基于液体透镜的调频连续波激光测距双光束快速聚焦方法技术

本发明专利技术公开了一种基于液体透镜的调频连续波激光测距双光束快速聚焦方法，在目标点定位过程中通过粗糙、中调、微调三步搜索算法实现红色引导激光的快速聚焦，在调频连续波测量激光自动聚焦中根据红色引导激光与调频连续波激光之间参数的关系，确定补偿参数，由此可根据目标点定位阶段红色引导激光聚焦时液体透镜的驱动电流值计算出此位置处使调频连续波测量激光聚焦的驱动电流值，无需使用其他红外感应器件对处于红外波段的调频连续波激光的最小聚焦光斑位置进行搜索寻找，极大地降低了系统复杂度，并且节省了调频连续波测量激光的聚焦时间，能够实现由定位阶段转向测量阶段后调频连续波激光的直接快速聚焦。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于液体透镜的调频连续波激光测距光束快速聚焦方法。
技术介绍
调频连续波激光测距是一种干涉式大尺寸激光绝对测距技术，具有测量精度高、绝对式测量、可以对漫反射目标进行直接测量等特点。在大尺寸几何量测量、重大装备制造、军事科技、空间技术等领域有着广阔的应用前景。调频连续波激光测距系统运用红色引导激光定位待测目标点位置，运用频率线性调制的高频激光测量目标点的绝对距离。为实现对待测目标点进行位置定位和距离测量，需将可见光与调频连续波激光耦合进同一光纤然后经变焦系统聚焦到待测目标点处。但因可见光波长与调频连续波激光波长相差较大，故两种波长的光经过变焦系统后因色差的存在不能同时聚焦于一点。传统解决方法分为两种：第一种方法只聚焦红色引导激光，在一定的测距范围内调频连续波激光通过变焦系统后也将保持会聚状态，但在待测目标点处无法完全聚焦为一点，而是一直径小于某一值的光斑，如图2所示，该方法是以损失调频连续波激光聚焦效果为前提来实现光束同时聚焦的目的，但该方法存在两个弊端:第一，用于测距的调频连续波激光在待测目标点无法完全会聚于一点，会降低系统的回波功率和测距精度；第二，该方法只适用于较小的测距范围，在超出该范围后，在红色引导激光能够聚焦的情况下调频连续波激光将处于发散状态，如图3所示，光束发散将降低系统测距精度和回波功率，并且随着待测距离的增加影响将变得越发严重。第二种方法采用分时聚焦的方法，因红色引导激光只用于目标点的定位，调频连续波激光只用于目标点距离的测量，测距过程中先定位后测量，二者分时进行，因此可以在定位阶段只聚焦红色引导激光而不考虑调频连续波激光的聚焦情况，而在测量阶段只聚焦调频连续波激光而对红色引导激光的聚焦不予考虑，这样既保证了定位的准确性，又保证了测距的精度。但该方法存在一个弊端,在红色引导激光聚焦的过程中可以使用相机辅助反馈来调节液体透镜的驱动电流以实现红色引导激光的自动聚焦，但调频连续波激光为不可见光，无法利用相机进行辅助聚焦，需使用光电探测器对调频连续波激光回波能量进行探测以寻找到最佳聚焦点，即回波能量最大时的液体透镜驱动电流。光电探测器的加入会增加系统复杂度，同时由于回波信号在空气中传播时会受到各种噪声干扰，因此光电探测器探测到的回波能量并不准确，会影响调频连续波激光的聚焦效果。
技术实现思路
针对现有调频连续波激光测距系统引导定位激光和测量激光聚焦方法的不足，本专利技术提出一种基于液体透镜的调频连续波激光测距系统双光束快速聚焦方法，利用双光束分时快速聚焦，利用红色引导激光定位过程中简化了搜索步骤，调频连续波测量激光自动聚焦是通过本专利技术建立的液体透镜数学模型直接计算获得对应的液体透镜的驱动电流值，本专利技术无需使用其他红外感应器件对处于红外波段的调频连续波激光的最小聚焦光斑位置进行搜索寻找，极大地降低了系统复杂度和对硬件系统的数据处理要求，并且节省了调频连续波激光的聚焦时间，能够实现由定位阶段转向测量阶段后调频连续波激光的直接快速聚焦。为了解决上述技术问题，本专利技术提出的一种基于液体透镜的调频连续波激光测距双光束快速聚焦方法，将红色引导激光和调频连续波测量激光耦合进同一光纤合成一束光，该光束进入一液体透镜，在液体透镜内用孔径光阑将光束限制在光学系统近轴区域，利用红色引导激光和调频连续波测量激光分时聚焦，最终实现自动聚焦。具体步骤如下：步骤一、红色引导激光自动聚焦实现待测目标点的定位，包括1-1、液体透镜驱动电流粗调：液体透镜驱动电流以步长Icoarse递减，设第n次驱动电流值为In＝In-1-Icoarse (1)式(1)中，In为液体透镜驱动电流调节过程中的第n次液体透镜驱动电流值，In-1为液体透镜驱动电流调节过程中的第n-1次液体透镜驱动电流值，Icoarse为液体透镜驱动电流的调节步长；对不同液体透镜驱动电流下相机捕捉到的图像中的红色引导激光聚焦光斑的大小Sn进行比较，随着液体透镜驱动电流的减小红色引导激光聚焦光斑的大小会出现先减小后增大的趋势，当从某一点n1开始出现Sn1-1>Sn1,Sn1+1>Sn1时，液体透镜驱动电流停止减小，此时，透镜驱动电流为In1，其中Sn1-1，Sn1，Sn1+1分别为第n1-1次，第n1次，第n1+1次调节液体透镜驱动电流值时红色引导激光聚焦光斑的大小；1-2、液体透镜驱动电流中调：液体透镜驱动电流以In1-Icoarse为起点，以步长Imid递减，Imid<Icoarse，当从某一点n2开始出现Sn2-1>Sn2,Sn2+1>Sn2时，液体透镜驱动电流停止减小，此时，透镜驱动电流为In2；1-3、液体透镜驱动电流微调：液体透镜驱动电流以In2-Imid为起点，以步长Ifine递减，Ifine<Imid，当从某一点n3开始出现Sn3-1>Sn3,Sn3+1>Sn3时，液体透镜驱动电流停止减小，此时，透镜驱动电流为In3；将该液体透镜驱动电流In3输出给液体透镜；步骤二、调频连续波测量激光最佳聚焦时液体透镜驱动电流I’，I’＝In3+A (2)式(2)中，A为一常数值，在红色引导激光波长为658nm，调频连续波测量激光波长为1550nm时，A＝32.4nm；步骤三、将步骤二确定的液体透镜驱动电流I’输出给液体透镜，实现调频连续波测量激光自动聚焦。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术基于液体透镜的调频连续波激光测距双光束快速聚焦方法对红色引导激光和调频连续波测量激光进行分时聚焦，在定位阶段对红色引导激光采取粗调、中调、微调三步搜索聚焦算法，简化了搜索过程，节省了聚焦时间；在目标点距离测量阶段，通过孔径光阑将光束限制在近轴区域，根据红色引导激光与调频连续波测量激光之间参数的关系建立起液体透镜数学模型，根据液体透镜数学模型可以推算出在相同距离目标点处红色引导激光与调频连续波测量激光分别达到最佳聚焦状态时各自对应的液体透镜驱动电流之间的数学关系式，由此可根据目标点定位阶段红色引导激光达到最佳聚焦状态时液体透镜的驱动电流值计算出此位置处使调频连续波测量激光聚焦达到最佳聚焦状态时的液体透镜的驱动电流值，该电流值可以通过软件程序计算获得，由此实现从定位阶段转向测量阶段后调频连续波测量激光的快速聚焦，省去了再次使用搜索算法搜索最佳聚焦点位置的繁杂过程和其他红外感应器件的使用，极大地降低了系统复杂度和对硬件系统的数据处理要求，并且节省了调频连续波激光的聚焦时间，聚焦时间快，能够实现由定位阶段转向测量阶段后调频连续波激光的直接快速聚焦。附图说明图1为本专利技术基于液体透镜的调频连续波激光测距系统双光束快速聚焦方法的流程图；图2是红色引导激光和调频连续波测量激光同时会聚时的示意图；图3是红色引导激光会聚而调频连续波测量激光发散时的示意图；图4是本专利技术聚焦方法中红色引导激光自动聚焦过程中光斑大小与驱动电流关系曲线；图5是本专利技术聚焦方法所用聚焦装置的结构示意图；图6是图5中所示光纤与液体透镜单元的连接关系示意图；图7是本专利技术实施例红色引导激光聚焦过程中光斑变化图；图8是本专利技术实例调频连续波测量激光达到最佳聚焦状态时的聚焦光斑图。图中：1-可调谐激光器 2-红光激光器 3-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于液体透镜的调频连续波激光测距双光束快速聚焦方法，其特征在于：将红色引导激光和调频连续波测量激光耦合进同一光纤合成一束光，该光束进入一液体透镜，在液体透镜内用孔径光阑将光束限制在光学系统近轴区域，利用红色引导激光和调频连续波测量激光分时聚焦，最终实现自动聚焦。

【技术特征摘要】
1.一种基于液体透镜的调频连续波激光测距双光束快速聚焦方法，其特征在于：将红色引导激光和调频连续波测量激光耦合进同一光纤合成一束光，该光束进入一液体透镜，在液体透镜内用孔径光阑将光束限制在光学系统近轴区域，利用红色引导激光和调频连续波测量激光分时聚焦，最终实现自动聚焦。2.根据权利要求1所述基于液体透镜的调频连续波激光测距双光束快速聚焦方法，其特征在于：具体步骤如下：步骤一、红色引导激光自动聚焦实现待测目标点的定位，包括：1-1、液体透镜驱动电流粗调：液体透镜驱动电流以步长Icoarse递减，设第n次驱动电流值为In＝In-1-Icoarse (1)式(1)中，In为液体透镜驱动电流调节过程中的第n次液体透镜驱动电流值，In-1为液体透镜驱动电流调节过程中的第n-1次液体透镜驱动电流值，Icoarse为液体透镜驱动电流的调节步长；对不同液体透镜驱动电流下相机捕捉到的图像中的红色引导激光聚焦光斑的大小Sn进行比较，随着液体透镜驱动电流的减小红色引导激光聚焦光斑的大小会出现先减小后增大的趋势，当从某一点n1开始出现Sn1-1>Sn1,Sn1+1>Sn1时，液体透镜驱动电流停止减小...

【专利技术属性】
技术研发人员：张福民，姚艳南，曲兴华，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12