一种基于分离谐振腔的激光测距系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于分离谐振腔的激光测距系统，包括测距主机和合作目标，合作目标布置于待测目标的表面；测距主机包括第一回复反射结构、增益模块、主控系统和分别与主控系统连接的泵浦模块、第一通信装置、调制器、相位鉴定器，泵浦模块为第一回复反射结构提供泵浦；合作目标包括依次连接的第二通信装置、电能转换器、光电转换器、全反射镜和第二回复反射结构；第一回复反射结构发出的共振光束在与第二回复反射结构形成的长腔激光器中来回反射。与现有技术相比，本发明专利技术采用分离谐振腔结构，通过高功率密度的共振激光光束传输实现了0‑50米范围的测距，共振光束在谐振腔内来回反射可随时被侵入异物中断从而保证高功率密度应用下的安全。

A Laser Ranging System Based on Separated Resonator

【技术实现步骤摘要】
一种基于分离谐振腔的激光测距系统
本专利技术涉及激光测距领域，尤其是涉及一种基于分离谐振腔的激光测距系统。
技术介绍
激光测距技术在智能设备、工业制造、航空航天、测绘遥感等领域有广泛应用，具有无接触、实时快速、高精度和大范围的优点。激光测距目前主要分为三种方法：三角法、干涉法和飞行时间法。其中，飞行时间法因精度高、范围广、结构简单而被广泛应用在智能设备、工业制造等小型激光测距仪中，它又可分为脉冲飞行时间法和相位测距法。对于智能设备、工业制造领域的近距离应用(0-50米范围)，脉冲飞行时间法由于精度不易提高，或者高精度测距需要昂贵的脉冲计数器(要实现10mm的测距精度需要高达30GHz的脉冲计数器)而不适合使用，因此，选择相位测距法为核心方案。相位测距法能够在几十米范围内实现非接触、高精度的距离测量。在测量时，相位测距法使用强度调制的方法调制激光信号，通过测量参考信号与经反射回的待测信号间的相位延迟获得光信号传播时间，从而确定待测距离。通常相位测距法使用的待测信号调制频率越高、相位测量精度越高，最终的距离测量精度就越高。因此，要提高相位法激光测距的测量精度，关键在于能够准确地测量参考信号与待测信号的相位延迟。传统的相位延迟测量方法主要分为数字鉴相和模拟鉴相。数字鉴相的核心是通过对两路信号进行数字采样，再对采样结果计算得到两路信号间相位延迟，但是实时处理难度大，成本较高。模拟鉴相主要受待测信号幅度影响。可以看出，增强待测信号功率密度提升信号幅度的可调制空间，可同时加强数字鉴相和模拟鉴相测量相位延迟的准确度。然而现有激光测距技术主要采用腔外激光，由于安全原因在智能设备、工业制造的大多应用场景中无法提高功率密度。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于分离谐振腔的激光测距系统。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于分离谐振腔的激光测距系统，包括测距主机和合作目标，所述合作目标布置于待测目标的表面；所述测距主机包括第一回复反射结构、增益模块、主控系统和分别与主控系统连接的泵浦模块、第一通信装置、调制器、相位鉴定器，所述泵浦模块为增益模块提供泵浦；所述合作目标包括依次连接的第二通信装置、电能转换器、光电转换器、全反射镜和第二回复反射结构；所述第一回复反射结构发出的共振光束在与第二回复反射结构形成的长腔激光器中来回反射，所述调制器用于调制共振光束的发射相位，所述相位鉴定器用于鉴定共振光束的接收相位，所述第一通信装置与第二通信装置连接。优选的，所述测距主机的主控系统基于正交调制激光相位测距法实现距离测量。优选的，所述相位鉴定器通过鉴定反射的共振光束通过第一回复反射结构的泄漏光束，获得待测相位延迟。优选的，所述调制器采用多测尺频率调制，测尺频率包括1.5MHz、15MHz、150MHz。优选的，所述第一回复反射结构和第二回复反射结构都采用高反射率的部分反射镜。优选的，所述第一回复反射结构与第二回复反射结构分别都采用角锥棱镜、猫眼回复反射器、回复反射微阵列中的一种。优选的，所述增益模块为Nd:YAG薄片增益介质。优选的，所述长腔激光器的腔内共振光束的功率密度大于25W/cm2。优选的，所述光电转换器为带散热层的硅基垂直多结面光伏电池。优选的，所述第一通信装置和第二通信装置分别都为2.4GHzISM频段的低功耗无线电收发器。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1、采用分离谐振腔结构，通过高功率密度的共振激光光束传输实现了0-50米范围的测距，共振光束在谐振腔内来回反射可随时被侵入异物中断从而保证高功率密度应用下的安全，其两端谐振腔镜为回复反射结构，可彼此作为合作目标为相位法测距提供基础。2、采用激光器谐振腔内共振光束作为待测信号，可达25W/cm2以上功率密度，信号强度高，可减小噪声干扰带来的相移，避免信号增强元件(如雪崩光电二极管AvalanchePhotodiode,APD)的使用，降低系统复杂度，在提高相位鉴定器灵敏度的同时保证用户使用安全。3、分离谐振腔的长腔激光器结构同时也是远距离无线充电系统，在为合作目标测距的同时提供合作目标通讯装置的电能，有利于及时反馈测距信息，保证合作目标与测距主机间的自启动通信。4、通过分离谐振腔两端的回复反射结构，测距主机可测试移动的待测目标，并同时维持共振光束功率密度，保证相位鉴定器灵敏度。附图说明图1为本专利技术系统的结构示意图；图2为本专利技术系统通过相位法激光测距的基本原理示意图；图3为本专利技术系统正交调制激光相位测距法工作原理示意图；图4为本专利技术实施例二的系统结构示意图。图中标注：1、测距主机，2、合作目标，3、主控系统，4、泵浦模块，5、第一通信装置，6、第一回复反射结构，7、增益模块，8、调制器，9、相位鉴定器，10、第二通信装置，11、电能转换器，12、光电转换器，13、全反射镜，14、第二回复反射结构，15、待测目标，16、长腔激光器。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。实施例一如图1所示，本申请提出一种基于分离谐振腔的激光测距系统，包括测距主机1和合作目标2，合作目标2设计尺寸较小并布置于待测目标15的表面。测距主机1包括第一回复反射结构6、增益模块7、主控系统3和分别与主控系统3连接的泵浦模块4、第一通信装置5、调制器8、相位鉴定器9。合作目标2包括依次连接的第二通信装置10、电能转换器11、光电转换器12、全反射镜13和第二回复反射结构14。泵浦模块4、第一回复反射结构6、增益模块7、第二回复反射结构14联合构成分离谐振腔长腔激光器，第一回复反射结构6发出的共振光束在第一回复反射结构6与第二回复反射结构14之间来回反射。本实施例中，长腔激光器16的腔内共振光束的功率密度大于25W/cm2。调制器8在测距主机侧用于调制共振光束的发射相位。相位鉴定器9在测距主机侧用于鉴定共振光束的接收相位，根据鉴定反射的共振光束通过第一回复反射结构6的泄漏光束，获得待测相位延迟。测距主机1的主控系统3基于正交调制激光相位测距法实现距离测量，通过计算接收相位与发射相位间相位延迟代表的距离，获得测距主机1与合作目标2间的距离。图2是本系统采用相位法激光测距的基本原理示意图，主控系统3为基于微处理器单元的控制平台，为系统提供计算、控制、存储等功能。泵浦模块4为半导体激光器光泵浦模块，由主控系统3控制，向增益模块7提供泵浦能量。第二回复反射结构14为第一回复反射结构6的合作目标，本实施例中两者都为角锥棱镜。第一回复反射结构6与第二回复反射结构14构成长腔激光器，其中第一回复反射结构6为全反射镜，第二回复反射结构14为98％部分反射镜，激光共振光束在谐振腔内形成环形光路。增益模块7为工作波长为1064nm的薄片型Nd:YAG增益介质，实现共振光束功率密度的放大。共振光束的发射端由调制器8提供的多测尺频率调制，测尺频率包括1.5MHz、15MHz、150MHz。共振光束的接收端由相位鉴定器9鉴相。若测尺的调制角频率为ω，待测目标的距离为D，共振光束到待测目标往返一次对应的时间t可表示为：那么距离D可表示为：其中c为光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于分离谐振腔的激光测距系统，其特征在于，包括测距主机(1)和合作目标(2)，所述合作目标(2)布置于待测目标(15)的表面；所述测距主机(1)包括第一回复反射结构(6)、增益模块(7)、主控系统(3)和分别与主控系统(3)连接的泵浦模块(4)、第一通信装置(5)、调制器(8)、相位鉴定器(9)，所述泵浦模块(4)为增益模块(7)提供泵浦；所述合作目标(2)包括依次连接的第二通信装置(10)、电能转换器(11)、光电转换器(12)、全反射镜(13)和第二回复反射结构(14)；所述第一回复反射结构(6)发出的共振光束在与第二回复反射结构(14)形成的长腔激光器(16)中来回反射，所述调制器(8)用于调制共振光束的发射相位，所述相位鉴定器(9)用于鉴定共振光束的接收相位，所述第一通信装置(5)与第二通信装置(10)连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于分离谐振腔的激光测距系统，其特征在于，包括测距主机(1)和合作目标(2)，所述合作目标(2)布置于待测目标(15)的表面；所述测距主机(1)包括第一回复反射结构(6)、增益模块(7)、主控系统(3)和分别与主控系统(3)连接的泵浦模块(4)、第一通信装置(5)、调制器(8)、相位鉴定器(9)，所述泵浦模块(4)为增益模块(7)提供泵浦；所述合作目标(2)包括依次连接的第二通信装置(10)、电能转换器(11)、光电转换器(12)、全反射镜(13)和第二回复反射结构(14)；所述第一回复反射结构(6)发出的共振光束在与第二回复反射结构(14)形成的长腔激光器(16)中来回反射，所述调制器(8)用于调制共振光束的发射相位，所述相位鉴定器(9)用于鉴定共振光束的接收相位，所述第一通信装置(5)与第二通信装置(10)连接。2.根据权利要求1所述的一种基于分离谐振腔的激光测距系统，其特征在于，所述测距主机(1)的主控系统(3)基于正交调制激光相位测距法实现距离测量。3.根据权利要求1所述的一种基于分离谐振腔的激光测距系统，其特征在于，所述相位鉴定器(9)通过鉴定反射的共振光束通过第一回复反射结构(6)的泄漏光束，获得待测相位延...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓浩，刘庆文，白云峰，方稳，熊明亮，张清清，黄卓仪，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31