雙波長雙脈沖的無模糊激光測距裝置制造方法
【專利摘要】一種雙波長雙脈沖的無模糊激光測距裝置，基本原理是發(fā)射兩個波長的激光脈沖，且對兩激光脈沖的時間間隔進行順序編碼，接收通道通過波長分束的方法，將兩個波長的激光回波分別接收到兩個探測器，然后分別進行時間測量。通過計算兩個波長脈沖的回波時間差，準(zhǔn)確解碼當(dāng)前激光回波對應(yīng)的起始脈沖的時間差，計算出目標(biāo)的距離。本發(fā)明的特點是采用兩個波長且時間間隔編碼的雙脈沖測距，可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高重頻的無模糊激光測距。
【專利說明】雙波長雙脈沖的無模糊激光測距裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光雷達和激光三維掃描儀，特別是一種雙波長雙脈沖的無模糊激光測距裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)高重頻、遠(yuǎn)距離、無距離模糊的激光測距。
【背景技術(shù)】
[0002]在激光雷達和激光三維掃描儀領(lǐng)域，目前常用的激光測距方式主要有基于飛行時間的脈沖直接測距法和相位測量法等。相位測量因為發(fā)射的激光功率較低，往往用于近距離測量。對于200米以外的非合作目標(biāo)，通常采用脈沖飛行時間測距方法。脈沖飛行時間方法存在距離模糊問題，為了能夠獲取準(zhǔn)確的距離信息，測距距離和激光重復(fù)頻率的乘積要小于光速的一半。對于遠(yuǎn)距離測量的激光雷達，往往需要降低激光重復(fù)頻率，來克服距離模糊可能帶來的測距錯誤。為了克服距離模糊，通常使用的方式是采用脈沖同步計數(shù)技術(shù)，通過對發(fā)射和接收脈沖進行同步計數(shù)，能夠縮小模糊距離，從而一定程度上克服距離模糊對激光重頻的限制，實現(xiàn)對遠(yuǎn)距離目標(biāo)的高重頻測距。但是該方法需要對目標(biāo)距離的變化范圍有先驗知識或準(zhǔn)確記錄第一個脈沖的回波時間，且目標(biāo)距離的變化范圍不大，當(dāng)目標(biāo)距離變化較大且無先驗知識時，該方法就會失效。也可以采用脈沖編碼方式，對發(fā)射的激光脈沖進行單個或雙脈沖間隔時間編碼，通過對脈沖進行間隔時間解碼，能夠獲得準(zhǔn)確的距離信息，克服距離模糊。但是該方法在測量具有穿透性的目標(biāo)時(如植被測量)，會因為產(chǎn)生多個相鄰回波而導(dǎo)致編碼錯位，產(chǎn)生錯誤的測距信息。而且雙脈沖激光編碼的雙回波信號到達一個測距通道，由于測距通道的響應(yīng)時間通常要達到幾十納秒，即脈沖距離間隔為幾米，脈沖間隔時間需要較長，過寬的脈沖間隔也影響了編碼的效率。因此，對于當(dāng)前的高重頻激光測距和激光三維掃描儀，測距距離和激光重復(fù)頻率仍然存在一定的矛盾，限制了測距和激光掃描的速度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是為了解決目前高重頻激光測距中面臨的距離模糊問題，提供一種雙波長雙脈沖的無模糊激光測距裝置，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)高重頻、遠(yuǎn)距離、無距離模糊的激光測距。
[0004]本發(fā)明的工作原理是
[0005]發(fā)射兩個波長的激光脈沖，對兩個波長激光脈沖的時間間隔進行周期性的編碼，通過合束器將兩個波長的脈沖光合并到同一個光軸上發(fā)射出去，接收通道通過波長分束的方法，將兩個波長的激光回波分別接收到兩個探測器，然后通過計算兩個波長脈沖的回波的時間差，能夠準(zhǔn)確解碼當(dāng)前激光回波對應(yīng)的起始脈沖，消除在遠(yuǎn)距離測距時，由于距離模糊導(dǎo)致的測距錯誤。
[0006]該技術(shù)能夠克服穿透性目標(biāo)的多回波測距導(dǎo)致的脈沖調(diào)制錯位，準(zhǔn)確解算出多回波對應(yīng)的距離值。而且能夠通過兩個測距通道的測距值平均，提高測距的精度。具體工作原理參見圖1。[0007]本發(fā)明技術(shù)解決方案如下:
[0008]一種雙波長雙脈沖的無模糊激光測距裝置，其特點在于:該裝置包括脈沖位置編碼器、脈沖信號源、激光源、波長合束器、接收望遠(yuǎn)鏡、波長分束器、帶通濾光片、探測器、時間測量模塊和脈沖解碼模塊，所述的脈沖信號源由固定周期的脈沖信號發(fā)生源和信號延遲器組成；所述的激光源由短波光纖激光器和長波光纖激光器組成，所述的帶通濾光片包括短波帶通濾光片和長波帶通濾光片，所述的探測器包括短波探測器和長波探測器，上述元部件的連接關(guān)系如下:
[0009]所述的脈沖位置編碼器的第一輸出端接所述的信號延遲器的第一輸入端，脈沖位置編碼器的第二輸出端接所述的脈沖解碼模塊的第二輸入端，所述的固定周期的脈沖信號發(fā)生源的第一輸出端分別接所述的短波光纖激光器的控制端和時間測量模塊的第一輸入端，該短波光纖激光器的輸出端輸出的短波長激光透過所述的波長合束器，所述的所述的固定周期的脈沖信號發(fā)生源的第二輸出端接所述的信號延遲器的第二輸入端，該信號延遲器的輸出端分別接所述的長波光纖激光器的控制端和時間測量模塊的第二輸入端，所述的長波光纖激光器的輸出端輸出的長波長激光經(jīng)所述的波長合束器的反射與透過所述的波長合束器的短波長激光合成光斑直徑、角度和發(fā)散角完全相同的同光路的激光分別射向目標(biāo)；
[0010]兩個波長的激光回波由所述的接收望遠(yuǎn)鏡接收，經(jīng)過所述的波長分束器分為短波長透射光束和長波光反射光束:短波長透射光束經(jīng)過所述的短波帶通濾光片由所述的短波探測器接收，所述的短波探測器的輸出端接所述的時間測量模塊的第三輸入端；所述的長波光反射光束經(jīng)所述的長波帶通濾光片，由所述的長波探測器接收，該長波探測器的輸出端接所述的所述的時間測量模塊的第四輸入端，所述的時間測量模塊的輸出端接所述的脈沖解碼模塊的第二輸入端。所述的短波光纖激光器為短波長激光1530nm的光纖激光器，所述的長波光纖激光器為長波長激光1560nm的光纖激光器。
[0011]所述的波長合束器是長波反射、短波透射的光學(xué)波長截止片，截止波長為1545nm。
[0012]所述的波長分束器是個長波反射、短波透射的光學(xué)波長截止片，截止波長為1545nm。
[0013]所述的短波探測器和長波探測器是兩個近紅外響應(yīng)的雪崩光電二極管。
[0014]利用上述雙波長雙脈沖的無模糊激光測距裝置進行加工測距的方法，其特點在于該方法包括下列步驟:
[0015]①將本發(fā)明所述的雙波長雙脈沖的無模糊激光測距裝置的發(fā)射的波長合束器和接收望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)待測的目標(biāo)；
[0016]②啟動本發(fā)明裝置，當(dāng)所述的接收望遠(yuǎn)鏡接收到回波信號，所述的時間測量模塊自動計算出相鄰的發(fā)射和回波的時間間隔tl和t2，tl為短波長激光的激光回波與最近的激光發(fā)射脈沖的延時，t2為長波長激光的激光回波與最近的激光發(fā)射脈沖的延時，輸入所述的脈沖解碼模塊；
[0017]③所述的脈沖解碼模塊自動進行下列處理，輸出目標(biāo)的實際距離d:
[0018]通過求tl和t2的差值，tl_t2=NAt,解算出N,進一步計算出真實的短波長激光I從第一激光脈沖發(fā)射至本發(fā)明裝置接收到第一激光脈沖回波的時間為NXtO+tl，目標(biāo)的實際距離為:d = CX (NXtO+tl) /2o[0019]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點:
[0020]1、無需先驗知識即可克服激光高重頻和遠(yuǎn)距離導(dǎo)致的距離模糊。
[0021]2、在測量穿透性物體(如植物、偽裝網(wǎng)等)產(chǎn)生的多回波信號信號，不會產(chǎn)生雙脈沖位置調(diào)制錯位，避免出現(xiàn)錯誤測距信息。
[0022]3、兩個波長通道的測距值可以做平均，提高測距精度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明雙波長雙脈沖的無模糊激光測距裝置的雙波長脈沖位置原理示意圖；
[0024]圖2是本發(fā)明雙波長雙脈沖的無模糊激光測距裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合實例和附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范圍。
[0026]先請參閱圖2，圖2是本發(fā)明雙波長雙脈沖的無模糊激光測距裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可見，本發(fā)明雙波長雙脈沖的無模糊激光測距裝置，包括脈沖位置編碼器1、脈沖信號源2、激光源3、波長合束器4、接收望遠(yuǎn)鏡5、波長分束器6、帶通濾光片7、探測器8、時間測量模塊9和脈沖解碼模塊10，所述的脈沖信號源2由固定周期的脈沖信號發(fā)生源2-1和信號延遲器2-2組成；所述的激光源3由短波光纖激光器3-1和長波光纖激光器3-2組成，所述的帶通濾光片7包括短波帶通濾光片7-1和長波帶通濾光片7-2，所述的探測器8包括短波探測器8-1和長波探測器8-2，上述元部件的連接關(guān)系如下:
[0027]所述的脈沖位置編碼器I的第一輸出端接所述的信號延遲器2-2的第一輸入端，脈沖位置編碼器I的第二輸出端接所述的脈沖解碼模塊10的第二輸入端，所述的固定周期的脈沖信號發(fā)生源2-1的第一輸出端分別接所述的短波光纖激光器3-1的控制端和時間測量模塊9的第一輸入端,該短波光纖激光器3-1的輸出端輸出的短波長激光透過所述的波長合束器4，所述的固定周期的脈沖信號發(fā)生源2-1的第二輸出端接所述的信號延遲器2-2的第二輸入端，該信號延遲器2-2的輸出端分別接所述的長波光纖激光器3-2的控制端和時間測量模塊9的第二輸入端，所述的長波光纖激光器3-2的輸出端輸出的長波長激光經(jīng)所述的波長合束器4的反射后，與透過波長合束器(4)的短波長激光合成光斑直徑、角度和發(fā)散角完全相同的同光路的激光分別射向目標(biāo)；
[0028]兩個波長的激光回波由所述的接收望遠(yuǎn)鏡5接收，經(jīng)過所述的波長分束器6分為短波長透射光束和長波光反射光束:短波長透射光束經(jīng)過所述的短波帶通濾光片7-1由所述的短波探測器8-1接收，所述的短波探測器8-1的輸出端接所述的時間測量模塊9的第三輸入端；所述的長波光反射光束經(jīng)所述的長波帶通濾光片7-2，由所述的長波探測器8-2接收，該長波探測器8-2的輸出端接所述的所述的時間測量模塊9的第四輸入端，所述的時間測量模塊9的輸出端接所述的脈沖解碼模塊10的第二輸入端。
[0029]請參閱圖1，圖1是本發(fā)明雙波長雙脈沖的無模糊激光測距裝置的雙波長脈沖位直原理不意圖，圖中:
[0030]第一行為位置編碼器產(chǎn)生的8位脈沖位置編碼N，與短波長激光的脈沖順序一一對應(yīng)，分別為1、2、3、4、…，N…。第二和三行分別對應(yīng)短波長激光I和長波長激光2的激光發(fā)射脈沖，第四和五行分別對應(yīng)短波長激光I和長波長激光2的激光回波脈沖。短波長激光I的激光發(fā)射脈沖間隔為固定周期tO，長波長激光2的激光發(fā)射脈沖相對短波長激光I的脈沖有延時，該延時與脈沖順序有關(guān)，即NA t。由于距離模糊，在接收到激光回波之前，已經(jīng)有多個激光發(fā)射脈沖，而本發(fā)明的時間探測模塊只記錄相鄰的發(fā)射和回波的時間間隔tl和t2，tl為短波長激光I的激光回波與最近的激光發(fā)射脈沖的延時，t2為長波長激光2的激光回波與最近的激光發(fā)射脈沖的延時，輸入所述的脈沖解碼模塊10。脈沖解碼模塊10通過求tl和t2的差值，可獲得兩波長回波的時間差A(yù)T=tl-t2=NAt (圖中示例的N=2)，解算出N，進一步可計算出真實的短波長激光I從第一激光脈沖發(fā)射至本發(fā)明裝置接收到第一激光脈沖回波的時間為NXtO+tl，目標(biāo)的實際距離為d = CX (NXtO+tl)/2。
[0031]實施例:
[0032]所述的兩個不同波長激光源3由短波長激光1530nm的光纖激光器3_1和短波長激光1560nm的光纖激光器3_2組成，能夠接收脈沖觸發(fā)電信號，并產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖激光輸出。[0033]所述的波長合束器4是長波反射、短波透射的波長截止片，截止波長為1545nm，將兩個不同波長、不同光路的激光合束到同一光路。
[0034]所述的接收望遠(yuǎn)鏡5為透射式聚焦透鏡，將激光回波會聚到探測器。
[0035]所述的波長分束器6是個長波反射、短波透射的波長截止片,截止波長為1545nm,將同一激光回波中的兩個波長激光分到兩個光路中。
[0036]所述的帶通濾光片7由兩個通帶中心波長分別為1530nm帶通濾光片7_1和1560nm7-2的帶通濾光片7_2組成,每個濾光片的帶寬為5nm,—方面有效過濾另一個波長的激光回波，一方面抑制背景光。
[0037]所述的探測器8由兩個雪崩光電二極管8-1和雪崩光電二極管8-2組成，分別實現(xiàn)兩個波長光的光電信號轉(zhuǎn)換。
[0038]所述的時間測量模塊9是雙通道測時電路，兩個通道分別測量兩個波長激光觸發(fā)到回波信號之間的延時。分別探測兩個波長的相鄰激光觸發(fā)和激光回波的時間間隔tl和t2，tl為短波長激光I的激光回波與最近的激光觸發(fā)的延時，t2為長波長激光2的激光回波與最近的激光觸發(fā)的延時。
[0039]所述的脈沖解碼模塊10是脈沖時間間隔計算和對應(yīng)時間調(diào)制碼的起始時間查找軟件，根據(jù)時間測量模塊9獲取的兩通道延時tl和t2，計算雙脈沖的時間間隔AT=tl-t2=NX At，解算出N，即可得出激光回波的實際時間為NX tO+tl，再根據(jù)光速換算出實際距離。
[0040]利用雙波長雙脈沖的無模糊激光測距裝置進行加工測距的方法，其該方法包括下列步驟:
[0041]①將本發(fā)明所述的雙波長雙脈沖的無模糊激光測距裝置的發(fā)射的波長合束器4和接收望遠(yuǎn)鏡5對準(zhǔn)待測的目標(biāo)；
[0042]②啟動本發(fā)明裝置，當(dāng)所述的接收望遠(yuǎn)鏡5接收到回波信號，所述的時間測量模塊9自動計算出相鄰的發(fā)射和回波的時間間隔tl和t2，tl為短波長激光I的激光回波與最近的激光發(fā)射脈沖的延時，t2為長波長激光2的激光回波與最近的激光發(fā)射脈沖的延時，輸入所述的脈沖解碼模塊10 ；
[0043]③所述的脈沖解碼模塊10自動進行下列處理，輸出目標(biāo)的實際距離d:
[0044]通過求tl和t2的差值，tl-t2=N Δ t，解算出N，進一步計算出真實的短波長激光I從第一激光脈沖發(fā)射至本發(fā)明裝置接收到第一激光脈沖回波的時間為NXtO+tl，目標(biāo)的實際距離為:d = CX (NXtO+tl) /2o
【權(quán)利要求】
1.一種雙波長雙脈沖的無模糊激光測距裝置，其特征在于:該裝置包括脈沖位置編碼器(I)、脈沖信號源(2)、激光源(3)、波長合束器(4)、接收望遠(yuǎn)鏡(5)、波長分束器(6)、帶通濾光片(7)、探測器(8)、時間測量模塊(9)和脈沖解碼模塊(10)，所述的脈沖信號源(2)由固定周期的脈沖信號發(fā)生源(2-1)和信號延遲器(2-2)組成；所述的激光源(3)由短波光纖激光器(3-1)和長波光纖激光器(3-2)組成，所述的帶通濾光片(7)包括短波帶通濾光片(7-1)和長波帶通濾光片(7-2)，所述的探測器(8)包括短波探測器(8-1)和長波探測器(8-2)，上述元部件的連接關(guān)系如下: 所述的脈沖位置編碼器(I)的第一輸出端接所述的信號延遲器(2-2)的第一輸入端，脈沖位置編碼器(I)的第二輸出端接所述的脈沖解碼模塊(10)的第二輸入端，所述的固定周期的脈沖信號發(fā)生源(2-1)的第一輸出端分別接所述的短波光纖激光器(3-1)的控制端和時間測量模塊(9)的第一輸入端,該短波光纖激光器(3-1)的輸出端輸出的短波長激光透過所述的波長合束器(4)，所述的所述的固定周期的脈沖信號發(fā)生源(2-1)的第二輸出端接所述的信號延遲器(2-2)的第二輸入端，該信號延遲器(2-2)的輸出端分別接所述的長波光纖激光器(3-2)的控制端和時間測量模塊(9)的第二輸入端,所述的長波光纖激光器(3-2)的輸出端輸出的長波長激光經(jīng)所述的波長合束器(4)的反射與透過所述的波長合束器(4)的短波長激光合成光斑直徑、角度和發(fā)散角完全相同的同光路的激光分別射向目標(biāo)； 兩個波長的激光回波由所述的接收望遠(yuǎn)鏡(5)接收，經(jīng)過所述的波長分束器(6)分為短波長透射光束和長波光反射光束:短波長透射光束經(jīng)過所述的短波帶通濾光片(7-1)由所述的短波探測器(8-1)接收，所述的短波探測器(8-1)的輸出端接所述的時間測量模塊(9)的第三輸入端；所述的長波光反射光束經(jīng)所述的長波帶通濾光片(7-2)，由所述的長波探測器(8-2)接收，該長波探測器(8-2)的輸出端接所述的所述的時間測量模塊(9)的第四輸入端，所述的時間測量模塊(9)的輸出端接所述的脈沖解碼模塊(10)的第二輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙波長雙脈沖的無模糊激光測距裝置，其特征在于所述的短波光纖激光器(3-1)為短波長激光1530nm的光纖激光器，所述的長波光纖激光器(3_2)為長波長激光1560nm的光纖激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙波長雙脈沖的無模糊激光測距裝置，其特征在于所述的波長合束器(4)是長波反射、短波透射的光學(xué)波長截止片，截止波長為1545nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙波長雙脈沖的無模糊激光測距裝置，其特征在于所述的波長分束器(6)是個長波反射、短波透射的光學(xué)波長截止片，截止波長為1545nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙波長雙脈沖的無模糊激光測距裝置，其特征在于短波探測器(8-1)和長波探測器(8-2)是兩個近紅外響應(yīng)的雪崩光電二極管。
6.利用權(quán)利要求1至5任一項所述的雙波長雙脈沖的無模糊激光測距裝置進行加工測距的方法，其特征在于該方法包括下列步驟: ①將本發(fā)明所述的雙波長雙脈沖的無模糊激光測距裝置的發(fā)射的波長合束器(4)和接收望遠(yuǎn)鏡(5)對準(zhǔn)待測的目標(biāo)； ②啟動本發(fā)明裝置，當(dāng)所述的接收望遠(yuǎn)鏡(5)接收到回波信號，所述的時間測量模塊(9)自動計算出相鄰的發(fā)射和回波的時間間隔tl和t2，tl為短波長激光I的激光回波與最近的激光發(fā)射脈沖的延時，t2為長波長激光2的激光回波與最近的激光發(fā)射脈沖的延時，輸入所述的脈沖解碼模塊(10)； ③所述的脈沖解碼模塊(10)自動進行下列處理，輸出目標(biāo)的實際距離d: 通過求tl和t2的差值，tl-t2=NA t,解算出N,進一步計算出真實的短波長激光I從第一激光脈沖發(fā)射至本發(fā)明裝置接收到第一激光脈沖回波的時間為NXtO+tl，目標(biāo)的實際距離為:d = CX (NXtO+tl) /2o
【文檔編號】G01S17/08GK103885065SQ201410108068
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月21日
【發(fā)明者】賀巖, 胡善江, 雷琳君 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所