基于锁模脉冲序列的激光测距方法及其系统与流程

本发明涉及激光测距领域，具体涉及一种基于锁模脉冲序列的激光测距方法及其系统。

背景技术：

激光测距在工业生产、空间测量等方面有着广泛的应用背景，目前采用的激光测距技术方案主要有三类，(1)时间测量法，利用光速不变性原理，将激光脉冲作为能量信号，通过计时模块直接测量单个脉冲激光出射到返回的时间间隔来计算被测距离。(2)相位式测距，以连续激光作为载波，通过对载波光进行幅度、频率或相位调制，产生特定频率的调制信号，测量回波信号与参考信号之间的相位差，解算出距离信息。(3)光学干涉测距，以相干激光光源为基础，通过记录干涉强度条纹的变化来实现测距。

随着当前数字化技术的不断提高，很多领域中产生了新的测距需求，如实时、动态的距离测量，又如大尺寸(0～200m)高精密三维尺寸的高速测量，这就要求激光测距在保证足够精度的情况下，还需扩大测量量程和缩短单次测量时间，而现有技术中，在时间测量法中采用激光脉冲作为电子计时的触发信号，该方法具有单次测量速度快，测量范围大的优势，但受激光脉冲畸变和电子器件带宽限制，目前测距精度难以到达毫米级；而相位式测距则利用激光束为调制信号的载波(测尺)，采用测量相位差来计算距离信息，其测距精度可达毫米量级甚至更低；受相位差的有效检测范围(0～2π)的限制，在保证毫米级精度下进行大范围测距时，该方案需要采用不同的载波频率构成测尺链来实现全范围不同精度测距，这导致单次测量时间较长。而光学干涉测距通过记录干涉条纹的不间断变化实现增量测距，其测量精度高，但通常需要测量目标或参考测量臂产生机械运动导致单次测量时间过长。

因此，为解决以上问题，需要一种基于锁模脉冲序列的激光测距方法及其系统，在要求激光测距保证足够精度的情况下，扩大测量量程和缩短单次测量时间，同时优化激光测距要求中量程、精度以及时间三个指标。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供基于锁模脉冲序列的激光测距方法及其系统，在要求激光测距保证足够精度的情况下，扩大测量量程和缩短单次测量时间，同时优化激光测距要求中量程、精度以及时间三个指标。

本发明公开的一种基于锁模脉冲序列的激光测距方法，包括以下步骤:

(1)锁模激光器产生并输出锁模脉冲激光束；

(2)将锁模脉冲激光束分成参考光束和测量光束，测量光束经过待测目标反射后形成测量回波光束并结合参考光束进行处理；

(3)根据参考光束与测量回波光束之间的脉冲数差值和相位差，计算待测目标的距离。

进一步，步骤(3)中，待测目标距离计算公式如下：2D＝△nL+△φL/(2π),△n为参考光束与测量回波光束的脉冲数差值，△φ为参考光束与测量回波光束的相位差，L为为锁模激光器腔长，D为待测目标的距离。

进一步，所述锁模激光器输出的锁模脉冲激光束通过一光开关控制输出；所述光开关通过以下方法控制其启闭：

a.将锁模激光器输出的锁模脉冲激光束分为控制光束和通过光开关的工作光束，并将控制光束转化为电控制信号；

b.对电控制信号进行延时处理；

c.外部输入测量命令信号，所述测量命令信号与电控制信号相结合控制光开关使其在工作光束的相邻波之间启闭。

进一步，步骤b中，所述电控制信号通过延时线路进行延时。

本发明还公开了一种应用上述的基于锁模脉冲序列的激光测距方法的激光测距系统，包括：

锁模激光器，用于产生并输出锁模脉冲激光束，其中锁模脉冲在时间上等周期，空间上等间距；

分光器I，用于将锁模脉冲激光束分成参考光束和测量光束，并将测量光束经过待测目标反射后形成的测量回波光束输送至控制处理系统；

控制处理系统，根据参考光束与测量回波光束的脉冲数差值和相位差，计算待测目标的距离。

进一步，所述控制处理系统包括光电处理模块I、光电处理模块II和处理模块，所述参考光束和测量回波光束分别通过光电处理模块I和光电处理模块II处理成电信号后输送至处理模块；所述处理模块包括信号调理电路，脉冲计数器、鉴相器和处理器，所述脉冲计数器为两个并分别用于统计光电处理模块I和光电处理模块II的输出脉冲个数，鉴相器用于检测光电处理模块I和光电处理模块II的输出信号之间的相位差，处理器用于根据光电处理模块I和光电处理模块II的输出脉冲个数和相位差计算出待测目标的距离。

进一步，所述锁模激光器与分光器I之间设置有光开关模块，所述光开关模块用于在锁模脉冲激光束的相邻光脉冲之间控制锁模脉冲激光束的通断。

进一步，所述光开关模块包括光开关和开关控制模块，所述开关控制模块包括分光器II、光电处理模块III、延时模块和触发处理模块，所述分光器II将锁模脉冲激光束分成控制光束和通过光开关的工作光束，所述控制光束通过光电处理模块III转换为电控制信号并输入至延时模块进行延时，所述延时模块的输出端与触发处理模块的控制输入连接，所述触发处理模块还设置有用于接收测距开始命令的外控信号输入端，触发处理模块用于结合测距开始命令和电控制信号控制光开关启闭。

进一步，所述延时模块为延时线路。

进一步，所述光开关包括沿光路先后依次设置的起偏器、电光调制器和检偏器，开关控制模块还包括用于控制电光调制器的控制组件，所述控制组件包括输出端与电光调制器的输入端连接的光电导开关、与光电导开关的输入端连接的直流高压电源和用于控制光电导开关通断的高速LED，高速LED的输入端与触发控制模块的输出端连接。

本发明的有益效果是：本发明公开的一种基于锁模脉冲序列的激光测距方法及其系统，采用激光腔长精确锁定的锁模激光器产生持续锁模脉冲序列输出，脉冲序列经过分光棱镜分成参考光束和测量光束，测量光束照射到待测目标后产生测量回波光束，参考光束与测量回波光束二者脉冲计数差值为测量距离中等于锁模激光器腔长的大数部分，而相位差为测量距离中小于激光腔长的小数部分信息，实现亚毫米高精度测量；不同于传统的脉冲法和相位法激光测距，本方法利用锁模脉冲之间的距离保持不变，同时获取距离信息的大数部分和小数部分距离信息，且无机械移动部分，稳定性好，可实现大范围高精度激光距离的高速测量。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的光路结构示意图；

图2为本发明的结构流程图；

图3为本发明的锁模脉冲序列测距的原理图。

具体实施方式

图1为本发明的光路结构示意图，图2为本发明的结构流程图，图3为本发明的锁模脉冲序列测距的原理图，如图所示，本实施例中的基于锁模脉冲序列的激光测距方法，包括以下步骤:

包括以下步骤:

(1)锁模激光器1产生并输出锁模脉冲激光束；所述锁模激光器1可采用现有的锁模激光器1，所述锁模激光器1的典型腔长可为0.5m，锁模脉冲之间的间距为1m，重复频率为300MHz，锁模脉冲脉宽约数百皮秒，可产生稳定的锁模脉冲激光；

(2)将锁模脉冲激光束分成参考光束和测量光束，测量光束经过待测目标反射后形成测量回波光束并结合参考光束进行处理，锁模脉冲激光束通过分束镜分成参考光束和测量光束，测量光束射向待测目标6并形成可被接受的测量回波光束；

(3)根据参考光束与测量回波光束之间的脉冲数差值和相位差，计算待测目标6的距离；

不同于传统的脉冲法和相位法激光测距，本方法利用锁模脉冲之间的距离保持不变，同时获取距离信息的大数部分(脉冲数差值)和小数部分(相位差)距离信息，且无机械移动部分，可实现大范围高精度激光距离的高速测量。

本实施例中，其中步骤(3)中，待测目标6的距离计算公式如下：2D＝△nL+△φL/(2π),△n为参考光束与测量回波光束的脉冲数差值，△φ为参考光束与测量回波光束的相位差，L为锁模激光器腔长,D为待测目标6的距离；脉冲数差值为两个脉冲计数器的差值，△φ可由鉴相器直接测得，上述运算采用嵌入式系统处理计算，运算简单，测量快，进一步提高测量速度。

本实施例中，所述锁模激光器1输出的锁模脉冲激光束通过一光开关控制输出；所述光开关通过以下方法控制其启闭：

a.将锁模激光器1输出的锁模脉冲激光束分为控制光束和通过光开关的工作光束，并将控制光束转化为电控制信号；控制光束和工作光束可通过分束器对锁模脉冲光束进行分离得到,分束器为分束镜,分束镜为现有技术,在此不再赘述；

b.对电控制信号进行延时处理；延时时间为预设时间,可通过现有的延时电路实现,使得控制光束的脉冲信号与工作光束的脉冲信号产生稳定的相位差；

c.外部输入测量命令信号，所述测量命令信号与电控制信号相结合控制光开关使其在工作光束的相邻脉冲之间启闭；保证在形成稳定的锁模脉冲激光束后,发射出的用于测量的工作光束为完整的脉冲,避免畸变脉冲形成的测量回波光束造成测量误差,保证测量结果的准确性。

本实施例中，步骤b中，所述电控制信号通过延时线路进行延时,利用电信号在线路的传播速度和光速相等的原理对电控制信号,结构简单,延时准确精度高,有效保证延时时间的精确控制.

本发明还公开了一种激光测距系统,包括：

锁模激光器1，用于产生并输出锁模脉冲激光束，其中锁模脉冲在时间上等周期，空间上等间距；

分光器I3，用于将所述锁模脉冲激光束分成参考光束和测量光束，并将测量光束经过待测目标6反射后形成的测量回波光束输送至控制处理系统；

控制处理系统7，根据参考光束与测量回波光束的脉冲数差值和相位差，计算待测目标6的距离。

本实施例中,所述控制处理系统7包括光电处理模块I、光电处理模块II和处理模块，所述参考光束和测量回波光束分别通过光电处理模块I和光电处理模块II处理成电信号后输送至处理模块；所述处理模块包括脉冲计数器、鉴相器和处理器(鉴相器可为2GHz模拟乘法器_ADL5391，计数器可为2G计数器_sy10-100e137)，所述脉冲计数器为两个并分别用于统计光电处理模块I和光电处理模块II的输出脉冲个数，鉴相器用于检测光电处理模块I和光电处理模块II的输出信号之间的相位差，处理器用于根据光电处理模块I和光电处理模块II的输出脉冲个数和相位差计算出待测目标6的距离；采用激光腔长精确锁定的锁模激光器1产生持续锁模脉冲序列输出，脉冲序列经过分束器分成参考光束和测量光束，测量光束照射到待测目标6后产生测量回波光束，光电处理模块I和光电处理模块II均包括高速光电二极管及相关放大电路,分别接收并放大参考光束和测量回波光束，采用脉冲计数器完成参考脉冲信号与回波测量脉冲信号计数并把计数值分别输入处理器,处理器可采用51单片机芯片并通过现有软件计算参考光束脉冲信号与回波测量脉冲信号之间的差值,属于现有技术,在此不再赘述；二者计数差值为测量距离中等于锁模激光器1腔长的整数倍信息(大数部分)，实现大范围距离测量；采用鉴相器完成参考脉冲信号与回波测量脉冲信号之间相位差的鉴相，二者相位差为测量距离中小于激光腔长的小数部分信息，实现亚毫米高精度测量。

本实施例中,所述锁模激光器1与分光器I3之间设置有光开关模块2，所述光开关模块2用于在锁模脉冲激光束的相邻波之间控制锁模脉冲激光束的通断；光开关用于测量阻断锁模激光器1输出的锁模脉冲激光束，当锁模脉冲激光束稳定后，打开光开关，避免光电传感器受到干扰，保证测量精度,同时保证在形成稳定的锁模脉冲激光束后,发射出的用于测量的工作光束为完整的脉冲,避免非完整脉冲形成的测量回波光束造成测量误差.

本实施例中，所述光开关模块2包括光开关和开关控制模块4，所述开关控制模块4包括分光器II2、光电处理模块III、延时模块和触发处理模块，所述分光器II2将锁模脉冲激光束分成控制光束和通过光开关的工作光束，所述控制光束通过光电处理模块III转换为电控制信号并输入至延时模块进行延时，所述延时模块的输出端与触发处理模块的控制输入连接，所述触发处理模块还设置有用于接收测距开始命令的外控信号输入端，触发处理模块用于结合测距开始命令和电控制信号控制光开关启闭；触发控制模块用于将控制光束的脉冲电信号与外部触发信号结合形成与的关系对光开关控制,如对控制光束的脉冲电信号延时2ns,保证光开关对锁模脉冲激光束的通断不会产生不完整脉冲。

本实施例中，所述延时模块为延时线路,延时线路可为导线,如产生2ns的延时需0.6米导线,保证延时控制的精确性,并且成本低,控制准确。

本实施例中，所述光开关包括沿光路先后依次设置的起偏器、电光调制器和检偏器，开关控制模块还包括用于控制电光调制器的控制组件，所述控制组件包括输出端与电光调制器的输入端连接的光电导开关、与光电导开关的输入端连接的直流高压电源和用于控制光电导开关通断的高速LED，高速LED的输入端与触发控制模块的输出端连接；直流高压电源为电光调制器提供半波调制高压。当起偏器和检偏器的偏振方向相同时，加调制半波高压为光开关非导通状态，不加电压为光开关导通状态；当起偏器和检偏器的偏振方向正交时，加调制半波高压为光开关导通状态，不加电压为光开关非导通状态；通过触发控制电路控制高速LED,利用高速LED发出光控制光电导开关,响应时间快,安全可靠；电光调制器和光电导开关为现有技术,在此不再赘述。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。