CN1648683A - 电光双调制偏振光激光测距方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种电光双调制偏振光激光测距方法及其装置，利用激光的偏振特性作为信息载体，通过晶体的电光效应调制偏振光来进行激光测距，利用偏振光分束器的偏振分光作用，完成待测距离信息的提取，利用两平均光强探测器的比值，获取测距最终结果。本发明全部由光学方法来完成待测距离信息的处理和提取，去掉了复杂的配套处理电路系统，克服了由光电转换过程和电路系统本身引入的误差。本发明结构简单，操作方便，测量距离范围广，测量精度高，可达厘米级的测距精度。

Description

电光双调制偏振光激光测距方法及其装置

技术领域

本发明涉及激光测距，特别是一种电光双调制偏振光激光测距方法及其装置，可应用于工农业生产、军事、通信、遥感等诸多领域。

背景技术

对距离信息的高精度测量是国家现代化建设诸多领域的关键技术之一。随着科技的发展，对距离测量的范围和精度要求越来越高。激光作为具有极高单色性、准直性、相干性的信息载体，已成为距离测量的首选工具。目前国内外先进的测距仪器均利用激光作为信息载体来提高测距的精确度。

在先技术[1](参见Kozo Ohtani，Misuru Baba，A rangefinding approachby detecting the position and the incident angle of a light-stripe，IEEEInstru.and Mea.Techno.Conf.2002)是一种几何光学的测距方法。激光器发射激光束，经目标反射后被PSD或CCD接收，然后根据接收到的光斑位置和激光器与接收器之间的几何位置关系，来计算目标与探测器之间距离。这种方法主要用于工业上的面型轮廓测量、2D/3D面型重构以及定位等，测量相对精度为0.85％左右，只能测很短的距离。随着距离的增加，精度急剧下降。

在先技术[2](参见Raimo Ahola，Risto Myllyla，A new method formeasuring the time-of-flight in fast laser range finding，[J].Proc.SPIEvol.654，1986)是一种利用光脉冲飞行时间的测距方法。由脉冲激光器发出一持续时间很短的脉冲激光，称之为主波。经过待测距离L后射向被测目标，被目标反射回来的脉冲激光称之为回波，回波返回测距仪后被光电探测器接收，根据主波信号和回波信号之间的时间间隔，即激光脉冲从激光器发射到被目标反射回来的往返时间t，就可以算出待测目标的距离，即L＝ct/2，其中c为光速。这种方法除需要较高性能的激光器外，还需复杂的电路处理系统。首先要将部分主波光脉冲的能量转化为电脉冲，整形后经门控电路触发计数器，开始对时钟振荡器发出的时间脉冲个数进行计数；然后回波信号到达后被探测器再次转化为电信号，经过同样的电学处理过程，停止对时间脉冲信号的计数，由时间信号脉冲的个数确定光脉冲往返时间t。在光信号转化为电信号的过程和电信号的电路处理系统中都会引入很多误差。

在先技术[3](参见Fujima I，Seta K，Matsumoto H and O’ishi T 1988GHz traveling-wave optical modulator for precision distance measurementProc.SPIE vol 889)是一种利用连续激光相位信息的测距方法。相位激光测距通过测量高频调制相位差来实现测距。仪器中的光源发出连续光，通过调制器调制后成为调制光射向目标，调制光的光强随时间作周期变化，采用正弦波调制，测定光波往返过程中的正弦波整周期数及不足一个周期的正弦函数的相位，就可确定光波的往返时间的间隔t，从而计算出所测距离。这种方法仍需要将光信号转化为电信号后经电路系统来处理，由电子比相器比较发射和接受正弦波的相位差，而且还需增加精密调制正弦光强的电学装置。

在先技术[4](参见S F Collins，M M Murphy，K T V Grattan，etal.Asimple laser diode ranging scheme using an intensity modulated FMCWapproach[J].Meas.and Tech.，1993，4)是一种利用连续激光频率信息的测距方法。连续波调频激光测距原理是通过发射一频率连续可调的激光，通过测量接收到经目标反射回来激光的频率来推算距离。接收光与发射光由于啁啾而存在频率漂移，所以在混频器中将产生拍频，这个拍频与待测距离成正比。这种方法仍需要将光信号转化为电信号后经电路系统来处理，而且还需增加调节激光频率的附加电路系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足，提供一种电光双调制偏振激光测距方法及其装置，全部由光学方法来完成待测距离信息的处理和提取，克服由光电转换过程和电路系统本身引入的误差。本发明应结构简单，操作方便，测量距离范围广，测量精度高。

本发明的技术解决方案如下：

一种电光双调制偏振激光测距方法，其核心是将激光的偏振特性作为待测距离信息的载体，在单轴电光晶体的晶轴方向上加振幅为晶体半波电压大小的方波脉冲电压，对往返两次不同时刻通过该晶体的线偏振激光分别进行两次电光调制；利用偏振分光器和偏振光隔离器将调制后的光束分为两个包含待测距离信息的光脉冲序列；利用两个探测器分别接收到的脉冲序列的平均光强比值，利用下列公式求待测距离L，

$L=$ $c*$ $\frac{t}{2}$ $=c*$ $\frac{1}{2}\left(\frac{I_7*T}{I_7+I_8}\right)$

式中：c为光速，

T为所加方波电压脉冲序列的脉宽和间隔，

I₇、I₈分别为两探测器输出的平均光强值。

实施本发明方法的电光双调制偏振激光测距装置，其特征在于包括一连续波线偏振激光光源，沿该连续波线偏振激光光源的输出方向，依次是偏振光隔离器、第一偏振光分束器、电光调制晶体，该电光调制晶体为一长方体，其长度方向与输出光方向一致，其晶轴垂直于输出光方向，在电光调制晶体的晶轴方向的两面贴有一对电极片并与一占空比为1∶1的方波脉冲、电压幅值为半波电压Vπ的电源的两电极相连，在所述的第一偏振光分束器和偏振光隔离器回光的反射光方向分别设有第一光强探测器和第二光强探测器。

所述的偏振光隔离器由第二偏振光分束器和磁旋光器组成，该磁旋光器的单程旋光能力为π/4，所述的第一偏振光分束器的通光光轴和第二偏振光分束器的通光光轴成45°

所述的第一偏振光分束器和第二偏振光分束器是格兰棱镜。

所述的两电极片大小与电光调制晶体的晶轴垂直的两b×c平面相同并分别贴在电光调制晶体两个b×c平面上。

所述的第一光强探测器和第二光强探测器的性能完全相同。

与在先技术相比，本发明有以下特点：

1、在先技术[1][2][3][4]分别利用了激光的几何特性、脉冲特性、相位信息、频率信息来作为测量距离信息的载体，本发明首次利用激光的偏振特性作为信息载体来进行激光测距；

2、在先技术[1]是微短距离的测量方法，随着测量距离的增加，精度急剧下降，不适用大范围的距离测量；有广泛应用的在先技术[2][3][4]均需要将光信号转化为电信号来进行待测距离信息的分析和提取，不但在将光学问题转化为电学问题的过程中会引入多余的误差，而且在转化为电学问题后，大大增加了装置的复杂程度，同时又引入了许多电学方面的误差。本发明全部由光学方法来完成待测距离信息的处理和提取过程，避免引入了复杂的电路系统，克服了由光电转换过程和电路系统引入的误差。

3、最终待测距离结果的获取利用两完全相同探测器接收到的平均光强比值，抵消了光电转换过程中出现的误差，测距精度只依赖于两探测器接收光子数目比值的统计误差。

4、与在先技术相比，本测距装置结构简单，操作方便，抗干扰能力强，测量距离范围广，最近可测几米的距离，在激光器能量较高和在待测物体上加光反射器配合的情况下，最远可测10千米的距离。测量精度高，在所加方波电压稳定的情况下，可达到厘米级的测距精度。

附图说明

图1是本发明装置及工作示意图。

图2是本发明装置具体实施例的结构示意图。

图3是本发明中电压脉冲和光脉冲关系示意图。

具体实施方式

先请参阅图1和图2，由图可见，本发明电光双调制偏振激光测距装置，包括一连续波线偏振激光光源1，沿该连续波线偏振激光光源1的输出方向，依次是偏振光隔离器2、第一偏振光分束器3、电光调制晶体4，该电光调制晶体4是一单轴晶体，成长方体，其长度方向与输出光方向一致，其晶轴垂直于输出光方向，在电光调制晶体4的晶轴方向的两面贴有一对电极片5并与一占空比为1∶1的方波脉冲、电压幅值为半波电压V_π的电源的两电极相连，在所述的第一偏振光分束器3和偏振光隔离器2回光的反射光方向G、I分别设有第一光强探测器7和第二光强探测器8。

实施例中所述的偏振光隔离器2由第二偏振光分束器21和磁旋光器22组成，该磁旋光器22的单程旋光能力为π/4，所述的第一偏振光分束器3的通光光轴和第二偏振光分束器21的通光光轴之间的夹角为45°

所述的第一偏振光分束器3和第二偏振光分束器21是格兰棱镜。

所述的两电极片5大小与电光调制晶体4的晶轴垂直的两b×c平面相同并分别贴在电光调制晶体(4)两个b×c平面上。

所述的第一光强探测器7和第二光强探测器8的性能完全相同。

下面结合实施例对本发明作进一步说明：

令连续波线偏振激光光源1发出的连续线偏振激光A偏振方向沿图2中坐标x方向。其中作为光源1要具有较高的能量，以满足较远距离测量的需求。

所说偏振光隔离器2由偏振光分束器21和磁旋光器22组成，其作用为：使光源1发出的线偏振激光只能单向传播，即沿图1和图2中从左至右的方向传播，而当光从右至左返回光源1时，将其反射到探测器8中。偏振光隔离器2可选用图2中所示的结构，由第二偏振光分束器21和一个磁旋光器22组成：第二偏振分束器21的通光光轴方向如图2中21C所示为坐标x方向，即其对沿x方向偏振的光透射，对沿y方偏振的光反射，可选用格兰棱镜结构，对其大小无特殊要求，保证透光、反光即可。光源1发出的沿x方向偏振的偏振光A从左至右可顺利通过第二偏振光分束器21，遇到磁旋光器22；磁旋光器22作用为在一定磁场大小和方向的控制下，使通过其的线偏振光偏振方向朝一个方向扭转某一角度。这里我们使通过它的线偏振光在从光线尾部方向观察朝逆时针方向旋转45°角。这样，从左至右传播时，通过由第二偏振光分束器21和磁旋光器22组成的偏振光隔离器2后，偏振方向沿x轴的线偏振光A变为偏振方向沿坐标x’的线偏振光B；而当光从右至左传播时，和B偏振方向相同的线偏振光H经过磁旋光器22后偏振方向再次旋转45°角，变为沿坐标y方向，从而被第二偏振光分束器21反射出原光路，进入到探测器8中，完成光路隔离作用。

第一偏振光分束器3和偏振光隔离器2中的第二偏振光分束器21作用相同，只是放置方位有所不同：使其透光光轴方向如图2中3C所示沿坐标x’方向放置，这样从左至右传播的沿x’方向偏振的光B可顺利通过第一偏振光分束器3而成为同偏振方向的光C；而从右至左传播的光F包含x’和y’两种偏振方向，则其经过第一偏振光分束器3后被分为两部分：沿x’方向偏振的线偏振光H穿过第一偏振光分束器3沿原光路继续传播；沿y’方向偏振的线偏振光G被第一偏振光分束器3反射偏离原光路而进入探测器7中。

所说电光调制晶体4粘合一对电极片5起横向电光调制作用：由于晶体的双折射作用，当光线垂直晶轴4C且垂直面a×c入射到电光调制晶体4中时，分为沿同一光路传播的偏振方向相互垂直的寻常光o光和异常光e光，其中o光垂直晶轴4C偏振，e光平行晶轴4C偏振。由于晶体对o光和e光的折射率n_o和n_e不同，导致o光和e光在晶体中传播速度有所差异，这样，出晶体4时，o光和e光就存在一定的相位差Γ，使二者的合光束改变为和入射前不同的偏振状态。通过电极片5在电光晶体4上平行晶轴4C方向加一定电压V时，由于晶体的一次电光效应，在电场作用下晶体改变其对o光和e光的折射率为n_o’和n_e’，这样就在出晶体4的o光和e光上附加了一定的相位差，使o光和e光相位差变为Γ’，从而起到通过控制电压V的大小来控制通过电光调制晶体4光束偏振状态的作用。在这里我们要使不在电光调制晶体4上加电压时，线偏振光C穿过电光调制晶体4后偏振方向不改变；加电压时，线偏振光C穿过电光调制晶体4后偏振方向扭转90°角，从而和入射前偏振方向垂直。为达到上述要求，电光调制晶体4应选用具有横向电光调制性能的单轴晶体，如铌酸锂、钽酸锂等，其形状是长方体，几何尺寸为a×b×c，其中b＞a，b＞c。a和c之间无严格要求，因为激光光斑为圆形，从减小尺寸和节约材料的方面考虑，应使a＝c。当不加电压时要求晶体不改变通过的光的偏振状态，即入、出电光调制晶体4的o光和e光相位差Γ＝k*2π(k＝1，2，3......)，由相位差公式

$\mathrm{\Γ}=\frac{2\mathrm{\πb}}{\mathrm{\λ}}|n_o-n_e|---------\left(1\right)$

其中λ为激光波长，可得晶体长度应取为

$b=\frac{\mathrm{k\λ}}{|n_o-n_e|}(k=\mathrm{1,2,3}......)--------\left(2\right)$

当加电压时，要求电光调制晶体4将入射的线偏振光C的偏振方向改变90°，这样，应使电光调制晶体4的晶轴方向4C与线偏振光C的偏振方向呈45°角放置，即晶轴4C方向平行坐标y轴。使边长b平行于坐标轴z方向，边长a平行y方向，边长c平行x方向，使线偏振光C垂直入射到两个a×c面上；同时所加电压应使光程差改变半个波长，即取所谓的半波电压V_π：

$V_{\mathrm{\π}}=\frac{\mathrm{\λ}}{{n_0}^3{r}_{13}-{n_e}^3{r}_{33}}*\frac{a}{b}--------\left(3\right)$

其中λ为激光波长，r₁₃和r₃₃为晶体电光系数的两个对应分量。由式可见电光调制晶体4上所加的半波电压V_π大小正比于晶体尺寸比a/b，因此，要得到较低电压，应该在满足允许激光光斑顺利通过a×b面而选择最小边长a的条件下，尽量使b＞a，但同时晶体边长b受到所得晶体最大长度的限制。一对电极片5分别贴在电光晶体4的两个b×c平面上，大小以刚好覆盖两个b×c平面为佳。这样，当在电极片5上加电压时，晶体中的电场方向平行于晶轴4C方向。

所述的第一探测器7、第二探测器8分别接收脉冲线偏振光G、I，探测其光强的大小。因为本发明待测距离L的测量只与G、I两光强平均值的比值有关，而与他们的具体大小无关，所以第一探测器7、第二探测器8选用较好性能的功率计即可，但要注意，最好选用性能完全一样的两个探测器，否则会影响测距的精度。

参照图1、2、3，本发明装置的测距机理如下：进行测距时，在电光调制晶体4的电极片5上加方波的周期电压，振幅为半波电压V_π大小，设脉宽和脉冲间隔均为T大小，这里需大致估算激光往返待测距离L所用的时间t，必须取T＞t。这样，由光源1发出的沿坐标x方向偏振的线偏振光A经过偏振光隔离器2后，变为沿坐标x’方向偏振的线偏振光B，光B顺利通过第一偏振光分束器3而成为同偏振方向的线偏振光C。如前所述，当在电光调制晶体4上加半波电压V_π时，穿过晶体的线偏振光C偏振方向改变90°；不加电压时，线偏振光C穿过晶体后偏振方向保持不变。如图3所示，假定当沿坐标x’方向偏振的光C经过电光调制晶体4时为时刻0，此时加在晶体上的方波电压波形刚好如图3中V(0)波形所示，则线偏振光C穿过电光调制晶体4后，其偏振状态被方波电压所调制，变为图3中所示的偏振状态在x’和y’两个方向上周期变化的特殊偏振光D，其变化周期同方波电压的脉宽T。当此周期变化偏振状态的光D被发射出去后，遇到待测物体6表面而被反射回来，成为偏振状态和D相同的反射回光E。这样，当D经过时间段t后，成为光E再次到达电光调制晶体4，此时间段t即为光往返待测距离L所需的时间，只要测得t的大小，由公式

$L=c*\frac{t}{2}------------\left(4\right)$

即可求得待测距离L的大小，其中c为光在空气中的传播速度。当反射回光第二次穿过电光调制晶体4时，由于经过了时间t，方波电压变为图3中V(t)所示：即V(0)整个波形朝左移动了t大小的距离。这样，线偏振激光在第一次被V(0)波形调制的基础上第二次被V(t)波形调制：同样是经过晶体时遇到半波电压V_π偏振方向改变90°角，没有电压偏振方向不变。第二次穿过晶体4后形成的光F偏振状态如图3中所示，此时光F的偏振状态已经包含了往返时间t的信息，F随后依次经过第一偏振光分束器3和第二偏振光分束器21完成信息的提取过程：由于第一偏振分束器3的通光光轴方向沿x’，光F经过第一偏振分束器3时被分为两束光，其中偏振方向沿y’的线偏振脉冲光G被反射到第一探测器7中，G的脉宽为t，脉冲间隔为(T-t)；偏振方向沿x’的线偏振脉冲光H通过第一偏振分束器3后，被磁旋光器22变为偏振方向沿y的线偏振脉冲光I，刚好被反光方向沿坐标y轴的偏振分光器2(1)反射到探测器8中，I的脉宽为(T-t)，脉冲间隔为t。

综上所述，我们最终用平均光强第一探测器7和第二探测器8分别接收到了矩形光脉冲序列G、I，两脉冲序列光束振幅相同，脉宽和脉冲间隔不同：G脉宽为t，脉冲间隔为(T-t)，I脉宽为(T-t)，脉冲间隔为t，其中t是光往返待测距离L所需的时间，T为所加方波电压脉冲序列的脉宽和间隔，是已知量。设第一两探测器7和第二两探测器8的输出值分别为I₇、I₈，则待测距离L可由下式求得：

$L=c*\frac{t}{2}=c*\frac{1}{2}\left(\frac{I_7*T}{I_7+I_8}\right)------\left(5\right)$

本发明与在先技术相比，具有下列特点：在先技术[1][2][3][4]分别利用了激光的几何特性、脉冲特性、相位信息、频率信息来作为测量距离信息的载体，本发明首次利用激光的偏振特性作为信息载体来进行激光测距；在先技术[1]是微短距离的测量方法，随着测量距离的增加，精度急剧下降，不适用大范围的距离测量；有广泛应用的在先技术[2][3][4]均需要将光信号转化为电信号来进行待测距离信息的分析和提取，不但在将光学问题转化为电学问题的过程中会引入多余的误差，而且在转化为电学问题后，大大增加了装置的复杂程度，同时又引入了许多电学方面的误差。本发明全部由光学方法来完成待测距离信息的处理和提取过程，避免引入了复杂的电路系统，克服了由光电转换过程和电路系统引入的误差。最终待测距离结果的获取利用两完全相同探测器接收到的平均光强比值，抵消掉了光电转换过程中出现的误差，测距精度只依赖于两探测器接收光子数目比值的统计误差。与在先技术相比，本测距装置结构简单易行，操作方便，抗干扰能力强，测量距离范围广，最近可测几米的距离，在激光器能量较高和在待测物体上加光反射器配合的情况下，最远可测10千米的距离。测量精度高，在所加方波电压稳定的情况下，可达到厘米级的测距精度。

给出具体实施例的参数：

光源1选取波长632.8nm的He-Ne激光器，附加一个偏振起偏镜产生标准线偏振激光束，第一偏振光分束器3和第一偏振光分束器21选用相同结构和大小的格兰棱镜，磁旋光器22选用法拉第旋转器，电光调制晶体4选用长方体结构LiNbO₃晶体，令其晶轴为坐标y轴，电极片5采用电镀的方法在一对有机玻璃片上制作，然后将其夹紧固定在LiNbO₃晶体两个b×c平面上，防止电光调制晶体4在电光调制过程中在坐标y轴方向发生形变。各装置选取适当的体积大小和摆放位置，保证激光光斑在照射到这些装置表面时能完全通过而能量不外泄，同时各装置之间应尽量不留空隙地紧贴着相互放置。在电极片5上所加方波电压脉宽和脉冲间隔T大小可调，在测量时必须保证T大于光往返待测距离L所需的时间t。当激光波长为632.8nm时，LiNbO₃晶体的两个主折射率为n_o＝2.2864，n_e＝2.2024。电光调制晶体4的尺寸为a×b×c＝0.2×3.4×0.2cm³，纵横比为a/b＝1∶17，一对电极片5的大小以刚好覆盖晶体4的两个b×c平面为准，此时半波电压V_π＝235V。

Claims (6)

1、一种电光双调制偏振激光测距方法，其特征在于该方法是将激光的偏振特性作为待测距离信息的载体，在单轴电光晶体平行光轴方向上加振幅为晶体半波电压大小的方波电压，对往返两次不同时刻通过该晶体的线偏振激光分别进行两次电光调制；利用偏振光分束器和偏振光隔离器将调制后的光束分为两个包含待测距离信息的光脉冲序列；利用两个探测器分别接收到的脉冲序列的平均光强，从下式求出测量距离L，

$L=c*\frac{t}{2}=c*\frac{1}{2}\left(\frac{I_7*T}{I_7+I_8}\right)$

式中：c为光速，

T为所加方波电压脉冲序列的脉宽和间隔，

I₇、I₈分别为两探测器输出的平均光强值。

2、实施权利要求1所述方法的电光双调制偏振激光测距装置，其特征在于包括一连续波线偏振激光光源(1)，沿该连续波线偏振激光光源(1)的输出方向，依次是偏振光隔离器(2)、第一偏振光分束器(3)、电光调制晶体(4)，该电光调制晶体(4)为一长方体，其长度方向与输出光方向一致，其晶轴垂直于输出光方向，在电光调制晶体(4)的晶轴方向的两面贴有一对电极片(5)并与一占空比为1∶1的方波脉冲、电压幅值为半波电压Vπ的电源的两电极相连，在所述的第一偏振光分束器(3)和偏振光隔离器(2)回光的反射光方向分别设有第一光强探测器(7)和第二光强探测器(8)。

3、根据权利要求2所述的电光调制偏振激光测距装置，其特征在于所述的偏振光隔离器(2)由第二偏振光分束器(21)和磁旋光器(22)组成，该磁旋光器(22)的单程旋光能力为π/4，所述的第一偏振光分束器(3)的通光光轴和第二偏振光分束器(21)的通光光轴成45°

4、根据权利要求2所述的电光调制偏振激光测距装置，其特征在于所述的第一偏振光分束器(3)和第二偏振光分束器(21)是格兰棱镜。

5、根据权利要求2所述的电光调制偏振激光测距装置，其特征在于所述的两电极片(5)大小与电光调制晶体(4)的晶轴垂直的两b×c平面相同并分别贴在电光调制晶体(4)两个b×c平面上。

6、根据权利要求2至5任一项所述的电光调制偏振激光测距装置，其特征在于所述的第一光强探测器(7)和第二光强探测器(8)的性能完全相同。

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