一種緊湊的超短脈沖激光遠(yuǎn)程測距系統(tǒng)及其測距方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及脈沖激光測距技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種緊湊的超短脈沖激光遠(yuǎn)程測距系統(tǒng)及其測距方法。
【背景技術(shù)】
[0002]脈沖激光測距是指利用射向測距目標(biāo)的脈沖激光束來測量目標(biāo)距離的一種測量技術(shù)。激光測距系統(tǒng)一般包括:激光光源、激光發(fā)射系統(tǒng)、激光回波接收系統(tǒng)以及信號檢測處理和控制系統(tǒng)。
[0003]激光光源發(fā)射脈沖激光束，經(jīng)過激光發(fā)射系統(tǒng)，絕大部分激光束被發(fā)射至測距目標(biāo)方向，發(fā)射激光束經(jīng)過測距目標(biāo)的反射后，返回較為微弱的回波激光束，該回波激光束經(jīng)過接收光學(xué)系統(tǒng)光電探測器接收作為回波脈沖信號；其中很小一部分激光束被取樣，然后被會聚至光電探測器作為主波脈沖信號。最后，通過回波脈沖信號和主波脈沖信號的比較分析，結(jié)合測距方程得出所測量距離。
[0004]在現(xiàn)有的遠(yuǎn)程激光測距系統(tǒng)中，激光發(fā)射和接收光學(xué)系統(tǒng)有兩種設(shè)計方案:
[0005]一種是發(fā)射光路和接收光路分離的設(shè)計，包括兩個大口徑鏡片和一個光電探測器，一個大口徑鏡片用于發(fā)射、另一個大口徑鏡片用于接收，其中主波信號的取樣通過兩片小平面反射鏡分別插入發(fā)射和接收光路來實現(xiàn)。這種設(shè)計方案需要兩個大口徑鏡片，整個系統(tǒng)較為復(fù)雜，且難以做成小型化；
[0006]另一種是發(fā)射光路和接收光路同軸的設(shè)計，包括一個大口徑鏡片和兩個光電探測器，用一個大口徑鏡片同時實現(xiàn)激光束的發(fā)射和接收；而其主波信號則是通過在發(fā)射光路中插入一個分束器，分離微小部分光束進入第二個光電探測器，從而作為主波信號。這種設(shè)計方案雖然只需一個大口徑鏡片，但其主波信號的取樣增加了一個光電探測器，且其主波信號和回波信號需要經(jīng)過不同的光電探測器系統(tǒng)，必然存在的電路延時差異會對信號處理造成嚴(yán)重影響，從而降低了測距系統(tǒng)的測量精度。
[0007]在現(xiàn)有的地物目標(biāo)遠(yuǎn)程激光測距系統(tǒng)中，所使用的激光光源一般為納秒脈寬激光輸出，其測量精度由于受到激光脈沖寬度的限制而難以提高；同時，對于超遠(yuǎn)距離激光測距則需要輸出脈沖激光具有非常高的峰值功率，從而使得激光器的輸出能量要求特別高，使得激光光源能耗需求很大且系統(tǒng)復(fù)雜、體積較為龐大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種測程遠(yuǎn)、測量精度高、系統(tǒng)簡單、結(jié)構(gòu)緊湊的超短脈沖激光遠(yuǎn)程測距系統(tǒng)及其測距方法。
[0009]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[0010]一種緊湊的超短脈沖激光遠(yuǎn)程測距系統(tǒng)，包括激光光源、擴束模塊一、擴束模塊二、分束鏡、發(fā)射接收模塊、反射鏡、濾波模塊、聚焦透鏡和光電探測器；
[0011]所述擴束模塊一包括平行且同光軸排列的小透鏡一和小透鏡二 ；
[0012]所述擴束模塊二包括平行且同光軸排列的大透鏡一和大透鏡二 ；
[0013]所述激光光源、小透鏡二、小透鏡一、大透鏡二、大透鏡一和發(fā)射接收模塊依次排列在同一條光軸上，所述小透鏡一和所述大透鏡二共焦放置，所述大透鏡一和所述發(fā)射接收模塊共焦放置；
[0014]所述分束鏡設(shè)于所述大透鏡一和大透鏡二之間，且與所述大透鏡二的光軸呈45°角放置；
[0015]所述反射鏡設(shè)于所述分束鏡的側(cè)面，且與所述大透鏡二的光軸平行放置；
[0016]所述濾波模塊設(shè)于所述分束鏡的另一側(cè)面，且與所述反射鏡平行放置；
[0017]所述聚焦透鏡與所述濾波模塊平行且同光軸放置；
[0018]所述光電探測器設(shè)于所述聚焦透鏡的焦點位置。
[0019]進一步，所述激光光源為超短脈沖激光器，所述超短脈沖激光器輸出的激光脈沖寬度為0.1?10ps,峰值功率為0.1-1OOMWo
[0020]進一步，所述擴束模塊一和所述擴束模塊二表面均鍍有對所述激光光源輸出的激光高透過率的膜。
[0021]進一步，所述小透鏡一和所述小透鏡二直徑均為2?20mm。
[0022]進一步，所述大透鏡一和所述大透鏡二直徑均為10?200mm。
[0023]進一步，所述分束鏡為半透半反鏡。
[0024]進一步，所述發(fā)射接收模塊為離軸拋面鏡，口徑為100?2000mm，表面鍍有對所述激光光源輸出的激光高反射率的膜，偏離角為5°?80°。
[0025]進一步，所述聚焦透鏡表面鍍有對所述激光光源輸出的激光高透過率的膜，直徑為 10 ?200mm。
[0026]另，本發(fā)明還提供一種利用如上所述緊湊的超短脈沖激光遠(yuǎn)程測距系統(tǒng)進行的測距方法，所述測距方法包括如下步驟:
[0027](I)激光光源輸出激光光束，激光光束具有一定的發(fā)散角，依次經(jīng)過擴束模塊一和大透鏡二后，所述激光光束的口徑擴大，完成第一次擴束，得到初擴束光束；
[0028](2)所述初擴束光束入射到分束鏡，被分為反射光束和透射光束，反射光束入射到反射鏡被反射后再次入射到分束鏡，反射光束部分透過分束鏡后，依次經(jīng)過濾波模塊和聚焦透鏡，最后入射到光電探測器，得到主波信號；
[0029](3)步驟(2)得到的透射光束依次經(jīng)過大透鏡二和發(fā)射接收模塊后，光束口徑再次擴大，完成第二次擴束，得到平行的再擴束光束；
[0030](4)所述再擴束光束傳遞至遠(yuǎn)處的測距目標(biāo)并被反射回來，被發(fā)射接收模塊收集并會聚，經(jīng)過大透鏡一后，得到平行的返回光束；
[0031](5)所述返回光束入射到分束鏡，部分返回光束被反射至濾波模塊，然后依次經(jīng)過聚焦透鏡和光電探測器，得到回波信號；
[0032](6)采集到主波信號和回波信號后，通過對比兩脈沖信號的時間差，得出測距結(jié)果O
[0033]進一步，所述主波信號的光強通過改變所述反射鏡的反射率進行調(diào)節(jié)。
[0034]本發(fā)明的有益效果如下:
[0035]1、采用發(fā)射光路和接收光路同軸的系統(tǒng)設(shè)計，巧妙設(shè)置分束鏡和反射鏡的位置關(guān)系，僅通過增加一個反射鏡即可完成主波信號的取樣，同時整個系統(tǒng)只需一個光電探測器即可完成回波信號和主波信號的探測；
[0036]2、由于整個系統(tǒng)中僅采用一個光電探測器，從而在實現(xiàn)系統(tǒng)緊湊簡單的同時，避免了采用多個光電探測器所導(dǎo)致的電路延時時間不同，因而提高了整個系統(tǒng)測距結(jié)果的準(zhǔn)確度；
[0037]3、采用超短脈沖激光器作為激光光源，輸出激光光束為皮秒量級脈沖激光，輸出功率高，從而光束傳輸距離遠(yuǎn)，因此整個系統(tǒng)的測量距離遠(yuǎn)；
[0038]4、激光光源輸出的脈沖激光脈沖寬度窄，從而時間辨識度高，因此整個系統(tǒng)的測量精度高；
[0039]5、反射鏡的反射率通過鍍不同的膜進行調(diào)整，從而根據(jù)激光光源輸出的激光強度的不同來調(diào)整入射到光電探測器的主波信號的大小，因此可以防止過強的主波信號對光電探測器的損壞；
[0040]6、整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊、成本低。
【附圖說明】
[0041]圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0042]圖2為本發(fā)明的發(fā)射接收模塊的平面投影圖。
[0043]圖中，I一激光光源；2—擴束模塊一 ；21—小透鏡一 ；22—小透鏡二 ；3—擴束模塊二 ；31—大透鏡一 ；32—大透鏡二 ；4一分束鏡；5—發(fā)射接收模塊；6—反射鏡；7—濾波模塊；8—聚焦透鏡；9一光電探測器。
【具體實施方式】
[0044]為了使本領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合本發(fā)明的附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行清楚、完整的描述，基于本申請中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的其它類同實施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本申請保護的范圍。
[0045]實施例一:
[0046]如圖1所示，一種緊湊的超短脈沖激光遠(yuǎn)程測距系統(tǒng)，包括激光光源1、擴束模塊一 2、擴束模塊二 3、分束鏡4、發(fā)射接收模塊5、反射鏡6、濾波模塊7、聚焦透鏡8和光電探測器9 ;所述擴束模塊一 2包括平行且同光軸排列的小透鏡一 21和小透鏡二 22 ;所述擴束模塊二包括平行且同光軸排列的大透鏡一 31和大透鏡二 32 ;所述激光光源1、小透鏡二 22、小透鏡一 21、大透鏡二 32、大透鏡一 31和發(fā)射接收模塊5依次排列在同一條光軸上，所述小透鏡一 21和所述大透鏡二 32共焦放置，所述大透鏡一 31和所述發(fā)射接收模塊5共焦放置；所述分束鏡4設(shè)于所述大透鏡一 31和大透鏡二 32之間，且與所述大透鏡二 32的光軸呈45°角放置；所述反射鏡6設(shè)于所述分束鏡4的側(cè)面，且與所述大透鏡二 32的光軸平行放置；所述濾波模塊7設(shè)于所述分束鏡4的另一側(cè)面，且與所述反射鏡6平行放置；所述聚焦透鏡8與所述濾波模塊7平行且同光軸放置；所述光電探測器9設(shè)于所述聚焦透鏡8的焦點位置。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊、成本低。本發(fā)明采用發(fā)射光路和接收光路同軸的系統(tǒng)設(shè)計，巧妙設(shè)置分束鏡4和反射鏡6的位置關(guān)系，只增加了一個反射鏡6即可完成主波信號的取樣，同時整個系統(tǒng)只需一個光電探測器9即可完成回波信號和主波信號的探測。由于整個系統(tǒng)中僅采用一個光電探測器9，從而在實現(xiàn)系統(tǒng)緊湊簡單的同時，避免了采用多個光電探測器9所導(dǎo)致的電路延時時間不同，因而提高了整個系統(tǒng)測距結(jié)果的準(zhǔn)確度。
[0047]所述激光光源I為超短脈沖激光器，輸出的激光脈沖寬度為10ps，波長為1064nm，頻率為ΙΚΗζ，峰值功率為1MW，單脈沖能量為10mJ。采用超短脈沖激光器作為激光光源1，輸出激光功率高，從而光束傳輸距離遠(yuǎn)，因此整個系統(tǒng)的測量距離遠(yuǎn)，同時，激光光源I輸出的脈沖激光脈沖寬度窄，從而時間辨識度高，因此整個系統(tǒng)的測量精度高。
[0048]所述擴束模塊一 2和所述擴束模塊二 3表面均鍍有對所述激光光源I輸出的激光高透過率的膜，透過率>99.9% ;所述小透鏡一 21和所述小透鏡二 22參數(shù)相同，為小口徑透鏡，其直徑為5mm ;所述大透鏡一 31和所述大透鏡二 32參數(shù)相同，為大口徑透鏡，其直徑為 50mmo
[0049]所述分束鏡4為半透半反鏡，對于45°角入射的激光光束，50%的光束透射，另外50%的光束從垂直于入射方向反射出去。
[0050]如圖2所示，所述發(fā)射接收模塊5為離軸拋