基于液体透镜的调频连续波激光测距双光束快速聚焦方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于液体透镜的调频连续波激光测距双光束快速聚焦方法，在目标点定位过程中通过粗糙、中调、微调三步搜索算法实现红色引导激光的快速聚焦，在调频连续波测量激光自动聚焦中根据红色引导激光与调频连续波激光之间参数的关系，确定补偿参数，由此可根据目标点定位阶段红色引导激光聚焦时液体透镜的驱动电流值计算出此位置处使调频连续波测量激光聚焦的驱动电流值，无需使用其他红外感应器件对处于红外波段的调频连续波激光的最小聚焦光斑位置进行搜索寻找，极大地降低了系统复杂度，并且节省了调频连续波测量激光的聚焦时间，能够实现由定位阶段转向测量阶段后调频连续波激光的直接快速聚焦。
【专利说明】
基于液体透镜的调频连续波激光测距双光束快速聚焦方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种基于液体透镜的调频连续波激光测距光束快速聚焦方法。
【背景技术】
[0002]调频连续波激光测距是一种干涉式大尺寸激光绝对测距技术，具有测量精度高、绝对式测量、可以对漫反射目标进行直接测量等特点。在大尺寸几何量测量、重大装备制造、军事科技、空间技术等领域有着广阔的应用前景。
[0003]调频连续波激光测距系统运用红色引导激光定位待测目标点位置，运用频率线性调制的高频激光测量目标点的绝对距离。为实现对待测目标点进行位置定位和距离测量，需将可见光与调频连续波激光耦合进同一光纤然后经变焦系统聚焦到待测目标点处。但因可见光波长与调频连续波激光波长相差较大，故两种波长的光经过变焦系统后因色差的存在不能同时聚焦于一点。
[0004]传统解决方法分为两种:第一种方法只聚焦红色引导激光，在一定的测距范围内调频连续波激光通过变焦系统后也将保持会聚状态，但在待测目标点处无法完全聚焦为一点，而是一直径小于某一值的光斑，如图2所示，该方法是以损失调频连续波激光聚焦效果为前提来实现光束同时聚焦的目的，但该方法存在两个弊端:第一，用于测距的调频连续波激光在待测目标点无法完全会聚于一点，会降低系统的回波功率和测距精度;第二，该方法只适用于较小的测距范围，在超出该范围后，在红色引导激光能够聚焦的情况下调频连续波激光将处于发散状态，如图3所示，光束发散将降低系统测距精度和回波功率，并且随着待测距离的增加影响将变得越发严重。第二种方法采用分时聚焦的方法，因红色引导激光只用于目标点的定位，调频连续波激光只用于目标点距离的测量，测距过程中先定位后测量，二者分时进行，因此可以在定位阶段只聚焦红色引导激光而不考虑调频连续波激光的聚焦情况，而在测量阶段只聚焦调频连续波激光而对红色引导激光的聚焦不予考虑，这样既保证了定位的准确性，又保证了测距的精度。但该方法存在一个弊端，在红色引导激光聚焦的过程中可以使用相机辅助反馈来调节液体透镜的驱动电流以实现红色引导激光的自动聚焦，但调频连续波激光为不可见光，无法利用相机进行辅助聚焦，需使用光电探测器对调频连续波激光回波能量进行探测以寻找到最佳聚焦点，即回波能量最大时的液体透镜驱动电流。光电探测器的加入会增加系统复杂度，同时由于回波信号在空气中传播时会受到各种噪声干扰，因此光电探测器探测到的回波能量并不准确，会影响调频连续波激光的聚焦效果。
【发明内容】
[0005]针对现有调频连续波激光测距系统引导定位激光和测量激光聚焦方法的不足，本发明提出一种基于液体透镜的调频连续波激光测距系统双光束快速聚焦方法，利用双光束分时快速聚焦，利用红色引导激光定位过程中简化了搜索步骤，调频连续波测量激光自动聚焦是通过本发明建立的液体透镜数学模型直接计算获得对应的液体透镜的驱动电流值，本发明无需使用其他红外感应器件对处于红外波段的调频连续波激光的最小聚焦光斑位置进行搜索寻找，极大地降低了系统复杂度和对硬件系统的数据处理要求，并且节省了调频连续波激光的聚焦时间，能够实现由定位阶段转向测量阶段后调频连续波激光的直接快速聚焦。
[0006]为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于液体透镜的调频连续波激光测距双光束快速聚焦方法，将红色引导激光和调频连续波测量激光耦合进同一光纤合成一束光，该光束进入一液体透镜，在液体透镜内用孔径光阑将光束限制在光学系统近轴区域，利用红色引导激光和调频连续波测量激光分时聚焦，最终实现自动聚焦。具体步骤如下:
[0007]步骤一、红色引导激光自动聚焦实现待测目标点的定位，包括
[0008]1-1、液体透镜驱动电流粗调:
[0009]液体透镜驱动电流以步长Iraarse3递减，设第η次驱动电流值为
[0010]In=In-1-1coarse (I)
[0011 ]式(I)中，1?为液体透镜驱动电流调节过程中的第η次液体透镜驱动电流值，Ih为液体透镜驱动电流调节过程中的第η-1次液体透镜驱动电流值，Iraarse3为液体透镜驱动电流的调节步长；
[0012]对不同液体透镜驱动电流下相机捕捉到的图像中的红色引导激光聚焦光斑的大小3?进行比较，随着液体透镜驱动电流的减小红色引导激光聚焦光斑的大小会出现先减小后增大的趋势，当从某一点nl开始出现Snl-OSnl，Snl+1>Snd#，液体透镜驱动电流停止减小，此时，透镜驱动电流为Im，其中SnK，Sni，Snl+1*别为第nl-1次，第nl次，第nl+1次调节液体透镜驱动电流值时红色引导激光聚焦光斑的大小；
[0013]1-2、液体透镜驱动电流中调:
[0014]液体透镜驱动电流以Inl-1cciarse为起点，以步长Imid递减，Imidacciarse,当从某一点n2开始出现3?2-1>3?2，Sn2+1>Sndt，液体透镜驱动电流停止减小，此时，透镜驱动电流为In2 ；
[0015]1-3、液体透镜驱动电流微调:
[0016]液体透镜驱动电流以In2-1mid为起点，以步长Ifine递减，IfineXImid，当从某一点n3开始出现Sn3-OSn3，sn3+1>sndt，液体透镜驱动电流停止减小，此时，透镜驱动电流为In3 ；将该液体透镜驱动电流In3输出给液体透镜；
[0017]步骤二、调频连续波测量激光最佳聚焦时液体透镜驱动电流I’，
[0018]I’=In3+A (2)
[0019]式(2)中，A为一常数值，在红色引导激光波长为658nm，调频连续波测量激光波
[0020]长为1550nm时，A= 32.4nm;
[0021]步骤三、将步骤二确定的液体透镜驱动电流I’输出给液体透镜，实现调频连续波测量激光自动聚焦。
[0022]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0023]本发明基于液体透镜的调频连续波激光测距双光束快速聚焦方法对红色引导激光和调频连续波测量激光进行分时聚焦，在定位阶段对红色引导激光采取粗调、中调、微调三步搜索聚焦算法，简化了搜索过程，节省了聚焦时间；在目标点距离测量阶段，通过孔径光阑将光束限制在近轴区域，根据红色引导激光与调频连续波测量激光之间参数的关系建立起液体透镜数学模型，根据液体透镜数学模型可以推算出在相同距离目标点处红色引导激光与调频连续波测量激光分别达到最佳聚焦状态时各自对应的液体透镜驱动电流之间的数学关系式，由此可根据目标点定位阶段红色引导激光达到最佳聚焦状态时液体透镜的驱动电流值计算出此位置处使调频连续波测量激光聚焦达到最佳聚焦状态时的液体透镜的驱动电流值，该电流值可以通过软件程序计算获得，由此实现从定位阶段转向测量阶段后调频连续波测量激光的快速聚焦，省去了再次使用搜索算法搜索最佳聚焦点位置的繁杂过程和其他红外感应器件的使用，极大地降低了系统复杂度和对硬件系统的数据处理要求，并且节省了调频连续波激光的聚焦时间，聚焦时间快，能够实现由定位阶段转向测量阶段后调频连续波激光的直接快速聚焦。
【附图说明】
[0024]图1为本发明基于液体透镜的调频连续波激光测距系统双光束快速聚焦方法的流程图；
[0025]图2是红色引导激光和调频连续波测量激光同时会聚时的示意图；
[0026]图3是红色引导激光会聚而调频连续波测量激光发散时的示意图；
[0027]图4是本发明聚焦方法中红色引导激光自动聚焦过程中光斑大小与驱动电流关系曲线；
[0028]图5是本发明聚焦方法所用聚焦装置的结构示意图；
[0029]图6是图5中所示光纤与液体透镜单元的连接关系示意图；
[0030]图7是本发明实施例红色引导激光聚焦过程中光斑变化图；
[0031 ]图8是本发明实例调频连续波测量激光达到最佳聚焦状态时的聚焦光斑图。
[0032]图中:
[0033]1-可调谐激光器2-红光激光器3-光纤耦合器
[0034]4-液体透镜单元5-半透半反镜6-相机
[0035]7-计算机光斑判别单元 8-透镜驱动电路9-待测物体表面
[0036]10-孔径光阑11-补偿平凸透镜12-液体透镜
[0037]13-FC/PC光纤转接板14-螺纹转接件15、17-垫圈
[0038]16-C螺纹延长管18-壳体
【具体实施方式】
[0039]下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
[0040]本发明一种基于液体透镜的调频连续波激光测距双光束快速聚焦方法，是将红色引导激光和调频连续波测量激光耦合进同一光纤合成一束光，该光束进入一液体透镜，在液体透镜内用孔径光阑将光束限制在光学系统近轴区域，利用红色引导激光和调频连续波测量激光分时聚焦，最终实现自动聚焦。其具体实现的步骤如下:
[0041]如图1所示，调频连续波测量激光系统所有设备接通电源后预热，系统进行初始化，液体透镜进入DC模式及直流输入输出模式。
[0042]设备预热及初始化结束后，进入红色引导激光自动聚焦实现待测目标点的定位阶段，如图4所示，具体步骤如下:
[0043]1-1、液体透镜驱动电流粗调:
[0044]液体透镜驱动电流以步长Iroarse3递减，设第η次驱动电流值为
[0045]In=In-1-1 coarse (I)
[0046]式(I)中，1?为液体透镜驱动电流调节过程中的第η次液体透镜驱动电流值，Ih为液体透镜驱动电流调节过程中的第η-1次液体透镜驱动电流值，Iraarse3为液体透镜驱动电流的调节步长；
[0047]对不同液体透镜驱动电流下相机捕捉到的图像中的红色引导激光聚焦光斑的大小3?进行比较，随着液体透镜驱动电流的减小红色引导激光聚焦光斑的大小会出现先减小后增大的趋势，当从某一点nl开始出现Snl-OSnl，Snl+1>Snd#，液体透镜驱动电流停止减小，此时，透镜驱动电流为Im，其中SnK，Sni，Snl+1*别为第nl-Ι次，第nl次，第nl+1次调节液体透镜驱动电流值时红色引导激光聚焦光斑的大小；
[0048]1-2、液体透镜驱动电流中调:
[0049]液体透镜驱动电流以Inl-1raarse为起点，以步长Imid递减，Imidaraarse,当从某一点n2开始出现3?2-1>3?2，Sn2+1>Sndt，液体透镜驱动电流停止减小，此时，透镜驱动电流为In2 ；
[0050]1-3、液体透镜驱动电流微调:
[0051 ] 液体透镜驱动电流以In2-1mid为起点，以步长Ifine递减，Ifine〈Imid，当从某一点n3开始出现Sn3-OSn3，sn3+1>sndt，液体透镜驱动电流停止减小，此时，透镜驱动电流为In3 ；将该液体透镜驱动电流In3输出给液体透镜，至此，红色引导激光自动聚焦过程结束；
[0052]待测目标点定位过程结束后，调频连续波激光测距系统转入目标点距离测量阶段，根据上述红色引导激光自动聚过程确定的液体透镜最终稳定驱动电流值In3及考虑到修正补偿参数得出调频连续波测量激光在此目标点距离处达到最佳聚焦状态时液体透镜的驱动电流值，当以此液体透镜驱动电流值驱动液体透镜时，调频连续波测量激光在待测目标点位置聚焦，调频连续波测量激光最佳聚焦时液体透镜驱动电流I，，
[0053]I’=In3+A (2)
[0054]式(2)中，A为一常数值，在红色引导激光波长为658nm，调频连续波测量激光波长为 1550nm 时，A = 32.4nm；
[0055]将上述确定的液体透镜驱动电流I，输出给液体透镜，实现调频连续波测量激光自动聚焦。
[0056]综上，当红色引导激光自动聚焦实现待测目标点的定位阶段中，红色引导激光达到最佳聚焦状态后读取该最佳聚焦点处液体透镜驱动电流值便可根据上述公式(2)计算出调频连续波激光在此位置处的达到最佳聚焦状态时的液体透镜驱动电流值，由此便可实现由定位阶段转向测量阶段时调频连续波测量激光的直接快速聚焦。
[0057]应用实例:
[0058]实现本发明基于液体透镜的调频连续波激光测距双光束快速聚焦方法的装置，如图5所示，该装置包括可调谐激光器1、红光激光器2、光纤耦合器3、液体透镜单元4、半透半反镜5、相机6和计算机光斑判别单元7。
[0059]所述可调谐激光器I用于产生窄线宽调频连续波激光;所述红光激光器2用于产生红色引导激光;所述光纤耦合器3用于将所述可调谐激光器I产生的激光和所述红光激光器2产生的激光耦合为一路后进同一光纤，激光从光纤出射进入所述液体透镜单元4。
[0060]所述液体透镜单元4包含壳体18和透镜驱动电路8，所述壳体18内沿激光方向依次设置有孔径光阑10、补偿平凸透镜11和液体透镜12，所述透镜驱动电路8可以带动液体透镜12沿轴向移动。
[0061]所述半透半反镜5设置在所述液体透镜单元4的出射光一侧，所述相机6布置在所述半透半反镜5的透射光一侧，待测目标点9设置在所述半透半反镜5的反射光一侧;所述半透半反镜5使一部分激光反射回测距系统并与可调谐激光器I的发射信号形成拍频用于待测目标点9距离的计算，另一部分激光透射进入所述相机6。
[0062]所述相机6用于捕捉红色引导激光的聚焦光斑图像，并将该聚焦光斑图像传入计算机光斑判别单元7。
[0063]所述计算机光斑判别单元7通过数据接口与所述相机6连接，所述计算机光斑判别单元7通过USB接口连接至透镜驱动电路8;所述计算机光斑判别单元7通过比较找出接收到的所有聚焦光斑图像中聚焦光斑最小时的液体透镜12的驱动电流值;所述透镜驱动电路8保持输出该驱动电流值，使液体透镜12保持恒定焦距。
[0064]图6示出了本发明中液体透镜单元与光纤耦合器3连接的光纤之间的连接结构实施例，自光纤至壳体18的端部依次设有FC/PC光纤转接板13、螺纹转接件14、垫圈15、C螺纹延长管16、垫圈17，所述C螺纹延长管16的外螺纹与壳体18的内螺纹连接。本发明中，所述光纤液体透镜单元通过FC/PC光纤转接板13、螺纹转接件14、C螺纹延长管16、垫圈与液体透镜单元进行连接，FC/PC光纤转接板13连接螺纹转接件14，螺纹转接件14连接C螺纹延长管16，C螺纹延长管连接液体透镜18，垫圈15、垫圈17分别位于螺纹转接件14与C螺纹延长管16、C螺纹延长管16与液体透镜18之间，用于微调连接结构长度，该连接结构将光纤接头与液体透镜连接在一起，省去了光纤接头与液体透镜之间对准调节的繁杂过程，并增加了装置的稳定性，提高了装置的抗震能力。在所述液体透镜单元中加入了平凸补偿透镜11和孔径光阑10，其中的平凸补偿透镜11减小了液体透镜12的整体调焦范围，孔径光阑10将入射激光限制在近轴区域，减小了球差的影响。
[0065]利用上述装置并按照本发明方法对1m左右位置处待测目标点进行光束自动聚焦，红色引导激光选用波长为658nm的红光，调频连续波测量激光中心波长为1550nm，启动自动聚焦装置后红色引导激光在待测目标点位置形成的光斑迅速由大变小，最终保持在最小光斑处，光斑变化过程如图7所示，最小光斑直径为1.341mm，聚焦过程用时小于Is。由定位阶段转向测量阶段后，用红外光束分析仪观察中心波长为1550nm的调频连续波测量激光的聚焦情况，观察到调频连续波测量激光迅速聚焦为一点，聚焦光斑图像如图8所示，聚焦时间在毫秒量级，聚焦光斑直径为1.344mm。通过上述实例验证了本发明提出的基于液体透镜的调频连续波基光测距系统双光束快速聚焦方法可以实现红色引导激光和调频连续波测量激光的快速全自动聚焦，聚焦光斑小，聚焦时间快。
[0066]尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的【具体实施方式】，上述的【具体实施方式】仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
【主权项】
1.一种基于液体透镜的调频连续波激光测距双光束快速聚焦方法，其特征在于:将红色引导激光和调频连续波测量激光耦合进同一光纤合成一束光，该光束进入一液体透镜，在液体透镜内用孔径光阑将光束限制在光学系统近轴区域，利用红色引导激光和调频连续波测量激光分时聚焦，最终实现自动聚焦。2.根据权利要求1所述基于液体透镜的调频连续波激光测距双光束快速聚焦方法，其特征在于:具体步骤如下: 步骤一、红色引导激光自动聚焦实现待测目标点的定位，包括: 1-1、液体透镜驱动电流粗调: 液体透镜驱动电流以步长1。.%递减，设第η次驱动电流值为 In In-1-1coarse (I) 式(I)中，InS液体透镜驱动电流调节过程中的第η次液体透镜驱动电流值，为液体透镜驱动电流调节过程中的第η-1次液体透镜驱动电流值，Iraarse3为液体透镜驱动电流的调节步长； 对不同液体透镜驱动电流下相机捕捉到的图像中的红色引导激光聚焦光斑的大小3?进行比较，随着液体透镜驱动电流的减小红色引导激光聚焦光斑的大小会出现先减小后增大的趋势，当从某一点nl开始出现Snl-OSnl，Snl+1>Snl时，液体透镜驱动电流停止减小，此时，透镜驱动电流为，其中SnH，Sni，Snl+1*别为第nl-1次，第nl次，第nl+1次调节液体透镜驱动电流值时红色引导激光聚焦光斑的大小； 1-2、液体透镜驱动电流中调: 液体透镜驱动电流以Ιηι-Ι._为起点，以步长Imid递减，Imidaraarse，当从某一点n2开始出现Sn2-OSn2，Sn2+1>Sndt，液体透镜驱动电流停止减小，此时，透镜驱动电流为In2 ； 1-3、液体透镜驱动电流微调: 液体透镜驱动电流以In2-1mid为起点，以步长Ifine递减，IfineXImid，当从某一点n3开始出现3?3-1>5?3，Sn3+1>S』t，液体透镜驱动电流停止减小，此时，透镜驱动电流为In3;将该液体透镜驱动电流In3输出给液体透镜； 步骤二、调频连续波测量激光最佳聚焦时液体透镜驱动电流I，， I，=In3+A(2) 式(2)中，A为一常数值，在红色引导激光波长为658nm，调频连续波测量激光波长为1550nm 时，A = 32.4nm； 步骤三、将步骤二确定的液体透镜驱动电流I，输出给液体透镜，实现调频连续波测量激光自动聚焦。
【文档编号】G02B7/09GK106094071SQ201610424708
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月13日 公开号201610424708.9, CN 106094071 A, CN 106094071A, CN 201610424708, CN-A-106094071, CN106094071 A, CN106094071A, CN201610424708, CN201610424708.9
【发明人】张福民, 姚艳南, 曲兴华
【申请人】天津大学