专利名称：改进的脉冲激光测距装置及使用该装置的激光测距方法
技术领域：
本发明涉及一种脉冲激光测距装置，属于光电子测量技术领域。
背景技术：
在现有技术中，使用脉冲激光测量两点之间的距离属于一种非常常见的方式，其 原理是测量脉冲激光在介质中的来回飞行时间，然后除以2再乘以光速即可得到被测两点 间的距离，在这种方式中，由于光在各种介质中的飞行速度是已经知道并且确定的，所以测 量所能达到的精度基本上是由计时的精度所决定的，而计时的精度又包含了多个方面，最 初的测量精度主要是由计时器的计时精度所决定的，但是随着计时技术的发展，计时器的 精度已经越来越高，在这种情况下，其他方面所带来的误差就会显现出来，特别是在使用具 有相对较长脉冲宽度的激光束时，反射脉冲激光能量的变化或者由于色散而导致的脉冲展 宽作用都会导致出现非计时器原因的计时误差。
图1是现有技术脉冲激光探测的脉冲波形图； 图2是现有技术脉冲激光探测时间误差产生分析图； 图3是本发明一实施例示意图。
下面结合图1和图2来说明这种误差产生的原因，一般的脉冲激光在时间上的波形如 图1所示，假设脉冲激光在激光发出端具有如图IA所示的形状，在脉冲激光被被测目标反 射回来以后，由于能量在大气中的衰减，被测目标较低的反射率，以及大气或水等传输介质 对于脉冲激光所产生色散，脉冲激光在被反射回来一般都会变成如图IB所示的形状，其典 型变化就是能量变小，脉冲宽度变长。对于光电探测器来说，无论是功率型的还是焦耳型 (能量型)的，都是要求所接收到的脉冲激光在达到一定功率或者积累到一定的能量之后 才会被触发，以图2为例进行说明。假设对于同一个光电探测器来说，在脉冲激光发出端， 由于脉冲激光具有较高的能量或功率，并且保持着很好的原始脉冲波形，探测器在接收到 该脉冲之后在tl时刻即会触发从而开始计时，对于被被测目标反射回来的脉冲激光来说， 如果能够在同样的tl位置触发光电探测器，则显然能够达到最为准确的计时，但是由于返 回脉冲激光能量和波形的变化，需要达到t2时刻才能触发光电探测器，所以由此就引入了 计时误差t2-tl。这种情况尤其体现在固体或气体激光器所发射出的脉冲激光中。由于目 前要求测距的量程越来越大，这就要求使用功率或能量越来越大的激光器，而大功率的激 光器一般都是采用的固体或气体介质，在发展到这种情况下，由此而引发的计时误差也就 相应变得明显。
发明内容
本发明就是针对上述问题而提出的，使用该发明的测距装置及测距方法，可在一 定程度上解决上述问题，达到减小甚至消灭所产生的上述计时误差。通过上面的分析我们可以发现，产生上述计时误差的一部分原因在于脉冲的固体或气体激光器的输出脉冲激光的波长是斜坡形的，如果能够保证激光器的输出脉冲是严格方波形状或准方波形状，由于反射回来的激光在很大程度上还会保持方波形状，那么对于 前后两次照射到探测器上的脉冲激光来说就不会产生计时误差，或者减小这个计时误差。 因为对于反射回来的脉冲激光来说，它还是一个方波或者准方波形状，那么对于探测器来 说，则要么会产生脉冲激光到达信号要么不产生脉冲激光达到信号，也即在信号到达的探 测上不会再出现时间延迟。即使不能实现脉冲激光是方波形状，只需要满足脉冲激光的上 升沿是非常陡的即可，因为对于探测器来说，对于脉冲激光信号到达的探测是基于脉冲激 光的上升沿来判定的，所以对于脉冲激光上升沿以后的情况是怎样的并不关心。但是，对于固体或气体的激光器来说，只要是激光器本身所产生的激光是脉冲形 式的，则其就不可避免的会产生斜坡形的脉冲激光输出。所以本发明采用具有连续输出功 能的连续激光器，通过在激光器的外部使用具有高速开关动作的电光双折射晶体和偏振片 的配合，对连续激光进行切割，使得连续的激光束变为具有非常陡的上升沿的脉冲激光束。下面，我们结合附图3对于本发明进行更加详细的说明，借助该部分的说明，该发 明的优点将变得更加突出。本发明中的激光测距装置包括连续激光器，双折射电光晶体，偏振片，分光镜，探 测器，计时器和处理器，其中连续激光器发射出连续的线偏振激光，在该发射出的线偏振激 光的光路上依次设置有双折射电光晶体，偏振片，分光镜，在初始时刻，双折射电光晶体一 直处于加压状态，线偏振激光经过双折射电光晶体之后偏振方向被旋转90度，线偏振激光 的偏振方向旋转90度之后，其偏振方向正好与偏振片的通光方向成90度，所以此时激光不 能通过偏振片，在使用该装置进行距离测量时，切断施加在双折射电光晶体上的电压，在电 压去掉之后，双折射电光晶体的双折射特性突然发生改变，线偏振激光通过双折射电光晶 体之后偏振方向不再发生旋转，此时的线偏振激光穿过偏振片到达分光镜，被分光镜分成 两束激光，其中一束被分光镜反射以后直接射向探测器，探测器接收到该光束之后触发计 时器开始计时，另外一束激光通过分光镜射向被测目标，被被测目标反射以后射向探测器， 探测器接收到该反射光之后触发计时器停止计时，从而获得前后两个光束到达探测器的时 间差，处理器根据该时间差计算被测目标的距离。经过这种方式所产生的用于测量距离的激光束具有非常陡的上升沿，其基本上为 一竖直垂线。其原因为由于激光器输出的为连续激光，所以其是一种稳定的具有恒定功率 值或能量值的激光束，同时由于双折射电光晶体超短的开关时间，并且是空间上均勻变化， 这就使得从双折射电光晶体中出来的激光束具有非常陡的上升沿。使用电光双折射晶体与 机械开关最大的区别就在于其开关速度要快很多，并且这种开关方式不像机械开关那样是 从小到大逐渐打开，这种开关是瞬时的在整个空间范围内打开，这样就保证了所产生的激 光束是具有竖直垂线型的上升沿。从而也即保证了计时的准确性。上述技术方案中对于双折射电光晶体改变线偏振光的偏振方向时，我们采用的是 以退压方式对双折射晶体进行开关，此处需要说明书的是，此处不能采用加压的方式来实 现开关，此处加压的含义是双折射电光晶体初时处于不加压状态，线偏振激光不能通过偏 振片，当需要进行脉冲测距时，对双折射电光晶体进行加压以改变双折射晶体的双折射特 性，实现线偏振光偏振方向的改变，从而使得激光束可以穿过偏振片。由于我们在此追求的 目标是为了获得尽可能陡的上升沿，而加压方式相对于降压方式来说，其开关速度要慢很多，在开关速度慢的情况下不能产生很陡的上升沿，这就是此处不能采用加压方式工作的 原因。
权利要求
一种具有陡上升沿脉冲激光的测距装置，包括连续激光器，双折射电光晶体，偏振片，分光镜，探测器，计时器和处理器，其中连续激光器发射出连续的线偏振激光，在该发射出的线偏振激光的光路上依次设置有双折射电光晶体，偏振片，分光镜，分光镜将激光束分成两束，一束直接射向探测器，另外一束经过被测目标反射以后射向探测器，探测器与计时器相连接，计时器用于记录前后两个激光束到达探测器的时间差，计时器与处理器相连接，处理器根据计时器提供的时间差计算被测目标的距离。双折射电光晶体初始处于加压状态，线偏振激光经过双折射电光晶体之后偏振方向被旋转90度，线偏振激光的偏振方向旋转90度之后，其偏振方向正好与偏振片的通光方向成90度，激光不能通过偏振片。当去掉双折射电光晶体的电压之后，双折射电光晶体的双折射特性发生改变，线偏振激光可以通过偏振片，从而进行距离测量。
2.一种使用具有陡上升沿脉冲激光的测距装置进行测距的方法，该测距装置包括连续 激光器，双折射电光晶体，偏振片，分光镜，探测器，计时器和处理器，其中连续激光器发射 出连续的线偏振激光，在该发射出的线偏振激光的光路上依次设置有双折射电光晶体，偏 振片，分光镜。双折射电光晶体初始处于加压状态，线偏振激光经过双折射电光晶体之后偏 振方向被旋转90度，线偏振激光的偏振方向旋转90度之后，其偏振方向正好与偏振片的通 光方向成90度，激光不能通过偏振片，当进行距离测量时，去掉双折射电光晶体的电压，双 折射电光晶体的双折射特性发生改变，线偏振激光的偏振方向不再发生旋转，线偏振激光 可以通过偏振片，线偏振激光穿过偏振片到达分光镜，被分光镜分成两束激光，其中一束被 分光镜反射以后直接射向探测器，探测器接收到该光束之后触发计时器开始计时，另外一 束激光通过分光镜射向被测目标，被被测目标反射以后射向探测器，探测器接收到该反射 光之后触发计时器停止计时，从而获得前后两个光束到达探测器的时间差，处理器根据该 时间差计算被测目标的距离。
全文摘要
本发明公开了一种具有陡上升沿脉冲激光的测距装置，包括连续激光器，双折射电光晶体，偏振片，分光镜，探测器，计时器和处理器，其中连续激光器发射出连续的线偏振激光，在该发射出的线偏振激光的光路上依次设置有双折射电光晶体，偏振片，分光镜，分光镜将激光束分成两束，一束直接射向探测器，另外一束经过被测目标反射以后射向探测器，探测器与计时器相连接，计时器用于记录前后两个激光束到达探测器的时间差，计时器与处理器相连接，处理器根据计时器提供的时间差计算被测目标的距离。
文档编号G01S7/481GK101825703SQ20101010919
公开日2010年9月8日 申请日期2010年1月25日 优先权日2010年1月25日
发明者任芝, 李松涛 申请人:华北电力大学(保定)