本發(fā)明涉及激光測(cè)距領(lǐng)域，具體涉及一種基于鎖模脈沖強(qiáng)度調(diào)制的激光測(cè)距方法及其系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

激光測(cè)距在工業(yè)生產(chǎn)、空間測(cè)量等方面有著廣泛的應(yīng)用背景，目前采用的激光測(cè)距技術(shù)方案主要有三類，(1)時(shí)間測(cè)量法，利用光速不變性原理，將激光脈沖作為能量信號(hào)，通過(guò)計(jì)時(shí)模塊直接測(cè)量單個(gè)脈沖激光出射到返回的時(shí)間間隔來(lái)計(jì)算被測(cè)距離。(2)相位式測(cè)距，以連續(xù)激光作為載波，通過(guò)對(duì)載波光進(jìn)行幅度、頻率或相位調(diào)制，產(chǎn)生特定頻率的調(diào)制信號(hào)，測(cè)量回波信號(hào)與參考信號(hào)之間的相位差，解算出距離信息。(3)光學(xué)干涉測(cè)距，以相干激光光源為基礎(chǔ)，通過(guò)記錄干涉強(qiáng)度條紋的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)距。

隨著當(dāng)前數(shù)字化技術(shù)的不斷提高，很多領(lǐng)域中產(chǎn)生了新的測(cè)距需求，如實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的距離測(cè)量，又如大尺寸(0～200m)高精密三維尺寸的高速測(cè)量，這就要求激光測(cè)距在保證足夠精度的情況下，還需擴(kuò)大測(cè)量量程和縮短單次測(cè)量時(shí)間，而現(xiàn)有技術(shù)中，在時(shí)間測(cè)量法中采用激光脈沖作為電子計(jì)時(shí)的觸發(fā)信號(hào)，該方法具有單次測(cè)量速度快，測(cè)量范圍大的優(yōu)勢(shì)，但受激光脈沖畸變和電子器件帶寬限制，目前測(cè)距精度難以到達(dá)毫米級(jí)；而相位式測(cè)距則利用激光束為調(diào)制信號(hào)的載波(測(cè)尺)，采用測(cè)量相位差來(lái)計(jì)算距離信息，其測(cè)距精度可達(dá)毫米量級(jí)甚至更低；受相位差的有效檢測(cè)范圍(0～2π)的限制，在保證毫米級(jí)精度下進(jìn)行大范圍測(cè)距時(shí)，該方案需要采用不同的載波頻率構(gòu)成測(cè)尺鏈來(lái)實(shí)現(xiàn)全范圍不同精度測(cè)距，這導(dǎo)致單次測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)。而光學(xué)干涉測(cè)距通過(guò)記錄干涉條紋的不間斷變化實(shí)現(xiàn)增量測(cè)距，其測(cè)量精度高，但通常需要測(cè)量目標(biāo)或參考測(cè)量臂產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致單次測(cè)量時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

因此，為解決以上問(wèn)題，需要一種基于鎖模脈沖強(qiáng)度調(diào)制的激光測(cè)距方法及其系統(tǒng)，在要求激光測(cè)距保證足夠精度的情況下，擴(kuò)大測(cè)量量程和縮短單次測(cè)量時(shí)間，同時(shí)優(yōu)化激光測(cè)距要求中量程、精度以及時(shí)間三個(gè)指標(biāo)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，提供基于鎖模脈沖強(qiáng)度調(diào)制的激光測(cè)距方法及其系統(tǒng)，在要求激光測(cè)距保證足夠精度的情況下，擴(kuò)大測(cè)量量程和縮短單次測(cè)量時(shí)間，同時(shí)優(yōu)化激光測(cè)距要求中量程、精度以及時(shí)間三個(gè)指標(biāo)。

本發(fā)明公開(kāi)的一種基于鎖模脈沖強(qiáng)度調(diào)制的激光測(cè)距方法，包括以下步驟:

b.獲得光強(qiáng)按周期性分布的調(diào)制鎖模脈沖激光束；

c.將調(diào)制鎖模脈沖激光束分成參考光束和測(cè)量光束，測(cè)量光束經(jīng)過(guò)待測(cè)目標(biāo)反射后形成測(cè)量回波光束并結(jié)合參考光束進(jìn)行處理；

d.分別對(duì)參考光束和測(cè)量回波光束進(jìn)行低通濾波后獲得調(diào)制信號(hào)，對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行鑒相并獲得調(diào)制信號(hào)相位差；分別對(duì)參考光束和測(cè)量回波光束進(jìn)行鎖模脈沖鑒相并獲得鎖模脈沖相位差；根據(jù)鎖模調(diào)制信號(hào)相位差和鎖模脈沖相位差計(jì)算所測(cè)距離。

進(jìn)一步，其中步驟b中，調(diào)制鎖模脈沖激光束的光強(qiáng)按正弦規(guī)律分布。

進(jìn)一步，其中步驟d中，對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行鑒相的精度高于調(diào)制鎖模腔長(zhǎng)。

進(jìn)一步，在步驟b之前還包括步驟a，步驟a包括：

通過(guò)鎖模激光器產(chǎn)生并輸出鎖模脈沖激光束，鎖模脈沖激光束輸入光調(diào)制模塊并輸出調(diào)制鎖模脈沖激光束。

進(jìn)一步，其中步驟b中，調(diào)制鎖模脈沖激光束通過(guò)對(duì)調(diào)制鎖模脈沖激光束的泵浦源進(jìn)行調(diào)制而獲得。

進(jìn)一步，其中步驟d中，參考光束和測(cè)量回波光束分別轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，電信號(hào)分別進(jìn)行信號(hào)調(diào)理后作為處理信號(hào)輸出。

本發(fā)明還公開(kāi)了一種應(yīng)用上述基于鎖模脈沖強(qiáng)度調(diào)制的激光測(cè)距方法的激光測(cè)距系統(tǒng)，包括：

鎖模激光器，用于產(chǎn)生并輸出鎖模脈沖激光束，其中鎖模脈沖在時(shí)間上等周期，空間上等間距；

光調(diào)制模塊，用于將鎖模脈沖激光束調(diào)制成光強(qiáng)按周期性分布的調(diào)制鎖模脈沖激光束；

分束器，用于將調(diào)制鎖模脈沖激光束分成參考光束和測(cè)量光束，并將測(cè)量光束經(jīng)過(guò)待測(cè)目標(biāo)反射后形成的測(cè)量回波光束輸送至控制處理系統(tǒng)；

控制處理系統(tǒng)，用于分別將參考光束和測(cè)量光束轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并從電信號(hào)中分離出調(diào)制信號(hào)，通過(guò)鎖模脈沖激光相位差和調(diào)制信號(hào)相位差計(jì)算待測(cè)目標(biāo)的距離；鎖模激光器、光調(diào)制模塊、分束器和控制處理系統(tǒng)沿光路依次設(shè)置。

進(jìn)一步，控制處理系統(tǒng)包括光電處理模塊I、光電處理模塊II和處理模塊；

光電處理模塊I和光電處理模塊II均包括光電轉(zhuǎn)換器、輸入端與光電轉(zhuǎn)換器的輸出端連接的信號(hào)調(diào)理電路和輸入端與信號(hào)調(diào)理電路的輸出端電連接的低通濾波電路；

處理模塊包括鎖模脈沖鑒相器、調(diào)制信號(hào)鑒相器和處理器；所述鎖模脈沖鑒相器的輸入端分別與兩個(gè)信號(hào)調(diào)理電路的輸出端電連接，所述調(diào)制信號(hào)鑒相器的輸入端分別與兩個(gè)低通濾波電路的輸出端電連接，鎖模脈沖鑒相器和調(diào)制信號(hào)鑒相器的輸出端均與處理器的輸入端電連接。

進(jìn)一步，調(diào)制信號(hào)鑒相器的精度值高于調(diào)制鎖模腔長(zhǎng)。

進(jìn)一步，光調(diào)制模塊包括光調(diào)制器和與光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電連接的驅(qū)動(dòng)源，所述驅(qū)動(dòng)源輸入正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)使調(diào)制鎖模脈沖激光束的光強(qiáng)按正弦規(guī)律分布。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明公開(kāi)的一種基于鎖模脈沖強(qiáng)度調(diào)制的激光測(cè)距方法及其系統(tǒng)，采用激光腔長(zhǎng)精確鎖定的鎖模激光器產(chǎn)生持續(xù)鎖模脈沖激光速并進(jìn)行調(diào)制后輸出，將調(diào)制鎖模脈沖激光束分束，分別采用鑒相器完成參考光束與測(cè)量回波光速間調(diào)制信號(hào)鑒相和鎖模脈沖信號(hào)鑒相，調(diào)制信號(hào)鑒相獲得腔長(zhǎng)整數(shù)倍的距離信息(大數(shù)部分)，而鎖模脈沖信號(hào)鑒相可獲得小于腔長(zhǎng)的距離信息(小數(shù)部分)，綜合兩種距離信息實(shí)現(xiàn)亞毫米高精度測(cè)量，無(wú)機(jī)械移動(dòng)部分，可實(shí)現(xiàn)大范圍高精度激光距離的高速測(cè)量。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述：

圖1為本發(fā)明的光路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)流程圖；

圖3為本發(fā)明的小數(shù)部分測(cè)量的原理圖；

圖4鎖模脈沖調(diào)制示意圖。

具體實(shí)施方式

圖1為本發(fā)明的光路結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)流程圖，圖3為本發(fā)明的小數(shù)部分測(cè)量的原理圖，圖4鎖模脈沖調(diào)制示意圖，如圖所示，本實(shí)施例中的基于鎖模脈沖強(qiáng)度調(diào)制的激光測(cè)距方法，包括以下步驟:

包括以下步驟:

b.獲得光強(qiáng)按周期性分布的調(diào)制鎖模脈沖激光束；調(diào)制鎖模脈沖激光束表示相領(lǐng)鎖模脈沖之間的強(qiáng)度不同且多個(gè)鎖模脈沖呈周期性分布，調(diào)制鎖模脈沖激光束可成正弦或其他形狀的周期性分布，均能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的發(fā)明目的；

c.將調(diào)制鎖模脈沖激光束分成參考光束和測(cè)量光束，測(cè)量光束經(jīng)過(guò)待測(cè)目標(biāo)反射后形成測(cè)量回波光束并結(jié)合參考光束進(jìn)行處理；

d.分別對(duì)參考光束和測(cè)量回波光束進(jìn)行低通濾波后獲得調(diào)制信號(hào)，對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行鑒相并獲得調(diào)制信號(hào)相位差；分別對(duì)參考光束和測(cè)量回波光束進(jìn)行鎖模脈沖鑒相并獲得鎖模脈沖相位差；根據(jù)鎖模調(diào)制信號(hào)相位差和鎖模脈沖相位差計(jì)算所測(cè)距離；

不同于傳統(tǒng)的脈沖法和相位法激光測(cè)距，本方法利用鎖模脈沖之間的距離保持不變，調(diào)制信號(hào)鑒相獲得腔長(zhǎng)整數(shù)倍的距離信息(大數(shù)部分)，當(dāng)然，調(diào)制信號(hào)的波長(zhǎng)可大于2倍待測(cè)間距，則D1＝Nλ₂，N為不大于(λ₁φ₁)/(4πλ₂)的最大整數(shù)，而鎖模脈沖信號(hào)鑒相可獲得小于腔長(zhǎng)的距離信息(小數(shù)部分)，D₂＝λ₂φ₂，D＝D1+D2，其中，D為待測(cè)距離，D1為大數(shù)部分，D2為小數(shù)部分，λ₂為鎖模脈沖的間距，λ₁為調(diào)制信號(hào)的波長(zhǎng)，φ₁為調(diào)制信號(hào)的相位差，φ₂為鎖模脈沖的相位差，綜合兩種距離信息可實(shí)現(xiàn)亞毫米高精度測(cè)量，且無(wú)機(jī)械移動(dòng)部分，可實(shí)現(xiàn)大范圍、高精度激光距離的高速測(cè)量。

本實(shí)施例中，其中步驟b中，所述調(diào)制鎖模脈沖激光束的光強(qiáng)按正弦規(guī)律分布；調(diào)制方便且利于提高調(diào)制信號(hào)相位差的檢測(cè)精度。

本實(shí)施例中，其中步驟d中，對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行鑒相的精度高于調(diào)制鎖模腔長(zhǎng)；通過(guò)將調(diào)制信號(hào)進(jìn)行鑒相的精度高于調(diào)制鎖模腔長(zhǎng)，保證大數(shù)部分測(cè)量準(zhǔn)確，并且與小數(shù)部分結(jié)合形成大范圍、高精度的高速測(cè)量，對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行鑒相的精度控制可通過(guò)現(xiàn)有的小數(shù)重合法實(shí)現(xiàn)，小數(shù)重合法為現(xiàn)有技術(shù)，在此不再贅述。

本實(shí)施例中，在步驟b之前還包括步驟a，所述步驟a包括：

通過(guò)鎖模激光器產(chǎn)生并輸出鎖模脈沖激光束，所述鎖模脈沖激光束輸入光調(diào)制模塊并輸出調(diào)制鎖模脈沖激光束；通過(guò)光調(diào)制模塊單獨(dú)對(duì)鎖模脈沖激光束進(jìn)行調(diào)制，避免調(diào)制與鎖模激光器相干涉，保證鎖模脈沖激光束穩(wěn)定輸出，利于保證鎖模脈沖的穩(wěn)定性。

本實(shí)施例中，其中步驟b中，所述調(diào)制鎖模脈沖激光束通過(guò)對(duì)調(diào)制鎖模脈沖激光束的泵浦源進(jìn)行調(diào)制而獲得；通過(guò)調(diào)節(jié)泵浦源控制鎖模脈沖變強(qiáng)度輸出為現(xiàn)有技術(shù)，在此不再贅述，通過(guò)對(duì)調(diào)制鎖模脈沖激光束的泵浦源進(jìn)行調(diào)制而獲得調(diào)制鎖模脈沖激光束，利于系統(tǒng)更簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)更緊湊，利于減少成本。

本實(shí)施例中，其中步驟d中，所述參考光束和測(cè)量回波光束分別轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，電信號(hào)分別進(jìn)行信號(hào)調(diào)理后作為處理信號(hào)輸出；光電轉(zhuǎn)化通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)，通過(guò)處理電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)濾波和鑒相。

本發(fā)明還公開(kāi)了一種激光測(cè)距系統(tǒng)，包括：

鎖模激光器1，用于產(chǎn)生并輸出鎖模脈沖激光束，其中鎖模脈沖在時(shí)間上等周期，空間上等間距；

光調(diào)制模塊，用于將鎖模脈沖激光束調(diào)制成光強(qiáng)按周期性分布的調(diào)制鎖模脈沖激光束；所述光調(diào)制模塊包括光調(diào)制器2和與光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電連接的驅(qū)動(dòng)源5，所述驅(qū)動(dòng)源輸入正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)使調(diào)制鎖模脈沖激光束的光強(qiáng)按正弦規(guī)律分布；

分束器3，用于將調(diào)制鎖模脈沖激光束分成參考光束和測(cè)量光束，并將測(cè)量光束經(jīng)過(guò)待測(cè)目標(biāo)4反射后形成的測(cè)量回波光束輸送至控制處理系統(tǒng)；如圖所示，分束器3將調(diào)制鎖模脈沖激光束分成兩條互相垂直的參考光束和測(cè)量光束，分束器3可為分光鏡組，實(shí)現(xiàn)一條光束分成兩條光束；

控制處理系統(tǒng)5，用于分別將參考光束和測(cè)量光束轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并從電信號(hào)中分離出調(diào)制信號(hào)，通過(guò)鎖模脈沖激光相位差和調(diào)制信號(hào)相位差計(jì)算待測(cè)目標(biāo)的距離；所述鎖模激光器1、光調(diào)制模塊、分束器3和控制處理系統(tǒng)沿光程方向依次設(shè)置；當(dāng)然，控制處理系統(tǒng)還包括用于顯示待測(cè)目標(biāo)所測(cè)距離值的顯示單元。

本實(shí)施例中，所述控制處理系統(tǒng)包括光電處理模塊I、光電處理模塊II和處理模塊；

所述光電處理模塊I和光電處理模塊II均包括光電轉(zhuǎn)換器、輸入端與光電轉(zhuǎn)換器的輸出端連接的信號(hào)調(diào)理電路和輸入端與信號(hào)調(diào)理電路的輸出端電連接的低通濾波電路；

所述處理模塊包括鎖模脈沖鑒相器、調(diào)制信號(hào)鑒相器和處理器；所述鎖模脈沖鑒相器的輸入端分別與兩個(gè)信號(hào)調(diào)理電路的輸出端電連接，所述調(diào)制信號(hào)鑒相器的輸入端分別與兩個(gè)低通濾波電路的輸出端電連接，鎖模脈沖鑒相器和調(diào)制信號(hào)鑒相器的輸出端均與處理器的輸入端電連接；所述調(diào)制信號(hào)鑒相器的精度值高于調(diào)制鎖模腔長(zhǎng)；利用兩組高速光電二極管及相關(guān)放大電路分別接收并放大參考光束和回波測(cè)量光束，利用低通濾波器分離出調(diào)制信號(hào)；所述處理器可為個(gè)人電腦或嵌入式系統(tǒng)。在待測(cè)距離距離中，調(diào)制信號(hào)鑒相采用傳統(tǒng)的相位法測(cè)量計(jì)算公式，即根據(jù)小數(shù)重合法，對(duì)其取腔長(zhǎng)整數(shù)倍運(yùn)算獲得距離的大數(shù)部分信息D1；相應(yīng)的對(duì)鎖模脈沖信號(hào)鑒相可獲得小于腔長(zhǎng)的距離信息(小數(shù)部分)，即其中fs為調(diào)制信號(hào)頻率，為調(diào)制信號(hào)的相位差，L為鎖模激光器腔長(zhǎng)，最終待測(cè)距離的計(jì)算公式：D＝D1+D2；一般相位式測(cè)量的精度可以較為容易達(dá)到厘米至毫米級(jí)，也就是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鎖模激光器的腔長(zhǎng)。舉個(gè)例子，若鎖模激光器的腔長(zhǎng)為L(zhǎng)＝1101.1mm，目標(biāo)距離為123456mm，則123456/1101.1＝112.12),則大數(shù)部分只需要nL(n＝112,L＝1101.1mm)，進(jìn)一步，利用鎖模脈沖之間的鑒相，進(jìn)一步提高精度。

最后說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。