CN117849815A - 一种多波长激光测距装置及测距方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多波长激光测距装置，其包括：多波束激光器模块、测距计时器模块、旋转反射镜和透镜模块、探测器阵列模块、数据融合处理模块；多波束激光器模块用于向被测物发射多个光波长的脉冲激光，反射激光信号经旋转反射镜和透镜模块入射至探测器阵列模块，探测器阵列模块探测激光信号并转换为电信号输出给数据融合处理模块，同时将激光回波到达探测器阵列的时间发送给测距计时器，数据融合处理模块结合光信号往返被测物和测距装置的时间、探测信号强弱和有效性，获得测距结果。本发明对从可见光到红外多个光波长的光信号敏感的探测单元，减小了激光测距装置的体积和成本，简化光路设计。
Description
技术领域
本发明属于激光主动测距、探测技术领域，涉及一种多波长激光测距装置及测距方法。
背景技术
由于激光具有单色性好、方向性强、亮度高等特点，加上半导体技术、激光技术的快速发展，激光在测距、主动探测与成像方面的应用应运而生。从激光测距仪、激光焦平面探测器向目标发射的激光，经大气传播到达目标，再经目标反射后光信号回到测距仪或探测器；通过测定光波在测距仪与目标之间的传播时间，结合光速可得到被测物与测距装置之间的距离；通过探测落在各像元的光信号，可得到目标的图像信息。然而，目标激光信号回波会因为受到大气中气体、悬浮粒子等的散射、吸收而十分微弱；同时，激光从测距机、激光焦平面探测器等出射，即会有较强的后向散射光，后向散射光会返回测距仪、探测器等，成为不可忽视的干扰信号，影响测距成功率、探测成像清晰度等。
针对这一问题，目前常通过两种途径保证对目标的主动激光探测、测距。一种是采用增强激光光强，从而获得更强的目标激光回波，以实现成功的测距、探测成像；另一种是通过滤光片滤除进入仪器系统的激光波长以外的背景杂光，及减少仪器设备进光口、光学斩波器、光阑等的开放时间占比，从而弱化空间背景杂光、甚至后向散射激光的影响。然而，发射强激光会带来无意毁伤、暴露己方位置等不安全因素；后向散射的激光返回仪器系统的时间极短，光学通道开放时长对后向散射激光进入仪器系统的影响很小。
大气及大气中的胶体粒子等对不同光波长的激光的散射、衰减作用不同，不同天气条件，云雾厚度、胶体粒子尺度下，不同光波段的脉冲激光可能更具有用于激光测距的优势，但目前多波长激光测距相对少见，或组合式多波段测距装置存在成本高、测距耗时长的问题。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：提供一种多波长激光测距装置及测距方法，能够有效应对不同天气条件、云雾厚度、胶体粒子下，测距不准确不及时的问题，并提高激光测距系统的精度。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种多波长激光测距装置，包括：多波束激光器模块、测距计时器模块、旋转反射镜和透镜模块、探测器阵列模块、数据融合处理模块；多波束激光器模块用于向被测物发射多个光波长的脉冲激光，反射激光信号经旋转反射镜和透镜模块入射至探测器阵列模块，探测器阵列模块探测激光信号并转换为电信号输出给数据融合处理模块，同时将激光回波到达探测器阵列的时间发送给测距计时器，数据融合处理模块结合光信号往返被测物和测距装置的时间、探测信号强弱和有效性，获得测距结果。
多波束激光器模块依次发射多个光波长的脉冲激光。
旋转反射镜和透镜模块包括旋转反射镜和透镜，旋转反射镜布置在被测物的反射光路上，透镜布置在旋转反射镜的反射光路上。
旋转反射镜的反射面倾斜角度可调，以满足在相应时段只反射一个光波长的激光回波。
探测器阵列模块包括对不同光波长的激光敏感的探测单元。
通过控制不同光波长的激光的发射时间、反回的激光回波抵达探测器阵列的时间和辐照的探测单元，实现几乎同时的多个光波长的脉冲激光对被测物的距离测量。
本发明还提供一种多波长激光测距方法，通过多波束激光器模块，以时间间隔t0(t0<30毫秒)向被测物先后发射多个光波长的脉冲激光，同时向测距计时器模块发送各光波长的脉冲激光的出射时间；各光波长的脉冲激光先后抵达被测物，被测物表面反射激光信号，抵达旋转反射镜；预设的旋转反射镜的每个特定角度在相应时段只反射相应的一个光波长的激光回波，该激光回波经透镜，抵达探测器阵列上相应的探测单元，完成该激光信号探测；旋转反射镜切换到下一个预设的空间角，并反射下一个光波长的激光回波，激光回波经透镜，抵达相应的探测单元，并完成该激光信号探测；以此反复，直至最后一个待探测的激光回波处理结束；探测器阵列各探测单元探测所得的电信号输出给数据融合处理模块，将激光回波到达探测器阵列的时间发送给测距计时器，数据融合处理模块结合光信号往返被测物和测距装置的时间、探测信号强弱和有效性等，舍弃不可靠的测距，给出可靠的测距结果的距离平均值。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的多波长激光测距装置及测距方法，具有以下有益效果：
(1)利用大气、云雾厚度、胶体粒子尺寸对不同光波长的脉冲激光的散射、衰减作用的不同，通过控制不同光波长的脉冲激光的发射时间、反回的激光回波抵达探测器阵列的时间和不同光波长的激光回波辐照探测器阵列不同的光波长敏感探测单元，实现几乎同时(t0<30毫秒，3波长激光测距时，总耗时可小于100毫秒)的多个光波长的脉冲激光对被测物的距离测量。不同光波长的脉冲激光通过在发射时间上加上时间间隔，在空间上以旋转反射镜改变不同光波长的激光回波最后的路径，实现多波长激光测距。探测器阵列集成对从可见光到红外多个光波长的光信号敏感的探测单元，减小了激光测距装置的体积和成本，简化光路设计。
(2)该多波长激光测距装置比目前其他的激光测距装置更能适用于各种天气条件、云雾厚度、胶体粒子尺寸，由于巧妙的设计，它能保证测距成功率更高、精度更高、测距耗时和其他激光测距装置相当，装置体积更小等。
附图说明
图1为本发明实施例多波长激光测距装置的原理图。
图2为本发明实施例多波长激光测距方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
实施例一
图1为本发明的多波长激光测距装置框图，所述多波长激光测距装置的测距过程参见图2，本发明实施例一提供一种多波长激光测距装置，包括：多波束激光器模块、测距计时器模块、旋转反射镜和透镜模块、探测器阵列模块、数据融合处理模块，其中多波长。测距过程为：(1)当所述多波束激光测距装置接收到测量指令后按时间间隔30毫秒依次序向指定被测物发出光波长为0.694μm、1.064μm、1.540μm的脉冲激光，脉宽均为20纳秒，脉冲能量分别为10焦耳、1焦耳、0.06焦耳，同时多波束激光器模块向数据融合处理模块发送各激光束发出的时间。(2)多波束激光按时间先后顺序抵达被测物表面，并被被测物表面反射，部分激光几乎原路返回。(3)多波束激光回波按时间先后顺序返回抵达可旋转反射镜，光波长为0.694μm的激光信号最先抵达，此时处于相应空间角度旋转反射镜将它的反射、再经透镜折射，光波长为0.694μm的激光信号到达探测器阵列上专用于光波长为0.694μm的激光信号探测探测单元，该探测单元对光信号进行积分、转变为电信号、输出给数据融合处理模块，此过程在30毫秒内完成；在下一个、下下一个30毫秒周期内，光波长1.064μm、1.540μm的激光信号依次抵达空间方位角已相应自动调整的旋转反射镜、透镜、探测器阵列上的相应单元，并完成对激光信号的积分、转换成电信号、电信号输出给数据融合处理模块，激光回波到达探测器阵列的时间输出给测距计时器。(4)数据融合处理模块根据从测距计时器、探测器阵列传来的信息，进行处理后给出被测物距离测距装置的光传播时间、平均距离(过程中判断、剔除不准确的时间和测距结果)。
实施例二
本发明实施例二提供一种多波长激光测距装置，包括：多波束激光器模块、测距计时器模块、旋转反射镜和透镜模块、探测器阵列模块、数据融合处理模块，其中多波束激光器发射四种不同光波长的脉冲激光。测距过程为：(1)当所述多波束激光测距装置接收到测量指令后按时间间隔30毫秒依次序向指定被测物发出光波长为0.694μm、1.064μm、1.540μm、2.060μm的脉冲激光，脉宽均为20纳秒，脉冲能量分别为10焦耳、1焦耳、0.06焦耳、0.05焦耳，同时多波束激光器模块向数据融合处理模块发送各激光束发出的时间。(2)多波束激光按时间先后顺序抵达被测物表面，并被被测物表面反射，部分激光几乎原路返回。(3)多波束激光回波按时间先后顺序返回抵达可旋转反射镜，光波长为0.694μm的激光信号最先抵达，此时处于相应空间角度旋转反射镜将它的反射、再经透镜折射，光波长为0.694μm的激光信号到达探测器阵列上专用于光波长为0.694μm的激光信号探测探测单元，该探测单元对光信号进行积分、转变为电信号、输出给数据融合处理模块，此过程在30毫秒内完成；在随后3个30毫秒周期内，光波长1.064μm、1.540μm、2.060μm的激光信号依次抵达空间方位角已相应自动调整的旋转反射镜、透镜、探测器阵列上的相应单元，并完成对激光信号的积分、转换成电信号、电信号输出给数据融合处理模块，激光回波到达探测器阵列的时间输出给测距计时器。(4)数据融合处理模块根据从测距计时器、探测器阵列传来的信息，进行处理后给出被测物距离测距装置的光传播时间、平均距离(过程中判断、剔除不准确的时间和测距结果)，并显示在所述测距装置的显示屏上。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种多波长激光测距装置，其特征在于，包括：多波束激光器模块、测距计时器模块、旋转反射镜和透镜模块、探测器阵列模块、数据融合处理模块；多波束激光器模块用于向被测物发射多个光波长的脉冲激光，反射激光信号经旋转反射镜和透镜模块入射至探测器阵列模块，探测器阵列模块探测激光信号并转换为电信号输出给数据融合处理模块，同时将激光回波到达探测器阵列的时间发送给测距计时器，数据融合处理模块结合光信号往返被测物和测距装置的时间、探测信号强弱和有效性，获得测距结果。
2.如权利要求1所述的多波长激光测距装置，其特征在于，所述多波束激光器模块依次发射多个光波长的脉冲激光。
3.如权利要求2所述的多波长激光测距装置，其特征在于，所述旋转反射镜和透镜模块包括旋转反射镜和透镜，旋转反射镜布置在被测物的反射光路上，透镜布置在旋转反射镜的反射光路上。
4.如权利要求3所述的多波长激光测距装置，其特征在于，所述旋转反射镜的反射面倾斜角度可调，以满足在相应时段只反射一个光波长的激光回波。
5.如权利要求4所述的多波长激光测距装置，其特征在于，所述探测器阵列模块包括对不同光波长的激光敏感的探测单元。
6.一种基于权利要求5所述多波长激光测距装置的多波长激光测距方法，其特征在于，通过控制不同光波长的激光的发射时间、反回的激光回波抵达探测器阵列的时间和辐照的探测单元，实现几乎同时的多个光波长的脉冲激光对被测物的距离测量。
7.如权利要求6所述的多波长激光测距方法，其特征在于，多波束激光器模块以时间间隔t0向被测物先后发射多个光波长的脉冲激光，同时向测距计时器模块发送各光波长的脉冲激光的出射时间；各光波长的脉冲激光先后抵达被测物，被测物表面反射激光信号，抵达旋转反射镜；预设的旋转反射镜的每个特定角度在相应时段只反射相应的一个光波长的激光回波，该激光回波经透镜，抵达探测器阵列上相应的探测单元，完成该激光信号探测；旋转反射镜切换到下一个预设的空间角，并反射下一个光波长的激光回波，激光回波经透镜，抵达相应的探测单元，并完成该激光信号探测；以此反复，直至最后一个待探测的激光回波处理结束。
8.如权利要求7所述的多波长激光测距方法，其特征在于，探测器阵列各探测单元探测所得的电信号输出给数据融合处理模块，将激光回波到达探测器阵列的时间发送给测距计时器，数据融合处理模块结合光信号往返被测物和测距装置的时间、探测信号强弱和有效性等，舍弃不可靠的测距，给出可靠的测距结果的距离平均值。
9.如权利要求8所述的多波长激光测距方法，其特征在于，时间间隔t0<30毫秒。
10.一种基于权利要求6-9中任一项所述多波长激光测距方法在激光主动测距、探测技术领域中的应用。
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