CN115639539A - 基于宽谱类噪声脉冲光谱扫描的激光测距装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光测距领域，特涉及一种基于宽谱类噪声脉冲光谱扫描的激光测距装置及方法。本发明涉利用类噪声脉冲激光器产生宽谱类噪声脉冲，并对脉冲进行时间拉伸和光谱切割处理，获得具有自随机编码特征的多波段类噪声脉冲，该脉冲的不同波长分量具有较高的自相关性并且相互之间没有相关性；将多波段类噪声脉冲分为参考光束和探测光束；探测光束完成探测之后，利用准直聚焦透镜将带有多点位置信息的反射光束耦合进光纤；利用光电探测器分别接收参考光束和探测光束，并将其转换为电信号，再由数据采集设备完成数据采集；最后利用计算机做互相关计算，完成多点位置信息的解算。本发明解决传统激光测距无法实现高精度的多点探测的问题。

Description

基于宽谱类噪声脉冲光谱扫描的激光测距装置及方法

技术领域：

本发明属于激光测距领域，更具体地，涉及一种基于宽谱类噪声脉冲光谱扫描的激光测距装置及方法。

背景技术：

激光，是二十世纪具有重大影响力的发现之一。由于激光具有方向性强、亮度高、单色性好等许多优点，激光在检测领域中的应用十分广泛，激光测距是激光较早的应用之一，如今在许多方面都有着广泛的应用，如尺寸测量、位置测量、液位测量、形变监测、海啸/泥石流等自然灾害监测、定位等。

激光测距的基本原理如下：激光由发射单元发射，以光速到达目标物后反射回来，被接收单元接收，通过距离计算与显示单元得到目标物距离。根据激光测距的基本原理，激光测距技术可以分为激光飞行时间测距和非飞行时间激光测距两类。其中飞行时间测距根据所发射激光状态的不同，可分为脉冲激光测距和连续波激光测距。后者根据起止时刻标识的不同又分为相位激光测距和调频激光测距。非飞行时间激光测距技术是指在测距时并不像飞时测距法直接或者间接获得激光飞行时间，而是通过光子计数或者数学统计的方法来得到目标物距离。

目前使用的比较多的方法是脉冲激光测距法。基于激光脉冲持续时间极短、能量在时域上较为集中、瞬时功率大(可达兆瓦级别)的特点，脉冲激光测距有着较为广泛的测距，它的基本原理是：向被测目标发射一束短而强的激光脉冲，在目标表面经反射后被光电探测器所接收，根据激光往返时间计算出激光发射点与物体的距离。脉冲法是采用测量激光的传输时间的测量方法，由于激光脉冲的能量相对比较集中，能够传输较远的距离，所以该方法适用于较远距离测距。

对于单点位置探测，采用脉冲激光测距法可以获得高精度的结果。对于高精度的多点位置探测，可在单点探测的基础上对光源加以改进：采用经光谱切割后的宽谱类噪声脉冲作为激光光源。作为超短脉冲其中的一种，类噪声脉冲的典型特征表现为：具有宽波包(波包内部具有脉冲宽度和脉冲峰值功率随机变化的飞秒脉冲结构)、宽而平滑的光谱(平均效果)、低时域相干性的特征。类噪声脉冲从最初被发现到现在的许多年间，已经有许多科研团队研究报道了这种脉冲，这种脉冲的优势在于：相较于传统的锁模脉冲，具有大能量、宽脉宽等特征的类噪声脉冲在激光器中更易生成。

采用宽谱类噪声脉冲作为激光测距光源，通过光谱切割后得到的多波段类噪声脉冲具有频域自随机编码特征，即在频域上具有混乱的随机分布，无确定性规律，其各波长分量具有较高的自相关性，并且相互之间没有相关性，能够作为多点测距光源。利用参考光束和探测光束进行互相关算法，获得较高精确的多点测距结果，实现高精度的多点探测，在光纤传感、激光雷达等众多领域具有很高的研究意义和应用价值。

发明内容：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于宽谱类噪声脉冲光谱扫描的激光测距装置及方法。本发明通过对参考光束和探测光束的互相关运算，可以实现相对较高精度的多点测距结果，解决传统激光测距无法实现高精度的多点探测的问题。

本发明的技术方案是：一种基于宽谱类噪声脉冲光谱扫描的激光测距装置，包括光源模块、光谱切割模块、耦合器、环形器、空间测距模块、数据处理模块，光源模块包括类噪声脉冲激光器和色散介质，色散介质与类噪声脉冲激光器连接，其特征在于：光谱切割模块包括阵列波导光栅、时延部分和合束器，色散介质与阵列波导光栅相连，阵列波导光栅、时延部分和合束器依次连接；合束器和耦合器输入相连，耦合器输出分别与第一光电探测器、环形器输入相连；环形器分别与第二光电探测器相连；空间测距模块包括准直聚焦透镜、导向器和空间色散器件，准直聚焦透镜与环形器的2端口相连，准直聚焦透镜、导向器、空间色散器件依次相连；数据处理模块包括第一光电探测器、第二光电探测器和数据采集设备，数据采集设备采集第一光电探测器、第二光电探测器数据。

根据如上一种基于宽谱类噪声脉冲光谱扫描的激光测距装置，其特征在于：

色散介质对类噪声脉冲的时间拉伸函数如下：

其中，ΔT为时间拉伸技术之后的类噪声脉冲宽度，c为真空中的光速，β₂z为色散介质引入的大群速度色散，Δλ为宽谱类噪声脉冲的光谱带宽，λ为类噪声脉冲的光谱中心波长。

根据如上一种基于宽谱类噪声脉冲光谱扫描的激光测距装置，其特征在于：阵列波导光栅将类噪声脉冲按照不同波段进行分路，得到N路探测信号，时延部分对N个类噪声脉冲施加与波长相关的时间延迟，使得N个类噪声脉冲等间距地分布在同一个脉冲周期里，合束器将N路脉冲耦合到一起。

本发明还公开了基于宽谱类噪声脉冲光谱扫描的激光测距方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步，对噪声脉冲激光器输出的宽谱类噪声脉冲进行时间拉伸处理，获得时间拉伸类噪声脉冲；

第二步，利用阵列波导光栅实现对时间拉伸类噪声脉冲的谱切割处理，并对各路脉冲进行与波长相关的时延处理，然后利用合束器对多路脉冲进行合束，获得多波段类噪声脉冲；

第三步：利用耦合器将多波段类噪声脉冲分为参考光束和探测光束，将探测光束接进环形器用于实施探测；

第四步：利用准直聚焦透镜准直并发射探测光束，利用导向器调节探测光束的出射角度，利用空间色散器件对探测光束进行基于波长的分路，带有多点位置信息的反射光束被准直聚焦透镜准直并进入光纤，然后传输到环形器；

第五步：利用第一光电探测器接收参考光束，利用第二光电探测器接收反射光束，并将两者转换为电信号；

第六步：通过数据采集设备采集第一光电探测器和数据第二光电探测器，并其计算探测结果。

根据如上所述的基于宽谱类噪声脉冲光谱扫描的激光测距方法，其特征在于：步骤一中时间拉伸函数如下：

其中，ΔT为时间拉伸技术之后的类噪声脉冲宽度，c为真空中的光速，β₂z为色散介质引入的大群速度色散，Δλ为宽谱类噪声脉冲的光谱带宽，λ为类噪声脉冲的光谱中心波长。

根据如上所述的基于宽谱类噪声脉冲光谱扫描的激光测距方法，其特征在于：步骤二的具体过程为：阵列波导光栅将类噪声脉冲按照不同波段进行分路，得到N路探测信号，时延部分对N个类噪声脉冲施加与波长相关的时间延迟，使得N个类噪声脉冲等间距地分布在同一个脉冲周期里，合束器将N路脉冲耦合到一起。

根据如上所述的基于宽谱类噪声脉冲光谱扫描的激光测距方法，其特征在于：计算探测结果的互相关函数R函数为：

其中X_R(t)为参考光信号，X_P(t-τ)为探测光信号，τ为探测信号与参考信号之间的时延。

本发明的有益效果是：1、利用时间拉伸技术实现宽谱类噪声脉冲频域向时域的映射，并对其进行谱切割处理，从而获得具有频域自随机编码特征的多波段类噪声脉冲。2、全光纤结构，具有光束质量好、抗干扰能力强、结构简单紧凑、成本低廉、调节简便、效率高、稳定性好等优势。3、对探测光脉冲与信号光脉冲采用互相关算法，获得高精度的多点探测结果。

附图说明：

图1是系统总框图；

图2是光源模块；

图3是光谱切割模块；

图4是空间测距模块；

图5是数据处理模块。

附图标记说明：光源模块1、光谱切割模块2、耦合器3、环形器4、空间测距模块5、数据处理模块6、类噪声脉冲激光器7、色散介质8、阵列波导光栅9、时延部分10、合束器11、准直聚焦透镜12、导向器13、空间色散器件14、第一光电探测器15、第二光电探测器16、数据采集设备17。

具体实施方式：

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了基于宽谱类噪声脉冲光谱扫描的激光测距装置，包括光源模块1、光谱切割模块2、耦合器3、环形器4、空间测距模块5、数据处理模块6，

光源模块1包括类噪声脉冲激光器7和色散介质8，色散介质8与类噪声脉冲激光器7连接。类噪声脉冲激光器7用于产生宽带类噪声脉冲。类噪声脉冲在平均光谱测量仪器上一般表现出宽且平滑的光谱特性，其真实光谱是混乱的随机分布。而在时域上，类噪声脉冲不同于传统锁模脉冲的单一脉冲形式，而是由随机演化的、脉宽各不相同的超短脉冲聚集在一起形成的波包。色散介质8对产生的类噪声脉冲进行时间拉伸，获得具有频域自编码特征的时间拉伸类噪声脉冲。时间拉伸是利用不同波长的光在介质中传播的群速度不同，较大色散介质将会对脉冲进行线性的展宽，得到其实时光谱信息。当一束光进入到色散介质中，在大的群速度色散作用下，每个脉冲的光谱都被映射到强度包络类似脉冲光谱的时域波形上，换句话说，每个脉冲产生的时域波形都是空间域远场衍射图的时间模拟。经色散介质8时间拉伸后的类噪声脉冲表现为混乱的随机分布，各波长分量具有较高的自相关性，相互之间没有相关性，是作为激光测距的最佳光源。通过时间拉伸方法，使得不同波长的光在大群速度色散的作用下发生分离，使得脉冲被展宽，将类噪声脉冲的实时光谱信息映射到时域脉冲波形上，如下：

其中，ΔT为时间拉伸技术之后的类噪声脉冲宽度，c为真空中的光速，β₂z为色散介质引入的大群速度色散，Δλ为宽谱类噪声脉冲的光谱带宽，λ为类噪声脉冲的光谱中心波长。与宽而平坦的光谱不同，被时间拉伸之后的类噪声脉冲表现为一个很宽的脉冲波包，内部具有大量脉冲宽度和脉冲峰值功率随机变化的低相干飞秒脉冲结构，且随泵浦功率增大，其内部的飞秒脉冲数目会继续增加。这种自随机编码的类噪声脉冲的优势在于无需额外的编码步骤，每一个激光器输出的类噪声脉冲都是已经自随机编码的，具有很高的相关性，而两两脉冲之间则是非常低的相关性，因此可用于长距离光纤内或空间探测。

光谱切割模块2：对时间拉伸类噪声脉冲进行基于波长选择的分路、时延、合束处理，实现时间窗口切割，输出多波段类噪声脉冲。光谱切割模块2包括阵列波导光栅9、时延部分10和合束器11，色散介质8与阵列波导光栅9相连。阵列波导光栅9、时延部分10和合束器11依次连接。利用阵列波导光栅9对时间拉伸类噪声脉冲进行基于波长选择的分路，获得波长不同的多路脉冲，这些脉冲具有较高自相关性，但互不相关。利用时延部分10对各路脉冲进行与波长相关的时延，以获得更大的探测范围。最后利用合束器11对多路脉冲进行合束，由此获得了可以用于多点测距的多波段类噪声脉冲。具体来说，阵列波导光栅9将类噪声脉冲按照不同波段进行分路，得到N路探测信号，每一路都可以被认为是一个中心波长不同的新的自随机编码脉冲，具有很高的自相关性。时延部分10对N个类噪声脉冲施加与波长相关的时间延迟，使得N个类噪声脉冲等间距地分布在同一个脉冲周期里。合束器11将N路脉冲耦合到一起，形成一个新的类噪声脉冲序列，脉冲周期为分路之前的1/N。

合束器11和耦合器3相连，利用耦合器3将光束分为参考光束和探测光束。耦合器3实现光路分束，获得参考光束和探测光束，探测光用于探测多点位置信息；参考光用于同参考光束进行互相关运算。耦合器3的1端口(靠近耦合器的一端)与环形器4相连，用于传输探测光束；耦合器3的2端口与第一光电探测器15相连，用于接收参考光束；环形器4与第二光电探测器16相连，用于接收带有多点位置信息的反射光束。环形器4将带有多点位置信息的反射光束传输到数据处理模块6。环形器4与准直聚焦透镜12相连，传输探测光束和反射光束。

空间测距模块5利用多波段类噪声脉冲进行多点探测，并且传输带有多点位置信息的反射光束。空间测距模块5包括准直聚焦透镜12、导向器13和空间色散器件14，准直聚焦透镜12与环形器4的2端口相连，准直聚焦透镜12、导向器13、空间色散器件14按如图方式依次相连。探测光束经准直聚焦透镜12准直后发射到空间中；导向器13以与激光器输出类噪声脉冲相同的周期调整探测光出射方向，使得一个原脉冲周期内的类噪声脉冲序列以同一个方向出射。导向器共有M个纵向等角度间隔的出射方向。导向器13中出射的类噪声脉冲光探测光入射到空间色散器件14，根据类噪声脉冲光中心波长的不同，使得一个原脉冲周期内的N个类噪声脉冲以N个不同的横向角度出射。由此，M个激光器输出脉冲周期即可实现M×N的探测阵列。每个探测回波信号由原光路返回，从环形器4的2端口入射，从3端口(靠近数据处理模块)输出。本发明的准直聚焦透镜12用于准直光束并向空间发射探测脉冲，空间色散器件14对探测光束的出射角度进行调节，空间色散器件14对探测光束进行基于波长选择的分路，继而实施多点探测。返回的带有物体位置信息的反射光束由准直聚焦透镜12准直进入光纤。

数据处理模块6包括第一光电探测器15、第二光电探测器16和数据采集设备17。由第一光电探测器15、第二光电探测器16分别接受参考光束、反射光束，并转换为电信号，由数据采集设备17进行数据采集。利用计算机进行互相关等数据处理，解算多点的精确位置信息。

基于宽谱类噪声脉冲光谱扫描的激光测距方法，利用时间拉伸技术实现宽谱类噪声脉冲频域向时域的映射，并对其进行谱切割处理，从而获得具有频域自随机编码特征的多波段类噪声脉冲。通过对参考光束和反射光束进行互相关运算，获得精确的多点探测结果。

第一步，首先，搭建类噪声脉冲激光器，并对其输出的宽谱类噪声脉冲进行时间拉伸处理，获得时间拉伸类噪声脉冲；

第二步，利用阵列波导光栅9实现对时间拉伸类噪声脉冲的谱切割处理，并对各路脉冲进行与波长相关的时延处理，然后利用合束器11对多路脉冲进行合束，获得多波段类噪声脉冲；

第三步：利用耦合器3将多波段类噪声脉冲分为参考光束和探测光束，将探测光束接进环形器4用于实施探测；

第四步：利用准直聚焦透镜12准直并发射探测光束，利用导向器13调节探测光束的出射角度，利用空间色散器件14对探测光束进行基于波长的分路，继而实现多点探测。带有多点位置信息的反射光束被准直聚焦透镜12准直并进入光纤，然后传输到环形器4。

第五步：利用第一光电探测器15接收参考光束，利用第二光电探测器16接收反射光束，并将两者转换为电信号。

第六步：通过数据采集设备17采集数据，并利用互相关算法解算出精确的探测结果。

其中，利用参考光与探测光的互相关算法测距的原理如下：在时域上，探测光与参考光具有相同的波形，且均表现出类噪声的特性。探测光经空间测距模块反射后返回，同参考光相比，所走过的路程不同，即光程差存在，此时探测光与参考光之间存在时延τ。设X_R(t)为参考光信号，参考光和探测光进行互相关运算所得的互相关函数可表示为：

其中，X_P(t-τ)为探测光信号，τ为探测信号与参考信号之间的时延。互相关函数R用于衡量两波形之间的相似程度，即相关性。由于参考光与探测光在时域上波形相同，均表现出类噪声特性，所以互相关函数只在t＝τ处出现峰值。在知道探测光与参考光的时延τ后，根据光在光纤中的传播速度，就可推算出与待测物的距离，实现激光测距。同传统测距方法相比，采用探测光与参考光进行互相关运算的方法具有高精度、高准确率的优点。

本发明可以通过M个激光器输出的类噪声自编码脉冲实现空间中M×N的探测阵面，根据不同的应用场景和需求，可以灵活调整M和N的个数，以及导向器13和空间色散器件14的扫描角度，进而控制探测阵面的大小和精细度，实现高效、精准的阵面距离探测，可用于激光雷达等快速测量领域。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于宽谱类噪声脉冲光谱扫描的激光测距装置，包括光源模块(1)、光谱切割模块(2)、耦合器(3)、环形器(4)、空间测距模块(5)、数据处理模块(6)，光源模块(1)包括类噪声脉冲激光器(7)和色散介质(8)，色散介质(8)与类噪声脉冲激光器(7)连接，其特征在于：光谱切割模块(2)包括阵列波导光栅(9)、时延部分(10)和合束器(11)，色散介质(8)与阵列波导光栅(9)相连，阵列波导光栅(9)、时延部分(10)和合束器(11)依次连接；合束器(11)和耦合器(3)输入相连，耦合器(3)输出分别与第一光电探测器(15)、环形器(4)输入相连；环形器(4)分别与第二光电探测器(16)相连；空间测距模块(5)包括准直聚焦透镜(12)、导向器(13)和空间色散器件(14)，准直聚焦透镜(12)与环形器(4)的2端口相连，准直聚焦透镜(12)、导向器(13)、空间色散器件(14)依次相连；数据处理模块(6)包括第一光电探测器(15)、第二光电探测器(16)和数据采集设备(17)，数据采集设备(17)采集第一光电探测器(15)、第二光电探测器(16)数据。

2.根据权利要求1一种基于宽谱类噪声脉冲光谱扫描的激光测距装置，其特征在于：色散介质(8)对类噪声脉冲的时间拉伸函数如下：

其中，ΔT为时间拉伸技术之后的类噪声脉冲宽度，c为真空中的光速，β₂z为色散介质引入的大群速度色散，Δλ为宽谱类噪声脉冲的光谱带宽，λ为类噪声脉冲的光谱中心波长。

3.根据权利要求1一种基于宽谱类噪声脉冲光谱扫描的激光测距装置，其特征在于：阵列波导光栅(9)将类噪声脉冲按照不同波段进行分路，得到N路探测信号，时延部分(10)对N个类噪声脉冲施加与波长相关的时间延迟，使得N个类噪声脉冲等间距地分布在同一个脉冲周期里，合束器(11)将N路脉冲耦合到一起。

4.一种基于宽谱类噪声脉冲光谱扫描的激光测距方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步，对噪声脉冲激光器输出的宽谱类噪声脉冲进行时间拉伸处理，获得时间拉伸类噪声脉冲；

第二步，利用阵列波导光栅(9)实现对时间拉伸类噪声脉冲的谱切割处理，并对各路脉冲进行与波长相关的时延处理，然后利用合束器(11)对多路脉冲进行合束，获得多波段类噪声脉冲；

第三步：利用耦合器(3)将多波段类噪声脉冲分为参考光束和探测光束，将探测光束接进环形器(4)用于实施探测；

第四步：利用准直聚焦透镜(12)准直并发射探测光束，利用导向器(13)调节探测光束的出射角度，利用空间色散器件(14)对探测光束进行基于波长的分路，带有多点位置信息的反射光束被准直聚焦透镜(12)准直并进入光纤，然后传输到环形器(4)；

第五步：利用第一光电探测器(15)接收参考光束，利用第二光电探测器(16)接收反射光束，并将两者转换为电信号；

第六步：通过数据采集设备(17)采集第一光电探测器(15)和数据第二光电探测器(16)，并其计算探测结果。

5.根据权利要求4所述的基于宽谱类噪声脉冲光谱扫描的激光测距方法，其特征在于：步骤一中时间拉伸函数如下：

其中，ΔT为时间拉伸技术之后的类噪声脉冲宽度，c为真空中的光速，β₂z为色散介质引入的大群速度色散，Δλ为宽谱类噪声脉冲的光谱带宽，λ为类噪声脉冲的光谱中心波长。

6.根据权利要求4所述的基于宽谱类噪声脉冲光谱扫描的激光测距方法，其特征在于：步骤二的具体过程为：阵列波导光栅(9)将类噪声脉冲按照不同波段进行分路，得到N路探测信号，时延部分(10)对N个类噪声脉冲施加与波长相关的时间延迟，使得N个类噪声脉冲等间距地分布在同一个脉冲周期里，合束器(11)将N路脉冲耦合到一起。

7.根据权利要求4所述的基于宽谱类噪声脉冲光谱扫描的激光测距方法，其特征在于：计算探测结果的互相关函数R函数为：

其中X_R(t)为参考光信号，X_P(t-τ)为探测光信号，τ为探测信号与参考信号之间的时延。

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