CN1837749A - 利用光辐射功率测距的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种利用光辐射功率测距的装置及方法。由光学系统和电路系统两大部分组成。光学系统由一个光学聚焦透镜、一个激光发射器和两只光敏元件构成。光学系统实现像点沿光轴方向的位置变量转换为相应的光辐射面积变量，并将面积变量通过光敏元件转换为光功率。电路系统完成光源的调制与控制及检测光敏元件的光辐射功率和距离的计算。

Description

利用光辐射功率测距的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种测距装置，具体地说是一种利用光辐射功率测距的装置及方法。

背景技术

在光测距技术领域，有测量时间和相位的激光测距和利用物象几何关系测距的两大类测距装置。其中几何测距又分为光焦点法、三角形测距法等。光焦点法属像分析法，利用像点焦距和失焦的光功率分布特性计算距离，该方法只能测量物距的微小变化，分辨率低，一般用于调焦。三角形测距法及其它几何测距法均属像点位置测量，将像点沿光轴方向的位置变量由图像传成器(CCD)直接读出或通过半导体位置检测器(PSD)检测出来再计算出物距。这种位置变量的检测需要光学系统的成像质量很高，图像传感器的像素单元尺寸非常小或半导体位置检测器(PSD)的分辨率非常高才能保证其测距精度。由于高像素图像传成器价格极高，半导体位置检测器(PSD)分辨率一般较低，而且对目标反射面的倾斜度及反射率有一定要求。几何测距法一般很难在保证分辨率的前提下增大测量范围以及在有效范围内很难对任意目标进行测距。

发明内容

本发明的目的是，提供一种利用光辐射功率测距的装置及方法，与激光脉冲测距和相位测距比较，大幅度提高近距离(100米内)测量分辨率、减小盲区、降低对电子器件的性能要求。与公知的几何测距法相比较，较大幅度地增加测距范围，同时提高其分辨率并对光学系统的成像质量和目标反射面无严格要求，不使用图像传感器(CCD)或位置传感器(PSD)。本发明仅采用通用型电子器件和光学元件即可实现较大测距范围(100米内)、小盲区(与镜头焦距相当)、快速高分辨率的测距。

为达到上述目的，本发明由光学系统和电路系统两大部分组成。所述的光学系统由一个光学聚焦透镜、一个激光发射器和两只光敏元件构成，其结构特征为：两只光敏元件位于透镜平面与透镜的像方焦距之间，其中一只到像方焦距的尺寸为a，另一只到像方焦距的尺寸为b，两只光敏元件还靠近透镜光轴并对称于光轴，其光敏面与光轴垂直；所述的激光发射器位于透镜外侧，使激光发射方向与透镜光轴平行，激光发射器还与两只光敏元件在光轴垂直方向的尺寸分别相等。所述的电路系统由光源调制驱动器、含有放大、解调、A/D转换功能的光功率检测器及CPU组成。所述的光学系统中的激光发射器和光敏元件分别与电路中的光源调制驱动器和光功率检测器相连。

所述的光学系统实现像点沿光轴方向的位置变量转换为相应的光辐射面积变量，并将面积变量通过光敏元件转换为光功率。所述的电路系统完成光源的调制与控制及检测光敏元件的光辐射功率和距离的计算。距离的计算方法为：

$L=\frac{f^2(1-\sqrt{\frac{p_a}{p_b}})}{a\sqrt{\frac{p_a}{p_b}}-b}+f$

(其中，L表示目标到镜头的距离，f表示镜头焦距；P_a、P_b分别表示两只光敏元件的光接收功率；a、b分别表示两光敏元件到透镜像方焦距的尺寸。)

所述的光学系统中的两只光敏元件为规格、型号、特性相同，其光敏面的面积比透镜面积足够小(20倍以上)的平面型器件。

在本发明提供的光学系统中，两只光敏元件接收到的光功率均由激光射向目标后产生的光斑辐射产生，该光斑到透镜平面的区域符合光辐射平方律，即透镜处的光辐射功率与光斑的总功率和接收面的面积成正比，与距离的平方成反比。而在光学系统的像平面上不适合光辐射平方律，但仍适合几何光学的牛顿定律。对于两只光敏元件来说，由于所在像平面的位置不同而接收到的光功率不同，其差异由各自位置对应的光辐射面积的差异产生，而与光斑辐射总功率及辐射距离产生的衰减无关。因此，两光敏元件的接收功率之比，就等于两光敏元件各自对应的光辐射实际接收面积之比，而两光敏元件各自对应的光辐射接受面积与像点在光轴方向的位置有着严格的函数关系，该函数关系的相关系数就是透镜的焦距和光敏元件到像方焦距的尺寸决定的，合理地设计参数可以将微小变化的像点位置变量转换为有较大变化的面积变量，从而实现像点尺寸的几何放大，也就达到了既不用位置传感器或图像传感器又能较大幅度地提高分辨率和扩大测距范围的目的。为保证上述功能的实现，还必须使辐射光源具有唯一性，即排除背景光辐射和其它干扰光源。本发明通过电路系统对激光发射器进行调制，对接收光功率进行解调而实现，即其它与调制光不相关的光辐射不能通过电路系统。

附图说明

图1是光学系统结构y-z平面视图；

图2是光学系统结构y-x平面视图；

图3是测距原理示意图；

图4是电路系统框图。

具体实施方式

参照图1，透镜1、激光发射器3及两只光敏元件4和5的相互位置关系决定了像点只在z轴上移动，等效于像点在该方向对光敏元件4和5于透镜1上的投影面积的相对变化率始终相同，而在图2中，像点在x轴(与光轴2重合)上移动时，等效于像点在该方向对光敏元件4和5于透镜1上的投影面积的相对变化率始终不相同。因此，等效于像点对光敏元件4和5于透镜1上的投影的面积相对变化率反映了像点在光轴2上的位置。

当采用的透镜1口径为50mm，焦距为100mm；两只光敏元件4和5为同型号的Φ＝2mm，的平面型光敏二极管，其光敏二极管4到像方焦距的尺寸a为20mm，光敏二极管5到像方焦距的尺寸b为5mm；激光发射器3为波长650nm的半导体激光器时，与图4所示的电路系统结合可实施本发明。

参照图3和图4，当CPU以幅度U，周期为T的脉冲信号激励光源调制驱动器时，激光被调制，该调制信号功率为P(t)，激光在目标上产生的光斑总功率为：P₀(t)＝KP(t)(其中，K为目标的光反射率及光的大气透射率的乘积)，通过透镜1对辐射光6的聚焦作用，在两只光敏二极管4和5的光敏面上的光功率分别为：

$p_a=\frac{\mathrm{Kp}\left(t\right)\frac{\mathrm{\π}{D}_a^2}{4}\mathrm{Cos\θ}}{L^2}$

$p_b=\frac{\mathrm{Kp}\left(t\right)\frac{\mathrm{\π}{D}_b^2}{4}\mathrm{Cos\θ}}{L^2}$

(D_a和D_b分别表示光敏二极管4和光敏二极管5对应于透镜平面上的等效面积的直径，θ表示光斑辐射方向的矢量和与镜头光轴2的夹角)。则两光敏二极管的输出功率之比等于接收功率之比，也等于对应的面积的直径平方比，即：P_a/P_b＝D² _a/D² _b。光敏二极管4的P_a和光敏二极管5的P_b的测量由电路系统中的光功率检测器8完成。光功率检测器8由两套性能一致的锁相放大器和A/D转换器构成，锁相放大器的参考信号11也是CPU对激光调制驱动器9的激励脉冲。该功率检测器8完成对信号放大，同步检波和解调及数字化的工作，CPU读取检测器中的A/D转换器输出数据并进行P_a与P_b的除法运算而得到其比值。

另外，在图3中，像平面上有如下关系：

f′＝f

L＝x+f

xx′＝ff′

D_a/d＝(f′+x′)/(a+x′)

D_b/d＝(f′+x′)/(b+x′)

(f′表示像方焦距，f表示物方焦距，x表示物距，x′表示像距，d表示光敏二极管感光面的直径)。

根据上述关系得：

$L=\frac{f^2(1-\sqrt{\frac{p_a}{p_b}})}{a\sqrt{\frac{p_a}{p_b}}-b}+f$

由于a、b和f为常数，P_a、P_b为测量值，CPU就可以根据L的数学表达式计算出距离L的值，从而达到测距的目的。

通过本发明的实施例可进一步证明，由光斑产生的像点参数并没有在测量值中出现，仅是数学表达式的中间变量，因而也不需要成像，这就降低了对光学镜头的成像质量的要求，也简化了光学系统及减小了光轴方向的尺寸。同时也跟目标7的形状、倾斜度、光反射率、大气透射率等因素无关，激光的输出功率仅影响电路响应的幅度，而不影响距离表达式中的P_a/P_b的值。提高激光的输出功率可而增大测量范围。

Claims (2)

1.一种利用光辐射功率测距的装置及方法。由光学系统和电路系统两大部分组成。所述的光学系统由一个光学聚焦透镜1、一个激光发射器3和两只光敏元件4和5构成，其结构特征为：两只光敏元件位于透镜1平面与透镜1的像方焦距之间，其中一只到像方焦距的尺寸为a，另一只到像方焦距的尺寸为b，两只光敏元件还靠近透镜光轴2并对称于光轴2，其光敏面与光轴2垂直；所述的激光发射器3位于透镜1外侧，使激光发射方向与透镜光轴平行，激光发射器3还与两只光敏元件4和5在光轴2垂直方向的尺寸分别相等。所述的电路系统由光源调制驱动器9、含有放大、解调、A/D转换功能的光功率检测器8及CPU10组成。所述的光学系统中的激光发射器3和光敏元件4和5分别与电路中的光源调制驱动器9和光功率检测器8相连。

所述的光学系统实现像点沿光轴方向的位置变量转换为相应的光辐射面积变量，并将面积变量通过光敏元件转换为光功率。所述的电路系统完成光源的调制与控制及检测光敏元件的光辐射功率和距离的计算。距离的计算方法为：

$L=\frac{f^2(1-\sqrt{\frac{P_a}{P_b}})}{a\sqrt{\frac{P_a}{P_b}}-b}+f$

(其中，L表示目标到镜头的距离，f表示镜头焦距；P_a、P_b分别表示两制光敏元件的光接收功率；a、b分别表示两光敏元件到镜头像方焦距的尺寸。)

2.如权利要求1所述的光学系统中的两只光敏元件为规格、型号、特性相同，其光敏面的面积比透镜面积足够小(20倍以上)的平面型器件。

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