基于锁模脉冲序列的激光测距方法及其系统技术方案

技术编号:14642874 阅读:110 留言:0更新日期:2017-02-15 23:01
本发明专利技术公开了一种基于锁模脉冲序列的激光测距方法及其系统,通过锁模激光器产生并输出锁模脉冲光束,将锁模脉冲光束分成参考光束和测量光束,测量光束经过待测目标反射后形成测量回波光束并结合参考光束进行信息处理,根据参考光束与测量回波光束的脉冲计数差和锁模脉冲相位差,计算待测目标的距离;利用锁模脉冲之间的距离不变性,同时可获取测量距离的大数部分和小数部分距离信息,且测量系统无机械移动部分,稳定性好,可实现大范围高精度距离信息的高速测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及激光测距领域,具体涉及一种基于锁模脉冲序列的激光测距方法及其系统
技术介绍
激光测距在工业生产、空间测量等方面有着广泛的应用背景,目前采用的激光测距技术方案主要有三类,(1)时间测量法,利用光速不变性原理,将激光脉冲作为能量信号,通过计时模块直接测量单个脉冲激光出射到返回的时间间隔来计算被测距离。(2)相位式测距,以连续激光作为载波,通过对载波光进行幅度、频率或相位调制,产生特定频率的调制信号,测量回波信号与参考信号之间的相位差,解算出距离信息。(3)光学干涉测距,以相干激光光源为基础,通过记录干涉强度条纹的变化来实现测距。随着当前数字化技术的不断提高,很多领域中产生了新的测距需求,如实时、动态的距离测量,又如大尺寸(0~200m)高精密三维尺寸的高速测量,这就要求激光测距在保证足够精度的情况下,还需扩大测量量程和缩短单次测量时间,而现有技术中,在时间测量法中采用激光脉冲作为电子计时的触发信号,该方法具有单次测量速度快,测量范围大的优势,但受激光脉冲畸变和电子器件带宽限制,目前测距精度难以到达毫米级;而相位式测距则利用激光束为调制信号的载波(测尺),采用测量相位差来计算距离信息,其测距精度可达毫米量级甚至更低;受相位差的有效检测范围(0~2π)的限制,在保证毫米级精度下进行大范围测距时,该方案需要采用不同的载波频率构成测尺链来实现全范围不同精度测距,这导致单次测量时间较长。而光学干涉测距通过记录干涉条纹的不间断变化实现增量测距,其测量精度高,但通常需要测量目标或参考测量臂产生机械运动导致单次测量时间过长。因此,为解决以上问题,需要一种基于锁模脉冲序列的激光测距方法及其系统,在要求激光测距保证足够精度的情况下,扩大测量量程和缩短单次测量时间,同时优化激光测距要求中量程、精度以及时间三个指标。
技术实现思路
有鉴于此,本专利技术的目的是克服现有技术中的缺陷,提供基于锁模脉冲序列的激光测距方法及其系统,在要求激光测距保证足够精度的情况下,扩大测量量程和缩短单次测量时间,同时优化激光测距要求中量程、精度以及时间三个指标。本专利技术公开的一种基于锁模脉冲序列的激光测距方法,包括以下步骤:(1)锁模激光器产生并输出锁模脉冲激光束;(2)将锁模脉冲激光束分成参考光束和测量光束,测量光束经过待测目标反射后形成测量回波光束并结合参考光束进行处理;(3)根据参考光束与测量回波光束之间的脉冲数差值和相位差,计算待测目标的距离。进一步,步骤(3)中,待测目标距离计算公式如下:2D=△nL+△φL/(2π),△n为参考光束与测量回波光束的脉冲数差值,△φ为参考光束与测量回波光束的相位差,L为为锁模激光器腔长,D为待测目标的距离。进一步,所述锁模激光器输出的锁模脉冲激光束通过一光开关控制输出;所述光开关通过以下方法控制其启闭:a.将锁模激光器输出的锁模脉冲激光束分为控制光束和通过光开关的工作光束,并将控制光束转化为电控制信号;b.对电控制信号进行延时处理;c.外部输入测量命令信号,所述测量命令信号与电控制信号相结合控制光开关使其在工作光束的相邻波之间启闭。进一步,步骤b中,所述电控制信号通过延时线路进行延时。本专利技术还公开了一种应用上述的基于锁模脉冲序列的激光测距方法的激光测距系统,包括:锁模激光器,用于产生并输出锁模脉冲激光束,其中锁模脉冲在时间上等周期,空间上等间距;分光器I,用于将锁模脉冲激光束分成参考光束和测量光束,并将测量光束经过待测目标反射后形成的测量回波光束输送至控制处理系统;控制处理系统,根据参考光束与测量回波光束的脉冲数差值和相位差,计算待测目标的距离。进一步,所述控制处理系统包括光电处理模块I、光电处理模块II和处理模块,所述参考光束和测量回波光束分别通过光电处理模块I和光电处理模块II处理成电信号后输送至处理模块;所述处理模块包括信号调理电路,脉冲计数器、鉴相器和处理器,所述脉冲计数器为两个并分别用于统计光电处理模块I和光电处理模块II的输出脉冲个数,鉴相器用于检测光电处理模块I和光电处理模块II的输出信号之间的相位差,处理器用于根据光电处理模块I和光电处理模块II的输出脉冲个数和相位差计算出待测目标的距离。进一步,所述锁模激光器与分光器I之间设置有光开关模块,所述光开关模块用于在锁模脉冲激光束的相邻光脉冲之间控制锁模脉冲激光束的通断。进一步,所述光开关模块包括光开关和开关控制模块,所述开关控制模块包括分光器II、光电处理模块III、延时模块和触发处理模块,所述分光器II将锁模脉冲激光束分成控制光束和通过光开关的工作光束,所述控制光束通过光电处理模块III转换为电控制信号并输入至延时模块进行延时,所述延时模块的输出端与触发处理模块的控制输入连接,所述触发处理模块还设置有用于接收测距开始命令的外控信号输入端,触发处理模块用于结合测距开始命令和电控制信号控制光开关启闭。进一步,所述延时模块为延时线路。进一步,所述光开关包括沿光路先后依次设置的起偏器、电光调制器和检偏器,开关控制模块还包括用于控制电光调制器的控制组件,所述控制组件包括输出端与电光调制器的输入端连接的光电导开关、与光电导开关的输入端连接的直流高压电源和用于控制光电导开关通断的高速LED,高速LED的输入端与触发控制模块的输出端连接。本专利技术的有益效果是:本专利技术公开的一种基于锁模脉冲序列的激光测距方法及其系统,采用激光腔长精确锁定的锁模激光器产生持续锁模脉冲序列输出,脉冲序列经过分光棱镜分成参考光束和测量光束,测量光束照射到待测目标后产生测量回波光束,参考光束与测量回波光束二者脉冲计数差值为测量距离中等于锁模激光器腔长的大数部分,而相位差为测量距离中小于激光腔长的小数部分信息,实现亚毫米高精度测量;不同于传统的脉冲法和相位法激光测距,本方法利用锁模脉冲之间的距离保持不变,同时获取距离信息的大数部分和小数部分距离信息,且无机械移动部分,稳定性好,可实现大范围高精度激光距离的高速测量。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步描述:图1为本专利技术的光路结构示意图;图2为本专利技术的结构流程图;图3为本专利技术的锁模脉冲序列测距的原理图。具体实施方式图1为本专利技术的光路结构示意图,图2为本专利技术的结构流程图,图3为本专利技术的锁模脉冲序列测距的原理图,如图所示,本实施例中的基于锁模脉冲序列的激光测距方法,包括以下步骤:包括以下步骤:(1)锁模激光器1产生并输出锁模脉冲激光束;所述锁模激光器1可采用现有的锁模激光器1,所述锁模激光器1的典型腔长可为0.5m,锁模脉冲之间的间距为1m,重复频率为300MHz,锁模脉冲脉宽约数百皮秒,可产生稳定的锁模脉冲激光;(2)将锁模脉冲激光束分成参考光束和测量光束,测量光束经过待测目标反射后形成测量回波光束并结合参考光束进行处理,锁模脉冲激光束通过分束镜分成参考光束和测量光束,测量光束射向待测目标6并形成可被接受的测量回波光束;(3)根据参考光束与测量回波光束之间的脉冲数差值和相位差,计算待测目标6的距离;不同于传统的脉冲法和相位法激光测距,本方法利用锁模脉冲之间的距离保持不变,同时获取距离信息的大数部分(脉冲数差值)和小数部分(相位差)距离信息,且无机械移动部分,可实现大范围高精度激光距离的高速测量。本实施例中,其中步骤(本文档来自技高网
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基于锁模脉冲序列的激光测距方法及其系统

【技术保护点】
一种基于锁模脉冲序列的激光测距方法,其特征在于:包括以下步骤:(1)锁模激光器产生并输出锁模脉冲激光束;(2)将锁模脉冲激光束分成参考光束和测量光束,测量光束经过待测目标反射后形成测量回波光束并结合参考光束进行处理;(3)根据参考光束与测量回波光束之间的脉冲数差值和相位差,计算待测目标的距离。

【技术特征摘要】
1.一种基于锁模脉冲序列的激光测距方法,其特征在于:包括以下步骤:(1)锁模激光器产生并输出锁模脉冲激光束;(2)将锁模脉冲激光束分成参考光束和测量光束,测量光束经过待测目标反射后形成测量回波光束并结合参考光束进行处理;(3)根据参考光束与测量回波光束之间的脉冲数差值和相位差,计算待测目标的距离。2.根据权利要求1所述的基于锁模脉冲序列的激光测距方法,其特征在于:步骤(3)中,待测目标距离计算公式如下:2D=△nL+△φL/(2π),△n为参考光束与测量回波光束的脉冲数差值,△φ为参考光束与测量回波光束的相位差,L为锁模激光器腔长,D为待测目标的距离。3.根据权利要求1所述的基于锁模脉冲序列的激光测距方法,其特征在于:所述锁模激光器输出的锁模脉冲激光束通过一光开关控制输出;所述光开关通过以下方法控制其启闭:a.将锁模激光器输出的锁模脉冲激光束分为控制光束和通过光开关的工作光束,并将控制光束转化为电控制信号;b.对电控制信号进行延时处理;c.外部输入测量命令信号,所述测量命令信号与电控制信号相结合控制光开关使其在工作光束的相邻脉冲之间实现启闭。4.根据权利要求3所述的基于锁模脉冲序列的激光测距方法,其特征在于:步骤b中,所述电控制信号通过延时线路进行延时。5.一种应用如权利要求1-4任一权利要求所述的基于锁模脉冲序列的激光测距方法的激光测距系统,其特征在于:包括:锁模激光器,用于产生并输出锁模脉冲激光束,其中锁模脉冲在时间上等周期,空间上等间距;分光器I,用于将所述锁模脉冲激光束分成参考光束和测量光束,并将测量光束经过待测目标反射后形成的测量回波光束输送至控制处理系统;控制处理系统,根据参考光束与测量回波光束的脉冲数差值和相位差,计算待测目标的距离。6.根据权利要求5所述的激光测距系统,其特征在于:所述控制处理系统包括光电处理...

【专利技术属性】
技术研发人员:朱仁江张鹏
申请(专利权)人:重庆师范大学
类型:发明
国别省市:重庆;50

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