CN112505655B - 基于光强检测的调频激光测距系统快速调焦装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于光强检测的调频激光测距系统快速调焦装置及方法，能够快速、准确地进行调焦。可调谐激光器发射的测量激光经分束器分光后，一路进入耦合器，另一路进入环形器；测量光出环形器后经过光纤法兰出射，然后经光路系统汇聚于光束汇聚点；经被测目标反射后返回的光通过环形器进入耦合器，与经分束器分光后的参考光进行耦合拍频，拍频后的低频光进入光电探测器；经光电探测器探测后转换成电信号送入采集与处理模块，采集与处理模块解算得到电信号的幅值信息，电信号的幅值信息对应光信号的光强值；调焦电机的角度与调焦镜在其运动行程中的位置对应，由此利用回波光强表征调焦效果，寻找的调焦过程中的光强最强位置即是最佳调焦位置。

Description

基于光强检测的调频激光测距系统快速调焦装置及方法
技术领域
本发明属于调频激光测距技术领域，特别涉及一种基于光强检测的调频激光测距系统快速调焦装置及方法。
背景技术
调频激光测距技术是一种应用于中近距离的高精度激光测距技术，其测量精度可以达到几十微米量级，并且无需合作目标，可实现非接触测量。调频激光测距系统的光路系统是一个聚焦光路，根据其测距原理，当被测物体表面位于光束焦点或焦点附近时，距离测量的结果才是最准确的。因此实现调焦快速、准确对调频激光测距系统而言非常重要。
调频激光测距系统中通常会在发射激光中耦合一束可见光，用于指示测量光所在的位置。常用的调焦装置是对可见光进行聚焦，通过相机和图像处理装置分析可见光光斑的大小，确定最佳的聚焦位置。在一定距离范围上这种装置也能实现对测量光的聚焦，但是由于可见光与测量光之间存在色差，测量光不可能与可见光汇聚在同一点上，无法直接对测量光进行聚焦，导致最终的测量结果误差大。因此实现对测量光的快速、准确聚焦非常重要。
通过测量可见光光斑大小实现调焦的方法存在以下弊端：
1、测量光与可见光的波长相差较大，两者无法聚焦于一点，因此靠可见光调焦的方法存在较大误差，仅适用于近距离测量时的调焦场景；
2、系统中需要加入用于采集光斑图像的相机与用于识别光斑大小的图像处理装置，系统复杂度会大大增加；
3、图像处理的速度较慢，无法满足快速调焦的要求。
综上，现有调焦装置中由于相机与图像处理装置的存在，导致调焦装置复杂度大大增加，图像处理速度慢，无法满足快速调焦的要求，并且调焦方法从根源上即存在无法针对测量光进行调焦的固有缺陷。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种基于光强检测的调频激光测距系统快速调焦装置，能够快速、准确地对测量光进行调焦。
基于光强检测的调频激光测距系统快速调焦装置，所述调频激光测距系统的光路系统包括：依次同轴设置的准直镜组、调焦镜和汇聚镜；所述调焦镜由调焦电机驱动沿光束轴向上下运动移动实现调焦；
所述调焦装置包括：可调谐激光器、分束器、环形器、耦合器、光电探测器、采集与处理模块和控制模块；
所述可调谐激光器发射的测量激光经所述分束器分光后，一路作为参考光进入耦合器，另一路作为测量光进入环形器；所述测量光出环形器后经过光纤法兰出射，然后依次经所述准直镜组、调焦镜、汇聚镜汇聚于光束汇聚点；
经被测目标反射后返回的光通过所述环形器进入耦合器，与经所述分束器分光后的参考光进行耦合拍频，拍频后的低频光进入光电探测器；经光电探测器探测后转换成电信号送入采集与处理模块，所述采集与处理模块解算得到电信号的幅值信息，所述电信号的幅值信息对应光信号的光强值；所述采集与处理模块与所述控制模块相连；
所述调焦电机配备有角度测量单元，用于实时测量所述调焦电机的角度并发送给采集与处理模块，所述调焦电机的角度与所述调焦镜在其运动行程中的位置对应；
所述调焦镜运动行程的两端分别设置有限位机构，所述限位机构与所述控制模块相连；
同时所述控制模块控制调焦电机的启停及工作模式。
作为本发明的一种优选方式：在测距系统支撑面上固定有直线滑轨，所述直线滑轨的轴线与所述光路系统的轴线平行，所述直线滑轨上设置有与其滑动配合的滑块；所述调焦镜经支架连接在滑块上。
作为本发明的一种优选方式：所述直线滑轨的两端分别设置上限位开关和下限位开关作为限位机构。
作为本发明的一种优选方式：所述角度测量单元为编码器。
此外，基于上述调焦装置，本发明提供一种基于光强检测的调频激光测距快速调焦方法，该调焦方法的具体步骤为：
步骤一：所述控制模块将调焦电机的工作模式设置为速度模式；
步骤二：所述控制模块给调焦电机发送启动指令，使所述调焦电机带动所述调焦镜向下运动；
步骤三：当所述调焦镜运动到下限位位置时，所述控制模块给采集与处理模块发送指令使所述角度测量单元角度信号清零；
步骤四：所述控制模块控制所述调焦电机带动所述调焦镜向上运动；运动过程中，所述采集与处理模块同步锁存接收到的角度值和解算的光强值，并进行光强值的实时对比，锁存运动过程中的光强最大值以及对应的角度值；
步骤五：当所述调焦镜运动到上限位位置时，所述调焦镜走完一个调焦行程；所述采集与处理模块得到整个调焦行程中的光强最大值及其对应的调焦电机的角度值；
步骤六：所述控制模块将所述调焦电机的工作模式设置为位置模式，并给所述调焦电机发送光强最大时对应的角度值所述调焦电机带动所述调焦镜运动到与该角度值对应的位置。
有益效果：
(1)与传统依靠判别可见光光点大小进行调焦的方法相比，本发明的基于回波光强检测的快速调焦方法，利用回波光强表征调焦效果，寻找的调焦过程中的光强最强位置即是最佳调焦位置，采用此方法能够实现针对测量光的准确调焦。
(2)无需增加额外的硬件开销，光强检测在距离解算过程中便可完成；无需单独对可见光进行调焦，省略了相机与图像处理装置，极大降低了调焦装置的复杂度，节省了数据处理时间，提高了调焦速度。
(3)利用编码器等角度测量装置记录调焦过程中调焦镜的位置，使调焦过程形成一个闭环，保证了调焦的准确性。
附图说明
图1为本发明的调焦方法所采用的调焦装置结构示意图；
图2为本发明的快速调焦方法流程图。
其中：1-分束器；2-环形器；3-耦合器；4-光纤法兰；5-准直镜组；6-调焦镜；7-汇聚镜；9-光束汇聚点；10-测距系统支撑面；11-滑块；12-调焦电机；13-编码器；14-下限位开关；15-上限位开关
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的详细说明。
本实施例提供一种基于回波光强检测的调频激光测距快速调焦方法，能够准确地对测量光进行调焦，同时省略了相机与图像处理装置，极大降低了调焦装置的复杂度，节省了数据处理时间。
调频激光测距系统的光路系统包括：依次同轴设置的准直镜组5、调焦镜6和汇聚镜7；调焦镜6由调焦电机12驱动，沿其轴线移动，以实现调焦。
该调焦方法所采用的调焦装置如图1所示，包括：分束器1、环形器2、耦合器3、直线滑轨、滑块11、光电探测器、采集与处理模块和控制模块；直线滑轨固定在测距系统支撑面10上，直线滑轨的轴线与光路系统的轴线平行，直线滑轨上设置有与其滑动配合的滑块11；调焦镜6经支架连接在滑块11上，调焦电机12为滑块11提供动力带动调焦镜6沿光束轴向上下运动，直线滑轨的两端分别设置有上限位开关15和下限位开关14，以实现对滑块11运动行程的限制。
调焦电机12配备有编码器13(也可以是直线光栅等角度测量单元)，用于记录调焦电机12所在位置；编码器13与采集处理模块电连接，编码器13采集与产生的角度信号接入采集与处理模块进行解算，调焦电机12的角度信号与滑块11在直线滑轨上的位置对应。
上限位开关15、下限位开关14、调焦电机12以及采集与处理模块分别与控制模块相连，控制模块通过检测上限位开关15和下限位开关14的电平状态变化控制滑块11的运动行程；控制模块控制调焦电机12的工作模式；控制模块通过采集与处理模块控制编码器角度信号清零。
可调谐激光器发射的测量激光经分束器1分光(分光比99：1)后，一路作为参考光(占比1％)进入耦合器3，一路作为测量光(占比99％)进入环形器2；测量光出环形器2后经过光纤法兰4出射，出射后的激光作为点光源发射的光，依次经准直镜组5、调焦镜6、汇聚镜7共同作用之后汇聚于一点，即图1所示的光束汇聚点9(上述从环形器2出射至光束汇聚点9的光路为出射光路)，沿光束轴向改变调焦镜6在光路中的位置便能够对光束的汇聚位置进行调节，即对光束汇聚点9的位置进行调节。
经被测目标反射后沿出射光路返回的光通过环形器2进入耦合器3，与经分束器1分光后的参考光进行耦合拍频，拍频后的低频光进入光电探测器；经光电探测器探测后转换成电信号送入采集与处理模块进行AD转换和FFT等处理、运算，进而得到被测目标的距离值。这是调频激光测距的基本原理，但是，本方法基于调频激光测距的原理，仅使用光电转换之后电信号FFT运算中得到的电信号的幅值信息；电信号的幅值大小由光信号的光强决定，记录电信号的幅值便能够记录调焦过程中调焦镜6在任意位置时的光强。
采集与处理模块能够将编码器13得到的角度信息与光电探测器得到的光强信息同时锁存；在调焦镜6随调焦电机12运动完一个行程(一个行程指滑块11从下限位开关14运动到上限位开关15)之后，采集与处理模块将行程内光强最大值所对应的编码器角度信息发送给控制模块，控制模块驱动调焦电机将调焦镜6运动到光强最大对应的位置处。
如图2所示，该调焦方法的具体步骤为：
步骤一：调焦开始，控制模块将调焦电机12的工作模式设置为速度模式；
步骤二：控制模块给调焦电机12发送指令，使调焦电机12带动滑块11向下运动；
步骤三：当滑块11触碰到下限位开关14时，控制模块检测到下限位开关14的电平状态变化，给采集与处理模块发送指令使编码器角度信号清零；
步骤四：控制模块控制调焦电机12带动滑块11向上运动；运动过程中，采集与处理模块同步锁存接收到的角度信号和解算的光强信息，并进行光强值的实时对比，并锁存运动过程中的光强最大值以及对应的角度；
步骤五：当滑块11向上运动最终触碰到上限位开关15时，控制模块检测到上限位开关15的电平状态变化，此时滑块11带动调焦镜6走完一个调焦行程；采集与处理模块找到整个行程中的光强最大值及其对应的调焦电机12的角度值；
步骤六：控制模块将调焦电机12的工作模式设置为位置模式，并给调焦电机12发送光强最大时所对应的角度值，调焦电机12带动滑块11运动到与该角度值对应的位置；
步骤七：此时调焦镜6已经位于最佳的调焦位置，调焦完成。
通过以上七个步骤，完成调频激光测距系统中对于测量激光光束的快速、准确调焦。由此通过设计一套闭环的调焦方法解决了调频激光测距系统调焦速度慢、调焦不准确的问题。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (5)

1.基于光强检测的调频激光测距系统快速调焦装置，所述调频激光测距系统的光路系统包括：依次同轴设置的准直镜组(5)、调焦镜(6)和汇聚镜(7)；所述调焦镜(6)由调焦电机(12)驱动沿光束轴向上下运动移动实现调焦；其特征在于：
所述调焦装置包括：可调谐激光器、分束器(1)、环形器(2)、耦合器(3)、光电探测器、采集与处理模块和控制模块；
所述可调谐激光器发射的测量激光经所述分束器(1)分光后，一路作为参考光进入耦合器(3)，另一路作为测量光进入环形器(2)；所述测量光出环形器(2)后经过光纤法兰(4)出射，然后依次经所述准直镜组(5)、调焦镜(6)、汇聚镜(7)汇聚于光束汇聚点(9)；
经被测目标反射后返回的光通过所述环形器(2)进入耦合器(3)，与经所述分束器(1)分光后的参考光进行耦合拍频，拍频后的低频光进入光电探测器；经光电探测器探测后转换成电信号送入采集与处理模块，所述采集与处理模块解算得到电信号的幅值信息，所述电信号的幅值信息对应光信号的光强值；所述采集与处理模块与所述控制模块相连；
所述调焦电机(12)配备有角度测量单元，用于实时测量所述调焦电机(12)的角度并发送给采集与处理模块，所述调焦电机(12)的角度与所述调焦镜(6)在其运动行程中的位置对应；
所述调焦镜(6)运动行程的两端分别设置有限位机构，所述限位机构与所述控制模块相连；
同时所述控制模块控制调焦电机(12)的启停及工作模式；所述采集与处理模块将角度测量单元得到的角度信息与光电探测器得到的光强值同时锁存；在所述调焦镜(6)随调焦电机(12)运动完一个行程后，所述采集与处理模块将行程内光强最大值所对应的角度信息发送给控制模块，所述控制模块驱动调焦电机将调焦镜(6)运动到光强最大值对应的位置处。
2.如权利要求1所述的基于光强检测的调频激光测距系统快速调焦装置，其特征在于：在测距系统支撑面(10)上固定有直线滑轨，所述直线滑轨的轴线与所述光路系统的轴线平行，所述直线滑轨上设置有与其滑动配合的滑块(11)；所述调焦镜(6)经支架连接在滑块(11)上。
3.如权利要求2所述的基于光强检测的调频激光测距系统快速调焦装置，其特征在于：所述直线滑轨的两端分别设置上限位开关(15)和下限位开关(14)作为限位机构。
4.如权利要求1所述的基于光强检测的调频激光测距系统快速调焦装置，其特征在于：所述角度测量单元为编码器(13)。
5.基于光强检测的调频激光测距系统快速调焦方法，其特征在于：基于上述权利要求1-4任一项所述的快速调焦装置；
该调焦方法的具体步骤为：
步骤一：所述控制模块将调焦电机(12)的工作模式设置为速度模式；
步骤二：所述控制模块给调焦电机(12)发送启动指令，使所述调焦电机(12)带动所述调焦镜(6)向下运动；
步骤三：当所述调焦镜(6)运动到下限位位置时，所述控制模块给采集与处理模块发送指令使所述角度测量单元角度信号清零；
步骤四：所述控制模块控制所述调焦电机(12)带动所述调焦镜(6)向上运动；运动过程中，所述采集与处理模块同步锁存接收到的角度值和解算的光强值，并进行光强值的实时对比，锁存运动过程中的光强最大值以及对应的角度值；
步骤五：当所述调焦镜(6)运动到上限位位置时，所述调焦镜(6)走完一个调焦行程；所述采集与处理模块得到整个调焦行程中的光强最大值及其对应的调焦电机(12)的角度值；
步骤六：所述控制模块将所述调焦电机(12)的工作模式设置为位置模式，并给所述调焦电机(12)发送光强最大时对应的角度值，所述调焦电机(12)带动所述调焦镜(6)运动到与该角度值对应的位置。
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