專利名稱：用基于皮秒脈沖的高精度激光測(cè)距裝置的測(cè)距方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用基于皮秒脈沖的高精度激光測(cè)距裝置的測(cè)距方法，屬于激光測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
激光測(cè)距技術(shù)是激光技術(shù)中應(yīng)用最早且最成熟的一種，傳統(tǒng)的激光測(cè)距方法使用的激光測(cè)距裝置的測(cè)距方法，存在測(cè)量精度和測(cè)量距離難以兼顧的問(wèn)題，其中，以相位調(diào)制式的激光測(cè)距和納秒脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)最為常用。相位調(diào)制式的激光測(cè)距技術(shù)是測(cè)定連續(xù)的調(diào)制激光在待測(cè)距離d上往返的相位差Δ識(shí)來(lái)間接測(cè)量目標(biāo)的距離信息。因?yàn)楣獠ㄔ趥鞑ミ^(guò)程中每傳播λ的距離，相位就變化
2 η，所以距離d、光波往返相位^和光波波長(zhǎng)λ之間存在一定的關(guān)系d。相
位調(diào)制式的激光測(cè)距雖然測(cè)距精度很高(可達(dá)到毫米量級(jí)的精度)，但存在測(cè)距時(shí)間長(zhǎng)，作用距離近(可達(dá)到幾千米的距離)等缺點(diǎn)。[王秀芳，王江，楊向東，王磊，吳志海.相位激光測(cè)距技術(shù)研究概述·《激光雜志》· 2006，27 (2) 4-5]。納秒脈沖激光測(cè)距技術(shù)則是利用了激光在空氣中傳播速度基本恒定的特性，通過(guò)測(cè)定激光脈沖的一個(gè)往返時(shí)間來(lái)確定接收器與被測(cè)目標(biāo)之間的距離。納秒脈沖激光測(cè)距可以對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量(可達(dá)到幾十千米的距離)，但是測(cè)量精度不高(可達(dá)到米量級(jí)的精度)。[霍玉晶，楊成偉，陳千頌.脈沖激光測(cè)距光源進(jìn)展.《激光與紅外》.2002，32(3) 131-134]。隨著激光技術(shù)及其應(yīng)用的發(fā)展，皮秒脈沖激光器已成為一種技術(shù)成熟的商用產(chǎn)品。它具有極窄的光脈沖寬度和高峰值功率的特點(diǎn)，在光時(shí)鐘脈沖、高比特速率光通信、超高速數(shù)據(jù)處理、光計(jì)算以及皮秒激光加工等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。高速光探測(cè)器技術(shù)中，由于本征光電二極管(簡(jiǎn)稱PIN)探測(cè)器的制作工藝較為簡(jiǎn)單，而且能夠得到非常高的響應(yīng)速度，因此各種不同響應(yīng)速度的PIN光電探測(cè)器得到極大的發(fā)展。[劉家洲，李愛(ài)珍，張永剛.光通信波段超高速PIN光電探測(cè)器的新進(jìn)展.《半導(dǎo)體光電》.2001，22 (4) :227-232]

發(fā)明內(nèi)容
為了解決已有測(cè)距技術(shù)的遠(yuǎn)距離和高精度難以兼顧的問(wèn)題，本發(fā)明提供了用基于皮秒脈沖的高精度激光測(cè)距裝置的測(cè)距方法，可對(duì)幾十千米的遠(yuǎn)距離目標(biāo)進(jìn)行精度可達(dá)到 1毫米的高精度的激光測(cè)距。本發(fā)明的用基于皮秒脈沖的高精度激光測(cè)距裝置的測(cè)距方法，所述的高精度是指對(duì)幾十千米遠(yuǎn)的目標(biāo)進(jìn)行測(cè)距精度達(dá)到1毫米；其特征在于，其包括下列步驟所用的基于皮秒脈沖的高精度激光測(cè)距裝置，其包括激光器1、分束器I 2、分束器113、望遠(yuǎn)鏡4、光電轉(zhuǎn)換器I 5、光電轉(zhuǎn)換器Z6、延時(shí)器7、計(jì)時(shí)器8、接口轉(zhuǎn)換器9、顯示器 10、控制器11和計(jì)算機(jī)12 ；其中，激光器1在其輸出光束的光軸上依次與分束器I 2、分束
4器113、望遠(yuǎn)鏡4連接；光電轉(zhuǎn)換器I 5與分束器I 2和延時(shí)器7分別連接，延時(shí)器7與計(jì)時(shí)器8和計(jì)算機(jī)12分別連接；分束器113與光電轉(zhuǎn)換器116連接；光電轉(zhuǎn)換器116與計(jì)時(shí)器8連接；計(jì)時(shí)器8與接口轉(zhuǎn)換器9連接；接口轉(zhuǎn)換器9與計(jì)算機(jī)12連接；顯示器10與計(jì)算機(jī)12連接； 控制器11與激光器1和計(jì)算機(jī)12分別連接；激光器1為皮秒脈沖激光器；波長(zhǎng)為^6nm、355nm、532nm或1064nm可調(diào)；脈寬為 20ps、60ps或IOOps可調(diào)；脈沖重復(fù)頻率為IOHz或20Hz可調(diào)；光束發(fā)散角0. 4毫弧度；單脈沖能量為毫焦量級(jí)；優(yōu)選激光器1采用的是Nd: YAG皮秒脈沖激光器，分束器I為1 99的光分束器；望遠(yuǎn)鏡4采用口徑為15cm的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)；光電轉(zhuǎn)換器I 5和光電轉(zhuǎn)換器116均采用響應(yīng)時(shí)間小于12ps的高速PIN光電探測(cè)器；計(jì)算機(jī)12中存儲(chǔ)有本發(fā)明的基于皮秒脈沖激光的激光測(cè)距裝置的管理及運(yùn)行軟件，因此，使得計(jì)算機(jī)12能進(jìn)行人機(jī)交互、信號(hào)處理、控制和數(shù)據(jù)計(jì)算；計(jì)算機(jī)12給控制器11發(fā)出指令，激光器1發(fā)射激光脈沖；計(jì)算機(jī)12給延時(shí)器7 發(fā)出延時(shí)時(shí)間指令；激光器1輸出的激光被分束器I分為兩部分，其中的99%的激光經(jīng)分束器113后由望遠(yuǎn)鏡4發(fā)射出去，用于輻照目標(biāo)；其中的1 %的激光由光電轉(zhuǎn)換器I 5轉(zhuǎn)換成電信號(hào)， 該電信號(hào)進(jìn)入延時(shí)器7，在計(jì)算機(jī)12給出的延時(shí)時(shí)間指令的作用下，延時(shí)器7對(duì)該電信號(hào)進(jìn)行延時(shí)操作后，再進(jìn)入計(jì)時(shí)器8作為同步開(kāi)門(mén)信號(hào)；望遠(yuǎn)鏡4接收回波信號(hào)，回波信號(hào)經(jīng)分束器113進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換器116轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后再進(jìn)入計(jì)時(shí)器8，作為計(jì)時(shí)器8的關(guān)門(mén)信號(hào)；計(jì)時(shí)器8得到往返于測(cè)距系統(tǒng)和目標(biāo)之間的脈沖數(shù)N，并得到時(shí)間T = Nt，其中t 為計(jì)數(shù)脈沖的重復(fù)周期；既時(shí)間T為皮秒脈沖激光往返于測(cè)距系統(tǒng)和目標(biāo)之間的時(shí)間，時(shí)間T經(jīng)接口轉(zhuǎn)換器9后輸入計(jì)算機(jī)12 ；在計(jì)算機(jī)12中，根據(jù)測(cè)距系統(tǒng)與目標(biāo)之間的距離公式
Γ ^ cT cNtR=—=——
2 2計(jì)算得到測(cè)距系統(tǒng)與目標(biāo)之間的距離R ；公式中，c為光在介質(zhì)中的傳播速度；計(jì)算得到測(cè)距系統(tǒng)與目標(biāo)之間的距離R可以通過(guò)顯示器10顯示，或者打印出來(lái)；所述的軟件流程圖如圖2所示。結(jié)合硬件介紹軟件流程并說(shuō)明本發(fā)明的基于皮秒脈沖激光的高精度激光測(cè)距方法的步驟如下執(zhí)行步驟21，開(kāi)始，初始化；執(zhí)行步驟22，計(jì)算機(jī)12給控制器11發(fā)出指令，激光器1發(fā)射激光脈沖；執(zhí)行步驟23，計(jì)算機(jī)12給延時(shí)器7發(fā)出延時(shí)時(shí)間指令，作為延時(shí)器7實(shí)際運(yùn)行中的延時(shí)時(shí)間指令，本發(fā)明的測(cè)距裝置正式進(jìn)入工作狀態(tài)；激光器1輸出的激光被分束器I分為兩部分，其中的99%的激光經(jīng)分束器113后由望遠(yuǎn)鏡4發(fā)射出去，用于輻照目標(biāo)；其中的1 %的激光由光電轉(zhuǎn)換器I 5轉(zhuǎn)換成電信號(hào)， 該電信號(hào)進(jìn)入延時(shí)器7，在計(jì)算機(jī)12給出的延時(shí)時(shí)間指令的作用下，延時(shí)器7對(duì)該電信號(hào)進(jìn)行延時(shí)操作后，再進(jìn)入計(jì)時(shí)器8作為同步開(kāi)門(mén)信號(hào)；
5
執(zhí)行步驟M，望遠(yuǎn)鏡4接收回波信號(hào)，回波信號(hào)經(jīng)分束器113進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換器116 轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后再進(jìn)入計(jì)時(shí)器8，作為計(jì)時(shí)器8的關(guān)門(mén)信號(hào)；計(jì)時(shí)器8得到往返于測(cè)距系統(tǒng)和目標(biāo)之間的脈沖數(shù)N，并得到時(shí)間T = Nt，其中t 為計(jì)數(shù)脈沖的重復(fù)周期；既時(shí)間T為皮秒脈沖激光往返于測(cè)距系統(tǒng)和目標(biāo)之間的時(shí)間，時(shí)間T經(jīng)接口轉(zhuǎn)換器9后輸入計(jì)算機(jī)12 ；在計(jì)算機(jī)12中，根據(jù)測(cè)距系統(tǒng)與目標(biāo)之間的距離公式
權(quán)利要求
1.用基于皮秒脈沖的高精度激光測(cè)距裝置的測(cè)距方法，所述的高精度是指對(duì)幾十千米遠(yuǎn)的目標(biāo)進(jìn)行測(cè)距精度達(dá)到1毫米；其特征在于，其包括下列步驟其包括激光器(1)、分束器I (2)、分束器II (3)、望遠(yuǎn)鏡(4)、光電轉(zhuǎn)換器I (5)、光電轉(zhuǎn)換器II (6)、延時(shí)器(7)、計(jì)時(shí)器(8)、接口轉(zhuǎn)換器(9)、顯示器(10)、控制器(11)和計(jì)算機(jī)(12)；其中，激光器(1)在其輸出光束的光軸上依次與分束器I ( 、分束器II (3)、望遠(yuǎn)鏡(4)連接；光電轉(zhuǎn)換器I ( 與分束器I (2)和延時(shí)器(7)分別連接，延時(shí)器(7)與計(jì)時(shí)器(8)和計(jì)算機(jī)(12)分別連接；分束器II (3)與光電轉(zhuǎn)換器11(6)連接；光電轉(zhuǎn)換器II (6)與計(jì)時(shí)器⑶連接；計(jì)時(shí)器⑶與接口轉(zhuǎn)換器(9)連接；接口轉(zhuǎn)換器(9)與計(jì)算機(jī)(12)連接；顯示器(10)與計(jì)算機(jī)(12)連接；控制器(11)與激光器(1)和計(jì)算機(jī)(1 分別連接；激光器(1)為皮秒脈沖激光器；波長(zhǎng)為266nm、355nm、532nm或1064nm可調(diào)；脈寬為 20ps、60ps或IOOps可調(diào)；脈沖重復(fù)頻率為IOHz或20Hz可調(diào)；光束發(fā)散角0. 4毫弧度；單脈沖能量為毫焦量級(jí)；激光器(1)采用的是皮秒脈沖激光器；分束器I ( 為1 99的光分束器；望遠(yuǎn)鏡(4) 采用口徑為15cm的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)；光電轉(zhuǎn)換器I (5)和光電轉(zhuǎn)換器II (6)均采用響應(yīng)時(shí)間小于12ps的高速PIN光電探測(cè)器；計(jì)算機(jī)(1 中存儲(chǔ)有基于皮秒脈沖激光的激光測(cè)距裝置的管理及運(yùn)行軟件，因此，使得計(jì)算機(jī)(1 能進(jìn)行人機(jī)交互、信號(hào)處理、控制和數(shù)據(jù)計(jì)算；計(jì)算機(jī)(1 給控制器(11)發(fā)出指令，激光器(1)發(fā)射激光脈沖；計(jì)算機(jī)(1 給延時(shí)器(7)發(fā)出延時(shí)時(shí)間指令；激光器(1)輸出的激光被分束器1( 分為兩部分，其中的99%的激光經(jīng)分束器II (3) 后由望遠(yuǎn)鏡(4)發(fā)射出去，用于輻照目標(biāo)；其中的的激光由光電轉(zhuǎn)換器1(5)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，該電信號(hào)進(jìn)入延時(shí)器(7)，在計(jì)算機(jī)(12)給出的延時(shí)時(shí)間指令的作用下，延時(shí)器(7) 對(duì)該電信號(hào)進(jìn)行延時(shí)操作后，再進(jìn)入計(jì)時(shí)器(8)作為同步開(kāi)門(mén)信號(hào)；望遠(yuǎn)鏡(4)接收回波信號(hào)，回波信號(hào)經(jīng)分束器II C3)進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換器11(6)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后再進(jìn)入計(jì)時(shí)器(8)，作為計(jì)時(shí)器(8)的關(guān)門(mén)信號(hào)；計(jì)時(shí)器⑶得到往返于測(cè)距系統(tǒng)和目標(biāo)之間的脈沖數(shù)N，并得到時(shí)間T = Nt,其中t為計(jì)數(shù)脈沖的重復(fù)周期；既時(shí)間T為皮秒脈沖激光往返于測(cè)距系統(tǒng)和目標(biāo)之間的時(shí)間，時(shí)間T 經(jīng)接口轉(zhuǎn)換器(9)后輸入計(jì)算機(jī)(12)；在計(jì)算機(jī)(12)中，根據(jù)測(cè)距系統(tǒng)與目標(biāo)之間的距離公式
2.如權(quán)利要求1所述的用基于皮秒脈沖的高精度激光測(cè)距裝置的測(cè)距方法，其特征在于，所述的激光器(1)采用的是Nd:YAG皮秒脈沖激光器，其波長(zhǎng)為1064nm，脈寬20ps，脈沖重復(fù)頻率IOHz，光束發(fā)散角0. 4毫弧度。
3.如權(quán)利要求1所述的用基于皮秒脈沖的高精度激光測(cè)距裝置的測(cè)距方法，其特征在于，所述的激光器(1)采用的是Nd:YAG皮秒脈沖激光器，波長(zhǎng)為266nm。
4.如權(quán)利要求1所述的用基于皮秒脈沖的高精度激光測(cè)距裝置的測(cè)距方法，其特征在于，所述的激光器(1)采用的是Nd:YAG皮秒脈沖激光器，波長(zhǎng)為355nm。
5.如權(quán)利要求1所述的用基于皮秒脈沖的高精度激光測(cè)距裝置的測(cè)距方法，其特征在于，所述的激光器(1)采用的是Nd:YAG皮秒脈沖激光器，波長(zhǎng)為532nm。
6.如權(quán)利要求1所述的用基于皮秒脈沖的高精度激光測(cè)距裝置的測(cè)距方法，其特征在于，所述的激光器(1)采用的是Nd:YAG皮秒脈沖激光器，脈寬為60ps。
7.如權(quán)利要求1所述的用基于皮秒脈沖的高精度激光測(cè)距裝置的測(cè)距方法，其特征在于，所述的激光器(1)采用的是Nd:YAG皮秒脈沖激光器，脈寬為lOOps。
8.如權(quán)利要求1所述的用基于皮秒脈沖的高精度激光測(cè)距裝置的測(cè)距方法，其特征在于，所述的激光器(1)采用的是Nd:YAG皮秒脈沖激光器，脈沖重復(fù)頻率為20Hz。
全文摘要
本發(fā)明提供了用基于皮秒脈沖的高精度激光測(cè)距裝置的測(cè)距方法，結(jié)合了皮秒脈沖激光技術(shù)，高速光電探測(cè)技術(shù)，采用皮秒脈沖激光器作為激光發(fā)射源，高速PIN光電探測(cè)器作為接收單元。由于激光光源以脈沖模式工作，激光發(fā)射功率密度高，兼顧了測(cè)量距離遠(yuǎn)、測(cè)距精度高的優(yōu)點(diǎn)。所用裝置穩(wěn)定可靠，對(duì)幾十千米遠(yuǎn)的距離目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量精度達(dá)到1毫米，使得測(cè)距精度比傳統(tǒng)的納秒脈沖激光測(cè)距技術(shù)提高了1000倍；本發(fā)明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙，簡(jiǎn)單適用，可應(yīng)用于航空航天、海洋考察以及遠(yuǎn)距離高精度的測(cè)量。
文檔編號(hào)G01S17/10GK102393523SQ201110221790
公開(kāi)日2012年3月28日 申請(qǐng)日期2011年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月4日
發(fā)明者夏騰, 張雷, 徐立軍, 李昌立, 蔡紅星, 譚勇, 郭曉波, 金光勇, 高明希 申請(qǐng)人:長(zhǎng)春理工大學(xué)