CN112859099B - 云雾环境中基于环形分离器实时补偿的高精度测距系统 - Google Patents

云雾环境中基于环形分离器实时补偿的高精度测距系统 Download PDF

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Abstract

云雾环境中基于环形分离器实时补偿的高精度测距系统，解决了现有测距系统测距精度差的问题，属于激光测距技术领域。本发明在原有的激光测距系统上，只需在接收端加入环形分离器、探测云雾后向噪声的光电探测器以及蒙特卡洛仿真器，通过环形分离器分离得到云雾后向散射噪声，通过分离的后向散射噪声与蒙特卡洛仿真器得到激光回波信号的展宽和时延，进而弥补该测距时延实现云雾环境下的实时高精度测距。

Description

云雾环境中基于环形分离器实时补偿的高精度测距系统
技术领域
本发明涉及一种云雾环境中基于环形分离器实时补偿的高精度测距系统，属于激光测距技术领域。
背景技术
激光测距作为一种能够快捷、准确地获取目标距离信息的重要技术，在军事领域和国民经济建设领域发挥了重要作用。激光波的长短能够实现高精度的测距测量。在云雾环境下，由于激光波长和云雾粒子的尺寸相当，云雾粒子对测距系统发射的激光信号存在散射，测距系统接收的激光回波信号不仅存在展宽，同时存在时延，严重影响了系统的测距精度。
发明内容
针对现有测距系统测距精度差的问题，本发明提供一种高精度的云雾环境中基于环形分离器实时补偿的高精度测距系统。
本发明的一种云雾环境中基于环形分离器实时补偿的高精度测距系统，所述测距系统包括发射端和接收端；
发射端产生具有空间环状结构的涡旋光束，并照射至待探测的目标上；
接收端包括环形分离器7、第一光电探测器9、第二光电探测器8、蒙特卡洛仿真器10和信号处理模块11；
经过目标反射的激光回波信号和云雾的后向散射噪声入射至接收端的环形分离器7中；环形分离器7将激光回波信号透射至第一光电探测器9中，同时将云雾的后向散射噪声反射至第二光电探测器8中；
第一光电探测器9将激光回波信号转换为电信号发送至信号处理模块11，信号处理模块11对接收的激光回波信号处理后得到目标距离信息；
第二光电探测器8将云雾的后向散射噪声转换为电信号发送至蒙特卡洛仿真器10，蒙特卡洛仿真器10根据云雾的后向散射噪声进行多个光子的米散射计算，仿真生成当前环境下的激光回波信号和云雾的后向散射噪声，输出激光回波的信号展宽和信号时延量至信号处理模块11，信号处理模块11根据所述激光回波的信号展宽和信号时延量对处理得到的目标距离信息进行修正，获得云雾环境下的高精度目标距离信息。
作为优选，所述环形分离器的主体为环形，中间部为反射镜面，环状部透光，环形分离器的环状部将激光回波信号透过，中间部将云雾的后向散射噪声反射。
作为优选，所述蒙特卡洛仿真器根据云雾的后向散射噪声、云雾参数和激光测距系统的系统参数进行多个光子的米散射计算，仿真生成当前环境下的激光回波信号和云雾的后向散射噪声，获取激光回波的信号展宽和信号时延量；
所述激光测距系统的系统参数包括发射激光的功率、激光束散角、激光脉冲宽度、激光重频、激光中心波长、光学系统的光学透过率；
云雾参数包括云雾的能见度、云雾的光学厚度和云雾粒子的折射率。
作为优选，所述发射端包括激光器1、光束整形模块2、螺旋相位板3和光学系统5；
激光器1产生激光信号经过光束整形模块2获得单横模高斯型激光信号，并入射至螺旋相位板3，转变成具有空间环状结构的涡旋光束，该涡旋光束经分光器4入射至光学系统5，光学系统5将涡旋光束照射待探测的目标。
作为优选，所述系统还包括分光器4和反射镜6；
分光器设置在螺旋相位板3和光学系统5之间，螺旋相位板3的涡旋光束经分光器4入射至光学系统5；
光学系统5接收经过目标反射的激光回波信号和云雾的后向散射噪声，并入射至分光器4，经分光器4后再入射至反射镜6，经反射镜6反射至环形分离器7中。
本发明的有益效果，本申请提出使用涡旋光束作为发射光场，利用涡旋光束的回波信号和云雾后向散射噪声的强度空间分布差异，设计环状分离器的手段分离回波信号和云雾后向散射噪声，通过云雾后向散射噪声和蒙特卡洛仿真器计算该环境下激光回波信号的展宽和时延，弥补该测距时延，实现云雾环境下的激光高精度测距。
附图说明
图1为本发明测距系统的原理示意图；
图2为蒙特卡洛仿真器示意图；
图3为云雾环境中含有展宽和时延的激光测距回波信号。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本实施方式的云雾环境中基于环形分离器实时补偿的高精度测距系统，包括发射端和接收端；
发射端产生具有空间环状结构的涡旋光束，并照射至待探测的目标上；
接收端包括环形分离器7、第一光电探测器9、第二光电探测器8、蒙特卡洛仿真器10和信号处理模块11；
目标和本系统的距离为R。同时由于是在云雾环境中，测距系统和目标之间存在云雾，云雾也会对发射的激光进行散射。
经过目标反射的激光回波信号和云雾的后向散射噪声入射至接收端的环形分离器7中；涡旋光束的回波信号和后向散射噪声的强度空间分布存在差异，其中涡旋光束为中空环形分布，后向散射噪声为类高斯分布并主要集中于环形的中间部分。环形分离器7将激光回波信号透射至第一光电探测器9中，同时将云雾的后向散射噪声反射至第二光电探测器8中；
第一光电探测器9将激光回波信号转换为电信号发送至信号处理模块11，信号处理模块11对接收的激光回波信号处理后得到目标距离信息；
第二光电探测器8将云雾的后向散射噪声转换为电信号发送至蒙特卡洛仿真器10，蒙特卡洛仿真器10根据云雾的后向散射噪声进行多个光子的米散射计算，仿真生成当前环境下的激光回波信号和云雾的后向散射噪声，输出激光回波的信号展宽和信号时延量至信号处理模块11，信号处理模块11根据所述激光回波的信号展宽和信号时延量对处理得到的目标距离信息进行修正，获得云雾环境下的高精度目标距离信息。
本实施方式以涡旋光束的回波信号和云雾后向散射噪声的强度空间分布差异为基础通过环形分离器，有效地分离出激光回波信号和云雾后向散射噪声，分别对激光回波信号和云雾后向散射噪声进行探测，然后通过云雾后向散射噪声和蒙特卡洛仿真器计算该环境下激光回波信号的展宽和时延，通过弥补测距信号的展宽和时延进而提高激光测距系统在云雾环境下的测距精度。
本实施方式在原有的激光测距系统上，只需在接收端加入环形分离器、探测云雾后向噪声的光电探测器以及蒙特卡洛仿真器，通过环形分离器分离得到云雾后向散射噪声，通过分离的后向散射噪声与蒙特卡洛仿真器得到激光回波信号的展宽和时延，进而弥补该测距时延实现云雾环境下的实时高精度测距。
本实施方式的发射端包括激光器1、光束整形模块2、螺旋相位板3和光学系统5；
激光器1产生激光信号经过光束整形模块2获得单横模高斯型激光信号，以保证后面螺旋相位板的调制效率，并入射至螺旋相位板3，转变成具有空间环状结构的涡旋光束，该涡旋光束经分光器4入射至光学系统5，光学系统5将涡旋光束照射待探测的目标。
如图1所示，本实施方式的系统还包括分光器4和反射镜6；
分光器设置在螺旋相位板3和光学系统5之间，螺旋相位板3的涡旋光束经分光器4入射至光学系统5；
光学系统5接收经过目标反射的激光回波信号和云雾的后向散射噪声，并入射至分光器4，经分光器4后再入射至反射镜6，经反射镜6反射至环形分离器7中。
本实施方式对环形分离器的结构进行了设计，环形分离器的主体为环形，中间部为反射镜面，能够将环形中间位置的光场通过反射进行分离，环状部透光，发射端发射的是环形的涡旋光束，接收端接收的光场空间分布为环形的激光回波信号，环形中间部分为云雾后向散射噪声。环形分离器的透光部将激光回波信号透过，中间部分将云雾后向散射噪声反射。
对于环形分离器分离得到的激光回波信号和云雾后向散射噪声都进行了探测。环形分离器透射部分的激光回波由光电探测器接收计算目标距离。环形分离器中间反射部分的噪声由另一个光电探测器接收用于后续计算激光回波信号的展宽和时延。
本实施方式的蒙特卡洛仿真器根据云雾的后向散射噪声、云雾参数和激光测距系统的系统参数进行多个光子的米散射计算，仿真生成当前环境下的激光回波信号和云雾的后向散射噪声，获取激光回波的信号展宽和信号时延量；激光测距系统的系统参数包括发射激光的功率、激光束散角、激光脉冲宽度、激光重频、激光中心波长、光学系统的光学透过率；云雾参数包括云雾的能见度、云雾的光学厚度和云雾粒子的折射率。本实施方式蒙特卡洛仿真器的计算过程如图2所示。
本实施方式的蒙特卡洛仿真器10会根据输入量进行多个光子的米散射计算，进而仿真生成当前环境下的激光回波信号和云雾的后向散射噪声，最后输出激光回波的信号展宽和信号时延量。含有展宽和时延的信号如图3所示。蒙特卡洛仿真器10将信号展宽和信号时延量交由信号处理模块11，信号处理模块根据信号展宽和信号时延量对计算的目标距离进行修正，从而获得云雾环境下的高精度测距结果。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (5)

1.云雾环境中基于环形分离器实时补偿的高精度测距系统，其特征在于，所述测距系统包括发射端和接收端；
发射端产生具有空间环状结构的涡旋光束，并照射至待探测的目标上；
接收端包括环形分离器(7)、第一光电探测器(9)、第二光电探测器(8)、蒙特卡洛仿真器(10)和信号处理模块(11)；
经过目标反射的激光回波信号和云雾的后向散射噪声入射至接收端的环形分离器(7)中；环形分离器(7)将激光回波信号透射至第一光电探测器(9)中，同时将云雾的后向散射噪声反射至第二光电探测器(8)中；
第一光电探测器(9)将激光回波信号转换为电信号发送至信号处理模块(11)，信号处理模块(11)对接收的激光回波信号处理后得到目标距离信息；
第二光电探测器(8)将云雾的后向散射噪声转换为电信号发送至蒙特卡洛仿真器(10)，蒙特卡洛仿真器(10)根据云雾的后向散射噪声进行多个光子的米散射计算，仿真生成当前环境下的激光回波信号和云雾的后向散射噪声，输出激光回波的信号展宽和信号时延量至信号处理模块(11)，信号处理模块(11)根据所述激光回波的信号展宽和信号时延量对处理得到的目标距离信息进行修正，获得云雾环境下的高精度目标距离信息。
2.根据权利要求1所述的云雾环境中基于环形分离器实时补偿的高精度测距系统，其特征在于，所述环形分离器的主体为环形，中间部为反射镜面，环状部透光，环形分离器的环状部将激光回波信号透过，中间部将云雾的后向散射噪声反射。
3.根据权利要求1所述的云雾环境中基于环形分离器实时补偿的高精度测距系统，其特征在于，所述蒙特卡洛仿真器根据云雾的后向散射噪声、云雾参数和激光测距系统的系统参数进行多个光子的米散射计算，仿真生成当前环境下的激光回波信号和云雾的后向散射噪声，获取激光回波的信号展宽和信号时延量；
所述激光测距系统的系统参数包括发射激光的功率、激光束散角、激光脉冲宽度、激光重频、激光中心波长、光学系统的光学透过率；
云雾参数包括云雾的能见度、云雾的光学厚度和云雾粒子的折射率。
4.根据权利要求1所述的云雾环境中基于环形分离器实时补偿的高精度测距系统，其特征在于，所述发射端包括激光器(1)、光束整形模块(2)、螺旋相位板(3)和光学系统(5)；
激光器(1)产生激光信号经过光束整形模块(2)获得单横模高斯型激光信号，并入射至螺旋相位板(3)，转变成具有空间环状结构的涡旋光束，该涡旋光束经分光器(4)入射至光学系统(5)，光学系统(5)将涡旋光束照射待探测的目标。
5.根据权利要求4所述的云雾环境中基于环形分离器实时补偿的高精度测距系统，其特征在于，所述系统还包括分光器(4)和反射镜(6)；
分光器设置在螺旋相位板(3)和光学系统(5)之间，螺旋相位板(3)的涡旋光束经分光器(4)入射至光学系统(5)；
光学系统(5)接收经过目标反射的激光回波信号和云雾的后向散射噪声，并入射至分光器(4)，经分光器(4)后再入射至反射镜(6)，经反射镜(6)反射至环形分离器(7)中。
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