本發(fā)明涉及激光測距技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種飛秒激光測距裝置和方法。

背景技術(shù)：

目前對于激光測距儀器，分別在測量精度、量程和測距速度等性能上有很大提高，但是在現(xiàn)代科技發(fā)展中的工業(yè)生產(chǎn)、國防和科研領(lǐng)域等對精密測距技術(shù)在實現(xiàn)絕對距離測量的同時更對測量速度、量程和精度三個方面提出更高要求?，F(xiàn)有的激光測距儀已經(jīng)無法滿足日益增長的技術(shù)發(fā)展要求。20世紀(jì)末期出現(xiàn)的新型飛秒激光器，使激光測距技術(shù)出現(xiàn)了革命性的轉(zhuǎn)機，迅速成為國際上測距研究的一大熱點。

在先進的飛秒激光測距原理開發(fā)過程中，其原理缺陷之一便是測量光干涉信號與參考光干涉信號接近時出現(xiàn)的混疊現(xiàn)象導(dǎo)致測量無法繼續(xù)，從而限制整個儀器的測距范圍，該現(xiàn)象出現(xiàn)的區(qū)域被稱為死區(qū)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種飛秒激光測距裝置和方法，解決上述死區(qū)問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種飛秒激光測距裝置，包括第一參考光路、第二參考光路以及測量光路，所述第一參考光路和所述第二參考光路具有固定的光程差，所述第一參考光路和所述第二參考光路上分別設(shè)置有快門，所述快門用于在測距過程中切換參考光路以使用相應(yīng)的參考光進行測量。

進一步地：

所述第一參考光路、第二參考光路以及測量光路經(jīng)過以下光路配置實現(xiàn)，所述光路配置包括第一反光鏡、第二反光鏡、第三反光鏡、第一分光鏡、第二分光鏡、第一快門、第二快門，所述第三反光鏡與被測物安裝在一起，飛秒激光器的信號光通過所述第一分光鏡分為參考光和測量光，所述參考光通過所述第二分光鏡分為第一參考光和第二參考光，所述第一參考光經(jīng)過所述第二分光鏡的反射后通過所述第一快門，再經(jīng)過所述第一反光鏡的反射后反向通過所述第一快門，再次經(jīng)過所述第二分光鏡的反射后，通過所述第一分光鏡后與飛秒激光器的本振光匯合在同一方向上；所述第二參考光通過所述第二分光鏡后通過所述第二快門，再經(jīng)過所述第二反光鏡的反射后，反向通過所述第二快門、所述第二分光鏡以及所述第一分光鏡后與飛秒激光器的本振光匯合在同一方向上，所述測量光經(jīng)過所述第三反光鏡的反射后返回所述第一分光鏡，再經(jīng)過所述第一分光鏡的反射后與飛秒激光器的本振光匯合在同一方向上。

所述光路配置還包括設(shè)置在所述第一分光鏡和所述第三反光鏡之間的第三快門。

所述光路配置還包括設(shè)置在本振光光路上的半透半反鏡，從所述半透半反鏡通過的本振光與在所述半透半反鏡上反射的所述測量光、所述第一參考光和所述第二參考光匯合在同一方向上。

所述第一快門和所述第二快門分別連接到電機，通過所述電機控制開閉。

一種飛秒激光測距方法，使用所述飛秒激光測距裝置進行測距；

其中為所述第一參考光和所述第二參考光的干涉信號設(shè)定一個死區(qū)范圍，在數(shù)據(jù)采集過程中，當(dāng)所述測量光的干涉信號進入正在使用中的參考光的死區(qū)范圍時，控制關(guān)閉該路參考光所對應(yīng)的快門，并打開另一路參考光對應(yīng)的快門；

其中在計算被測物距離時，使用所述固定的光程差對兩路參考光之間的切換所帶來的測量距離的偏差進行補償。

進一步地：

在被測物在逐漸遠(yuǎn)離飛秒激光器的情況下，當(dāng)測量光未進入第一參考光的死區(qū)時，打開所述第一快門并關(guān)閉所述第二快門，當(dāng)測量光進入第一參考光死區(qū)時，打開所述第二快門并關(guān)閉所述第一快門。

在被測物在逐漸靠近飛秒激光器的情況下，當(dāng)測量光未進入第二參考光的死區(qū)時，打開所述第二快門并關(guān)閉所述第一快門，當(dāng)測量光進入第二參考光死區(qū)時，打開所述第一快門并關(guān)閉所述第二快門。

根據(jù)以下公式計算被測物距離：

$D=\frac{c}{2n_g}\mathrm{\Δ}t=\frac{c}{2n_g}\mathrm{\Δ}\mathrm{\τ}\frac{\mathrm{\Δ}f}{f_1}$

其中c是光速，n_g為空氣折射率，f1為飛秒激光的信號光頻率，f2為飛秒激光的本振光頻率，Δf＝f1-f2，Δτ為參考光和測量光的干涉信號在時域上因距離產(chǎn)生的時延，根據(jù)實時采集的數(shù)據(jù)進行計算，所述距離計算包括用所述固定的光程差補償因切換參考光路帶來的偏差。

本發(fā)明的有益效果包括：

本發(fā)明的飛秒激光測距裝置和方法通過可切換的雙參考光路，使用快門控制雙參考光路進行適時切換，可以有效解決飛秒激光測距中死區(qū)問題，擴大整個測量儀器的測距范圍，實現(xiàn)精準(zhǔn)測距。本發(fā)明可以廣泛用于各種大范圍、實時的飛秒激光跟蹤測距領(lǐng)域。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的測距原理光學(xué)系統(tǒng)原理圖；

圖2、圖3、圖4表示被測物在逐漸遠(yuǎn)離激光測距儀的過程；

圖5、圖6、圖7表示被測物在逐漸靠近激光測距儀的過程。

具體實施方式

以下對本發(fā)明的實施方式作詳細(xì)說明。應(yīng)該強調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。

參閱圖1，在一種實施例中，一種飛秒激光測距裝置，包括第一參考光路、第二參考光路以及測量光路，所述第一參考光路和所述第二參考光路具有固定的光程差，所述第一參考光路和所述第二參考光路上分別設(shè)置有快門，所述快門用于在測距過程中切換參考光路以使用相應(yīng)的參考光進行測量。

如圖1所示，在優(yōu)選的實施例中，所述第一參考光路、第二參考光路以及測量光B路經(jīng)過以下光路配置實現(xiàn)，所述光路配置包括第一反光鏡M1、第二反光鏡M2、第三反光鏡M3、第一分光鏡S1、第二分光鏡S2、第一快門O1、第二快門O2，第三反光鏡M3與被測物安裝在一起，在測距過程中是隨被測物同步移動的，D為待測距離，飛秒激光器的信號光S通過所述第一分光鏡S1分為參考光和測量光B，所述參考光通過所述第二分光鏡S2分為第一參考光A和第二參考光A1，所述第一參考光A經(jīng)過所述第二分光鏡S2的反射后通過所述第一快門O1，再經(jīng)過所述第一反光鏡M1的反射后反向通過所述第一快門O1，再次經(jīng)過所述第二分光鏡S2的反射后，通過所述第一分光鏡S1后與飛秒激光器的本振光L匯合在同一方向上；所述第二參考光A1通過所述第二分光鏡S2后通過所述第二快門O2，再經(jīng)過所述第二反光鏡M2的反射后，反向通過所述第二快門O2、所述第二分光鏡S2以及所述第一分光鏡S1后與飛秒激光器的本振光L匯合在同一方向上，所述測量光B經(jīng)過所述第三反光鏡M3的反射后返回所述第一分光鏡S1，再經(jīng)過所述第一分光鏡S1的反射后與飛秒激光器的本振光L匯合在同一方向上。

如圖1所示，光電探測器PD用來接收測量中的光學(xué)信號，將其轉(zhuǎn)化為電信號供后面的計算模塊使用。

如圖1所示，在進一步優(yōu)選的實施例中，所述光路配置還包括設(shè)置在所述第一分光鏡S1和所述第三反光鏡M3之間的第三快門O3。

如圖1所示，在優(yōu)選的實施例中，所述光路配置還包括設(shè)置在本振光L光路上的半透半反鏡，從所述半透半反鏡通過的本振光L與在所述半透半反鏡上反射的所述測量光B、所述第一參考光A和所述第二參考光A1匯合在同一方向上。

所述第一快門O1和所述第二快門O2可以分別連接到電機(未圖示)，電機可以集成在快門結(jié)構(gòu)中，通過所述電機控制開閉。另外第三快門O3也可以配備電機來進行控制。

參閱圖1至圖7，在另一種實施例中，一種飛秒激光測距方法，其可使用上述任一實施例的飛秒激光測距裝置進行測距；

其中為所述第一參考光A和所述第二參考光A1的干涉信號設(shè)定一個死區(qū)范圍，在數(shù)據(jù)采集過程中，當(dāng)所述測量光B的干涉信號進入正在使用中的參考光的死區(qū)范圍時，控制關(guān)閉該路參考光所對應(yīng)的快門，并打開另一路參考光對應(yīng)的快門；

其中在計算被測物距離時，使用所述固定的光程差對兩路參考光之間的切換所帶來的測量距離的偏差進行補償。

參閱圖1至圖4，在優(yōu)選實施例中，在被測物在逐漸遠(yuǎn)離飛秒激光器的情況下，當(dāng)測量光未進入第一參考光A的死區(qū)時，打開所述第一快門并關(guān)閉所述第二快門，當(dāng)測量光進入第一參考光A死區(qū)時，打開所述第二快門并關(guān)閉所述第一快門。

參閱圖1、圖5至圖7，在優(yōu)選實施例中，在被測物在逐漸靠近飛秒激光器的情況下，當(dāng)測量光未進入第二參考光A1的死區(qū)時，打開所述第二快門并關(guān)閉所述第一快門，當(dāng)測量光進入第二參考光A1死區(qū)時，打開所述第一快門并關(guān)閉所述第二快門。

在優(yōu)選實施例中，根據(jù)以下公式計算被測物距離：

$D=\frac{c}{2n_g}\mathrm{\Δ}t=\frac{c}{2n_g}\mathrm{\Δ}\mathrm{\τ}\frac{\mathrm{\Δ}f}{f_1}$

其中c是光速，n_g為空氣折射率，f1為飛秒激光的信號光頻率，f2為飛秒激光的本振光頻率，Δf＝f1-f2，Δτ為參考光和測量光的干涉信號在時域上因距離產(chǎn)生的時延，根據(jù)實時采集的數(shù)據(jù)進行計算，所述距離計算包括用所述固定的光程差補償因切換參考光路帶來的偏差。

以下結(jié)合圖1至7進一步說明本發(fā)明具體實施例的原理。

飛秒激光測距裝置設(shè)置有兩路參考光A、A1和一路測量光B，兩路參考光具有固定光程差，在測距過程中根據(jù)測量光干涉信號位置交替使用兩路參考光。使用快門控制兩路參考光及測量光的使用狀態(tài)。計算距離時通過固定光程差補償兩路參考光切換狀態(tài)時帶來的測量距離的差值。

在原有測距原理中測量光干涉信號與參考光干涉信號十分接近時探測器無法分辨兩個干涉信號屬性，從而導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)出現(xiàn)混亂，測距無法繼續(xù)進行，稱為測距死區(qū)現(xiàn)象；通過增加一路參考光，該參考光與原參考光同源并具有固定的光程差，正常測距中使用其中一個參考光路，當(dāng)快接近該參考光死區(qū)時，將另一路參考光打開，并關(guān)閉現(xiàn)用參考光，即切換參考光路，在數(shù)據(jù)處理過程中將光路切換帶了的固定光程差距離進行補償。

在光路結(jié)構(gòu)設(shè)計中，每路光分光鏡后面安裝一個快門，通過電機控制快門的開關(guān)狀態(tài)，快門打開時激光通過快門參與到測距中；在數(shù)據(jù)采集過程中為每個參考干涉信號設(shè)定一個死區(qū)范圍，當(dāng)測量光干涉信號進入死區(qū)范圍時就會給出相應(yīng)信號，電機控制系統(tǒng)便會根據(jù)情況切換相應(yīng)快門。

在計算測量距離中，每一次快門切換都會產(chǎn)生兩參考光固定光程差對應(yīng)的距離長度的變化，在計算過程中對該距離變化進行相應(yīng)的增減距離補償。

可以在正常工作前對三路光的干涉信號進行判斷并標(biāo)記，同時在參考光干涉信號兩側(cè)設(shè)置合適的死區(qū)范圍，確認(rèn)無誤后開始進行正常測距；選取其中一路合適的參考光與測量光結(jié)合，對待測物進行的距離值進行采集，當(dāng)測量光進入?yún)⒖脊馑绤^(qū)時，系統(tǒng)會通過快門打開另一路參考光并判斷其正確性，確認(rèn)無誤后關(guān)閉原使用的參考光，使用新的參考光進行測量，以此規(guī)律重復(fù)相應(yīng)參考光路切換，直至測距結(jié)束。

快門的作用是控制光的使用狀態(tài)，快門關(guān)閉時相應(yīng)的一路光便不參與測距，快門打開時，對應(yīng)光路為有效光路，快門的動作根據(jù)測距實際情況反饋的標(biāo)志信號進行操作，測距開始前需對各路光信號進行標(biāo)記，此時需要按照程序規(guī)定依次打開相應(yīng)快門，標(biāo)記完成后關(guān)閉其中一路參考光快門，測距可以開始進行，在正常測距中，當(dāng)測量光進入某一死區(qū)時，快門將開始動作，根據(jù)標(biāo)記信號依次打開未使用的參考光路快門，關(guān)閉已經(jīng)處于死區(qū)狀態(tài)的光路快門，以此類推直到測距結(jié)束。

圖2、圖3、圖4表示被測物在逐漸遠(yuǎn)離激光測距儀的過程；圖5、圖6、圖7表示被測物在逐漸靠近激光測距儀的過程。S_XX表示相應(yīng)干涉信號的位置,其中測量光B的兩個干涉信號的位置為S_0B、S_1B，第一參考光A的兩個干涉信號的位置為S_0A、S_1A，第二參考光A1的兩個干涉信號的位置為S_0A1、S_1A1。圖2表示的是測量光B的干涉信號不在任何死區(qū)內(nèi)，使用第一參考光A；圖3表示的是測量光B進入第一參考光A的死區(qū)范圍內(nèi)，此時切換至第二參考光A1；圖4表示的是測量光B進入第二參考光A1的死區(qū)范圍內(nèi)，此時切換至第一參考光A。圖5表示的是測量光B不在任何死區(qū)內(nèi)，此時使用在此狀態(tài)前的第二參考光A1；圖6表示的是測量光B進入第二參考光A1的死區(qū)范圍內(nèi)，此時切換至第一參考光A；圖7表示的是測量光B進入第一參考光A的死區(qū)范圍內(nèi)，此時切換至第二參考光A1。

計算目標(biāo)物的測量距離可根據(jù)以下公式：

$D=\frac{c}{2n_g}\mathrm{\Δ}t=\frac{c}{2n_g}\mathrm{\Δ}\mathrm{\τ}\frac{\mathrm{\Δ}f}{f_1}$

其中c是光速；n_g為空氣折射率，工程光學(xué)中一般作為固定常數(shù)；測距前光源系統(tǒng)中飛秒激光的信號光頻率f1和本振光頻率f2經(jīng)過鎖模為確定值，并且非常穩(wěn)定，Δf＝f1-f2的值在測距前也能夠確定；Δτ為兩個干涉信號在時域上因距離產(chǎn)生的時延，根據(jù)實時采集數(shù)據(jù)進行計算。

在計算測量距離時，由于切換參考光路后計算的參照點發(fā)生變化，計算的距離值會產(chǎn)生固定偏差，通過固定光程差補償使切換光路帶來的偏差得以糾正。

經(jīng)過實驗驗證，本發(fā)明可以準(zhǔn)確無誤的解決以往測距方案存在的死區(qū)問題。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體/優(yōu)選的實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，其還可以對這些已描述的實施方式做出若干替代或變型，而這些替代或變型方式都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護范圍。