CN203909298U - 电光双调制偏振光激光测距仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电光双调制偏振光激光测距仪，包括激光器(1)、第一分束器(2)、磁旋光器(3)、第二分束器(4)、单轴晶体(5)、第一光强探测器(6)和第二光强探测器(7)，沿着光束方向依次设置有激光器(1)、第一分束器(2)、磁旋光器(3)、第二分束器(4)和单轴晶体(5)，所述第一光强探测器(6)对应第一分束器(2)设置，所述第二光强探测器(7)对应第二分束器(4)设置。本实用新型提供的电光双调制偏振光的激光测距仪只需要计算探测器接收到的平均光强的比值，克服了光电转化和电路处理系统引入的误差，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，因此简单易行，操作方便。

Description

电光双调制偏振光激光测距仪

技术领域

本实用新型涉及一种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的仪器，尤其涉及一种电光双调制偏振光激光测距仪，属于激光测距领域。

背景技术

扫描机载激光雷达的激光测距精度直接影响地面激光脚点三维坐标精度，因此寻找方法提高激光测距精度是实现运动状态下机载激光雷达指向误差高精度补偿的前提。目前主要有两种激光测距方法。第一种是利用光脉冲飞行时间的测距方法，由脉冲激光器发出主波，到达地面目标后反射回波，最后被脉冲探测器接收。根据激光脉冲从发射到接收所经历的时间t，就能计算出激光器与目标之间的距离L＝ct/2，其中c为光速。这种方法除了需要高性能的激光器，还需要复杂的电路处理系统。首先将部分主波光脉冲能量转化为电脉冲，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，停止对时间脉冲信号的计数，最后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中以及电信号处理过程中都会引入很多误差。第二种是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，光源发出的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做周期变化，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相位，就可确定光波往返时间t，从而计算探测距离。这种方法仍然需要将光信号转化为电信号后经电路系统来处理，所以也会引入很多误差。

实用新型内容

为了克服由光电转换过程和电路系统本身引入的误差，本实用新型提出采用电光双调制偏振光的激光测距方法，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。

本实用新型提供了一种电光双调制偏振光激光测距仪，测距仪包括激光器、第一分束器、磁旋光器、第二分束器、单轴晶体、第一光强探测器和第二光强探测器，沿着光束方向依次设置有激光器、第一分束器、磁旋光器、第二分束器和单轴晶体，所述第一光强探测器对应第一分束器设置，所述第二光强探测器对应第二分束器设置。

优选的，上述激光器发出的光束依次经过第一分束器、磁旋光器、第二分束器和单轴晶体到达目标。

优选的，上述目标反射回的光束依次经过单轴晶体、第二分束器、磁旋光器、和第一分束器。

优选的，上述第一分束器和第二分束器均为偏振光分束器。

优选的，上述激光器带偏振起偏镜。

优选的，上述单轴晶体为长方体结构，其上下两面贴有电极片。

优选的，上述磁旋光器的单程旋光能力为π/4。

本实用新型提供的电光双调制偏振光的激光测距仪只需要计算探测器接收到的平均光强的比值，克服了光电转化和电路处理系统引入的误差，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，因此简单易行，操作方便。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为电压脉冲和光脉冲关系示意图。

附图标记：1-激光器；2-第一分束器；3-磁旋光器；4-第二分束器；5-单轴晶体；6-第一光强探测器；7-第二光强探测器。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本实用新型，下面结合附图及具体实施方式对本实用新型作进一步的详细描述。

如图1是本实用新型的电光双调制偏振光激光测距仪，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。图1同时为本实用新型的工作示意图，其中激光器1为带偏振起偏镜的激光器；第一分束器2为偏振光分束器，通光方向为x方向，即对沿x方向偏振的光透射，对沿y方向偏振的光反射；磁旋光器3的单程旋光能力为π/4；第二分束器4为偏振光分束器，通光方向为x’方向，即对沿x’方向偏振的光透射，对沿y’方向偏振的光反射；长方体结构单轴晶体5其上下两面贴有电极片，能产生占空比为1∶1的半波电压；第一光强探测器6和第二光强探测器7，探测两个偏振光分束器反射光光强。工作时，激光器发出沿x方向偏振的线偏振光A，可透过偏振光分束器，再经过磁旋光器后变为偏振方向沿x’方向的线偏振光B，它又可透过另一个偏振光分束器变为偏振方向沿x’方向的线偏振光C，透过单轴晶体时受横向电光调制作用，偏振方向扭转90°，变为线偏振光D，当它发射出去遇到目标后被反射回来，变为偏振状态和D相同的反射回光E，之间光往返传播时间为t，即线偏振光D发出t秒后反射回光E再次受横向电光调制作用偏振方向扭转90°，变为线偏振光F。由于半波电压随时间时有时无，所以光F包含x’和y’两种偏振方向，沿y’方向偏振的光被偏振光分束器反射变为线偏振光G，其光强被探测器接收，沿x’方向偏振的光透过偏振光分束器变为线偏振光H，再经过磁旋光器后偏振方向变为沿y方向，从而被偏振光分束器反射变为线偏振光I，其光强被探测器接收。最终利用两个完全相同的光强探测器接收到的平均光强比值间接求出待测距离。当光C入射到晶体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光平行x方向偏振，e光平行y方向偏振。由于晶体对o光和e光的折射率n_o和n_e不同，导致它们在晶体中传播速度有所差异，出晶体时，它们就存在一定的相位差Γ，使得二者合光束的偏振态和入射前不同。通过电极片在晶体上加一定电压V时，由于晶体的一次电光效应，晶体对o光和e光的折射率变为n_o’和n_e’，这样就在出晶体的o光和e光上附加了一定的相位差，使二者的相位差变为Γ’，从而起到通过控制电压大小来控制通过晶体光束偏振状态的作用。当不加电压时，线偏振光C穿过晶体后偏振方向不变，o光和e光相位差Γ＝k×2π(k＝1，2，3...)，由相位差公式

$\mathrm{\Γ}=\frac{2\mathrm{\πb}}{\mathrm{\λ}}|n_o-n_e|$

其中λ为激光波长，可得晶体长度为：

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

当加电压时，要求晶体将线偏振光C的偏振方向改变90°，即所加电压应使光程差改变半个波长，称为半波电压，其值为：

$V_{\mathrm{\π}}=\frac{\mathrm{\λ}}{n_o^3{r}_{13}-n_e^3{r}_{33}}\·\frac{a}{b}$

其中r₁₃和r₃₃为晶体电光系数的两个对应分量，a为晶体高度。

如图2所示，进行测距时，在晶体电极片上加方波周期电压，振幅为半波电压，脉宽和脉冲间隔均为T，若激光往返待测距离L所用的时间为t，则须T＞t。假设光C入射晶体的时刻为0，此时加在晶体上的方波电压波形为V(0)，光C射出晶体后偏振状态受方波电压调制，变为偏振状态在x’方向和y’方向周期变化的偏振光D，变化周期为T。当光D遇到目标表面而被反射回来，成为偏振态和光D相同的反射光E，这样当D经过时间t后，成为光E再次到达电光晶体，只要测得t，由L＝ct/2即可求得待测距离的大小。当反射光再次穿过晶体时，由于经过了时间t，方波电压变为V(t)，即V(0)波形朝右移动了t，这样偏振激光第二次被电压波形调制，同样是经过晶体时遇到半波电压偏振方向改变90°，没有遇到半波电压的偏振方向不变。第二次穿过晶体的后形成的光F偏振状态，此时光F的偏振状态已经包含了往返时间t的信息。光F中偏振方向沿y’方向的线偏振光G被反射到探测器中，脉宽为t，脉冲间隔为T-t；偏振方向沿x’方向的线偏振光H通过偏振光分束器，被磁旋光器变为偏振方向沿y方向的线偏振光I，之后又被反射到探测器中，脉宽为T-t，脉冲间隔为t。假设两个探测器输出值分别为I₆、I₇，因为T已知，则距离L可由下式求得：

$L=\frac{\mathrm{ct}}{2}=\frac{c}{2}\left(\frac{I_6\·T}{I_6+I_7}\right)$

本实用新型提供的电光双调制偏振光的激光测距仪只需要计算探测器接收到的平均光强的比值，克服了光电转化和电路处理系统引入的误差，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，因此简单易行，操作方便。

以上所述之具体实施方式为本实用新型的较佳实施方式，并非以此限定本实用新型的具体实施范围，本实用新型的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本实用新型之形状、结构所作的等效变化均在本实用新型的保护范围内。

Claims (7)

1.一种电光双调制偏振光激光测距仪，其特征在于：所述测距仪包括激光器(1)、第一分束器(2)、磁旋光器(3)、第二分束器(4)、单轴晶体(5)、第一光强探测器(6)和第二光强探测器(7)，沿着光束方向依次设置有激光器(1)、第一分束器(2)、磁旋光器(3)、第二分束器(4)和单轴晶体(5)，所述第一光强探测器(6)对应第一分束器(2)设置，所述第二光强探测器(7)对应第二分束器(4)设置。

2.根据权利要求1所述的电光双调制偏振光激光测距仪，其特征在于：所述激光器(1)发出的光束依次经过第一分束器(2)、磁旋光器(3)、第二分束器(4)和单轴晶体(5)到达目标。

3.根据权利要求2所述的电光双调制偏振光激光测距仪，其特征在于：所述目标反射回的光束依次经过单轴晶体(5)、第二分束器(4)、磁旋光器(3)、和第一分束器(2)。

4.根据权利要求1-3之一所述的电光双调制偏振光激光测距仪，其特征在于：所述第一分束器(2)和第二分束器(4)均为偏振光分束器。

5.根据权利要求1-3之一所述的电光双调制偏振光激光测距仪，其特征在于：所述激光器(1)带偏振起偏镜。

6.根据权利要求1-3之一所述的电光双调制偏振光激光测距仪，其特征在于：所述单轴晶体(5)为长方体结构，其上下两面贴有电极片。

7.根据权利要求1-3之一所述的电光双调制偏振光激光测距仪，其特征在于：所述磁旋光器(3)的单程旋光能力为π/4。