λ1,λ2，...λn分别表示反射激光发生散射的散射波长；A1、A2、A3分别是各种不同微粒物质对大气组份影响的修正系数，h是玻尔兹曼常数，t是测量往返时间，△fx是不同微粒物质的拉曼频移，α、β、Ψ分别是温度、气压、湿度对拉曼散射影响的修正系数；
S5所述存储显示模块将目标距离及目标处空气组份暂存，根据使用者需求进行永久存储或覆盖存储，并将目标距离及目标处空气组份实时显示。
5.根据权利要求4所述的测空气组份测距方法，其特征在于，所述S2具体可以通过以下一种或几种操作的组合来实现：
(1)所述激光发射模块向目标发射激光，即出射激光，所述出射激光为单光子激光；
(2)所述激光发射模块与激光接收模块共用一组光学镜组，所述光学镜组用于所述出射激光及发射激光的发射与接收过程中的光路转换。
6.根据权利要求4所述的测空气组份测距方法，其特征在于，所述S5具体可以通过以下一种或几种操作的组合来实现：
(1)所述算法解析模块内置微处理器；
(2)所述微处理器预设高效算法，通过解析所述电信号得出目标距离及目标处空气组份。
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