用基于皮秒脉冲的高精度激光测距装置的测距方法

摘要

本发明提供了用基于皮秒脉冲的高精度激光测距装置的测距方法，结合了皮秒脉冲激光技术，高速光电探测技术，采用皮秒脉冲激光器作为激光发射源，高速PIN光电探测器作为接收单元。由于激光光源以脉冲模式工作，激光发射功率密度高，兼顾了测量距离远、测距精度高的优点。所用装置稳定可靠，对几十千米远的距离目标进行测量精度达到1毫米，使得测距精度比传统的纳秒脉冲激光测距技术提高了1000倍；本发明结构设计巧妙，简单适用，可应用于航空航天、海洋考察以及远距离高精度的测量。

说明书

技术领域

本发明涉及用基于皮秒脉冲的高精度激光测距装置的测距方法， 属于激光测量技术领域。

背景技术

激光测距技术是激光技术中应用最早且最成熟的一种，传统的激 光测距方法使用的激光测距装置的测距方法，存在测量精度和测量距 离难以兼顾的问题，其中，以相位调制式的激光测距和纳秒脉冲激光 测距系统最为常用。

相位调制式的激光测距技术是测定连续的调制激光在待测距离d 上往返的相位差来间接测量目标的距离信息。因为光波在传播过 程中每传播λ的距离，相位就变化2π，所以距离d、光波往返相位差 和光波波长λ之间存在一定的关系：相位调制式的激 光测距虽然测距精度很高(可达到毫米量级的精度)，但存在测距时 间长，作用距离近(可达到几千米的距离)等缺点。[王秀芳，王江， 杨向东，王磊，吴志海.相位激光测距技术研究概述.《激光杂 志》.2006，27(2)：4-5]。

纳秒脉冲激光测距技术则是利用了激光在空气中传播速度基本 恒定的特性，通过测定激光脉冲的一个往返时间来确定接收器与被测 目标之间的距离。纳秒脉冲激光测距可以对远距离目标进行测量(可 达到几十千米的距离)，但是测量精度不高(可达到米量级的精度)。 [霍玉晶，杨成伟，陈千颂.脉冲激光测距光源进展.《激光与红 外》.2002，32(3)：131-134]。

随着激光技术及其应用的发展，皮秒脉冲激光器已成为一种技术 成熟的商用产品。它具有极窄的光脉冲宽度和高峰值功率的特点，在 光时钟脉冲、高比特速率光通信、超高速数据处理、光计算以及皮秒 激光加工等领域有着广泛的应用。高速光探测器技术中，由于本征光 电二极管(简称PIN)探测器的制作工艺较为简单，而且能够得到非 常高的响应速度，因此各种不同响应速度的PIN光电探测器得到极大 的发展。[刘家洲，李爱珍，张永刚.光通信波段超高速PIN光电探测 器的新进展.《半导体光电》.2001，22(4)：227-232]

发明内容

为了解决已有测距技术的远距离和高精度难以兼顾的问题，本发 明提供了用基于皮秒脉冲的高精度激光测距装置的测距方法，可对几 十千米的远距离目标进行精度可达到1毫米的高精度的激光测距。

本发明的用基于皮秒脉冲的高精度激光测距装置的测距方法，所 述的高精度是指对几十千米远的目标进行测距精度达到1毫米；其特 征在于，其包括下列步骤：

所用的基于皮秒脉冲的高精度激光测距装置，其包括激光器1、 分束器I 2、分束器II3、望远镜4、光电转换器I 5、光电转换器Z 6、延时器7、计时器8、接口转换器9、显示器10、控制器11和计 算机12；其中，激光器1在其输出光束的光轴上依次与分束器I 2、 分束器II3、望远镜4连接；

光电转换器I 5与分束器I 2和延时器7分别连接，延时器7与 计时器8和计算机12分别连接；分束器II3与光电转换器II6连接； 光电转换器II6与计时器8连接；计时器8与接口转换器9连接；接 口转换器9与计算机12连接；显示器10与计算机12连接；控制器 11与激光器1和计算机12分别连接；

激光器1为皮秒脉冲激光器；波长为266nm、355nm、532nm或 1064nm可调；脉宽为20ps、60ps或100ps可调；脉冲重复频率为10Hz 或20Hz可调；光束发散角0.4毫弧度；单脉冲能量为毫焦量级；

优选：激光器1采用的是Nd:YAG皮秒脉冲激光器，分束器I 为1∶99的光分束器；望远镜4采用口径为15cm的望远镜系统；光 电转换器I 5和光电转换器II6均采用响应时间小于12ps的高速PIN 光电探测器；

计算机12中存储有本发明的基于皮秒脉冲激光的激光测距装置 的管理及运行软件，因此，使得计算机12能进行人机交互、信号处 理、控制和数据计算；

计算机12给控制器11发出指令，激光器1发射激光脉冲；计算 机12给延时器7发出延时时间指令；

激光器1输出的激光被分束器I分为两部分，其中的99％的激光 经分束器II3后由望远镜4发射出去，用于辐照目标；其中的1％的 激光由光电转换器I 5转换成电信号，该电信号进入延时器7，在计 算机12给出的延时时间指令的作用下，延时器7对该电信号进行延 时操作后，再进入计时器8作为同步开门信号；

望远镜4接收回波信号，回波信号经分束器II3进入光电转换器 II6转换为电信号后再进入计时器8，作为计时器8的关门信号；

计时器8得到往返于测距系统和目标之间的脉冲数N，并得到时 间T＝Nt，其中t为计数脉冲的重复周期；既时间T为皮秒脉冲激光 往返于测距系统和目标之间的时间，时间T经接口转换器9后输入计 算机12；

在计算机12中，根据测距系统与目标之间的距离公式

$R=\frac{\mathrm{cT}}{2}=\frac{\mathrm{cNt}}{2}$

计算得到测距系统与目标之间的距离R；公式中，c为光在介质中的 传播速度；

计算得到测距系统与目标之间的距离R可以通过显示器10显 示，或者打印出来；

所述的软件流程图如图2所示。结合硬件介绍软件流程并说明本 发明的基于皮秒脉冲激光的高精度激光测距方法的步骤如下：

执行步骤21，开始，初始化；

执行步骤22，计算机12给控制器11发出指令，激光器1发射 激光脉冲；

执行步骤23，计算机12给延时器7发出延时时间指令，作为延 时器7实际运行中的延时时间指令，本发明的测距装置正式进入工作 状态；

激光器1输出的激光被分束器I分为两部分，其中的99％的激光 经分束器II3后由望远镜4发射出去，用于辐照目标；其中的1％的 激光由光电转换器I 5转换成电信号，该电信号进入延时器7，在计 算机12给出的延时时间指令的作用下，延时器7对该电信号进行延 时操作后，再进入计时器8作为同步开门信号；

执行步骤24，望远镜4接收回波信号，回波信号经分束器II3进 入光电转换器II6转换为电信号后再进入计时器8，作为计时器8的 关门信号；

计时器8得到往返于测距系统和目标之间的脉冲数N，并得到时 间T＝Nt，其中t为计数脉冲的重复周期；既时间T为皮秒脉冲激光 往返于测距系统和目标之间的时间，时间T经接口转换器9后输入计 算机12；

在计算机12中，根据测距系统与目标之间的距离公式

$R=\frac{\mathrm{cT}}{2}=\frac{\mathrm{cNt}}{2}$

计算得到测距系统与目标之间的距离R；公式中，c为光在介质中的 传播速度；

执行步骤25，计算得到测距系统与目标之间的距离R可以通过 显示器10显示，或者打印出来；

执行步骤26，计算机12给控制器11一个指令，指令控制激光 器1继续或者停止工作。

执行步骤27，结束。

有益效果：本发明的用基于皮秒脉冲的高精度激光测距装置的测 距方法，结合了皮秒脉冲激光技术，高速光电探测技术，采用皮秒脉 冲激光器作为激光发射源，高速PIN光电探测器作为接收单元。所用 装置稳定可靠，可对几十千米远的目标进行测距精度达到1毫米。

本发明所选用激光光源脉宽为皮秒量级，脉宽窄，脉冲前沿上升 时间短，使得测距精度比传统的纳秒脉冲激光测距技术提高了1000 倍；由于激光光源以脉冲模式工作，激光发射功率密度高，兼顾了测 量距离远、测距精度高的优点。本发明结构设计巧妙，简单适用。本 发明可应用于航空航天、海洋考察以及远距离高精度的测量。

附图说明

图1是本发明使用的基于皮秒脉冲的高精度激光测距装置的结 构示意框图。

图2是用基于皮秒脉冲的高精度激光测距装置的测距方法流程 图。

具体实施方式

实施例1本发明之用基于皮秒脉冲的高精度激光测距装置的测 距方法，所述的高精度是指对几十千米远的目标进行测距精度达到1 毫米；其特征在于，其包括下列步骤：

所用的基于皮秒脉冲的高精度激光测距装置，基于皮秒脉冲的高 精度激光测距装置，其包括激光器1、分束器I 2、分束器II3、望 远镜4、光电转换器I 5、光电转换器II6、延时器7、计时器8、接 口转换器9、显示器10、控制器11和计算机12；其中，激光器1在 其输出光束的光轴上依次与分束器I 2、分束器II3、望远镜4连接；

光电转换器I 5与分束器I 2和延时器7分别连接，延时器7与 计时器8和计算机12分别连接；分束器II3与光电转换器II6连接； 光电转换器II6与计时器8连接；计时器8与接口转换器9连接；接 口转换器9与计算机12连接；显示器10与计算机12连接；控制器 11与激光器1和计算机12分别连接；

激光器1采用的是Nd:YAG皮秒脉冲激光器，波长为1064nm； 脉宽为20ps；脉冲重复频率为10Hz；光束发散角0.4毫弧度；单脉 冲能量为毫焦量级；分束器I为1∶99的光分束器；望远镜4采用口 径为15cm的望远镜系统；光电转换器I 5和光电转换器II6均采用 响应时间小于12ps的高速PIN光电探测器；

计算机12中存储有本发明的基于皮秒脉冲激光的激光测距装置 的管理及运行软件，因此，使得计算机12能进行人机交互、信号处 理、控制和数据计算；

计算机12给控制器11发出指令，激光器1发射激光脉冲；计算 机12给延时器7发出延时时间指令；

激光器1输出的激光被分束器I分为两部分，其中的99％的激光 经分束器II3后由望远镜4发射出去，用于辐照目标；其中的1％的 激光由光电转换器I 5转换成电信号，该电信号进入延时器7，在计 算机12给出的延时时间指令的作用下，延时器7对该电信号进行延 时操作后，再进入计时器8作为同步开门信号；

望远镜4接收回波信号，回波信号经分束器II3进入光电转换 器II6转换为电信号后再进入计时器8，作为计时器8的关门信号；

计时器8得到往返于测距系统和目标之间的脉冲数N，并得到时 间T＝Nt，其中t为计数脉冲的重复周期；既时间T为皮秒脉冲激光 往返于测距系统和目标之间的时间，时间T经接口转换器9后输入计 算机12；

在计算机12中，根据测距系统与目标之间的距离公式

$R=\frac{\mathrm{cT}}{2}=\frac{\mathrm{cNt}}{2}$

计算得到测距系统与目标之间的距离R；公式中，c为光在介质中的 传播速度；

所述的软件流程图如图2所示。结合硬件介绍软件流程并说明本 发明的基于皮秒脉冲激光的高精度激光测距方法的步骤如下：

执行步骤21，开始，初始化；

执行步骤22，计算机12给控制器11发出指令，激光器1发射 激光脉冲；

执行步骤23，计算机12给延时器7发出延时时间指令，作为延 时器7实际运行中的延时时间指令，本发明的测距装置正式进入工作 状态；

激光器1输出的激光被分束器I分为两部分，其中的99％的激光 经分束器II3后由望远镜4发射出去，用于辐照目标；其中的1％的 激光由光电转换器I 5转换成电信号，该电信号进入延时器7，该电 信号进入延时器7，在计算机12给出的延时时间指令的作用下，延 时器7对该电信号进行延时操作后，再进入计时器8作为同步开门信 号；

执行步骤24，望远镜4接收回波信号，回波信号经分束器II 3 进入光电转换器II6转换为电信号后再进入计时器8，作为计时器8 的关门信号；

计时器8得到往返于测距系统和目标之间的脉冲数N，并得到时 间T＝Nt，其中t为计数脉冲的重复周期；既时间T为皮秒脉冲激光 往返于测距系统和目标之间的时间，时间T经接口转换器9后输入计 算机12；

在计算机12中，根据测距系统与目标之间的距离公式

$R=\frac{\mathrm{cT}}{2}=\frac{\mathrm{cNt}}{2}$

计算得到测距系统与目标之间的距离R；公式中，c为光在介质中的 传播速度；

执行步骤25，计算得到测距系统与目标之间的距离R可以通过 显示器10显示，或者打印出来；

执行步骤26，计算机12给控制器11一个指令，指令控制激光 器1继续或者停止工作。

执行步骤27，结束。

实施例2用基于皮秒脉冲的高精度激光测距装置的测距方法， 激光器1采用的是Nd:YAG皮秒脉冲激光器，波长为266nm；其余 的同实施例1。

实施例3用基于皮秒脉冲的高精度激光测距装置的测距方法， 激光器1采用的是Nd:YAG皮秒脉冲激光器，波长为355nm；其余 的同实施例1。

实施例4用基于皮秒脉冲的高精度激光测距装置的测距方法， 激光器1采用的是Nd:YAG皮秒脉冲激光器，波长为532nm；其余 的同实施例1。

实施例5用基于皮秒脉冲的高精度激光测距装置的测距方法， 激光器1采用的是Nd:YAG皮秒脉冲激光器，脉宽为60ps；其余的 同实施例1。

实施例6用基于皮秒脉冲的高精度激光测距装置的测距方法， 激光器1采用的是Nd:YAG皮秒脉冲激光器，脉宽为100ps；其余 的同实施例1。

实施例7用基于皮秒脉冲的高精度激光测距装置的测距方法， 激光器1采用的是Nd:YAG皮秒脉冲激光器，脉冲重复频率为20Hz； 其余的同实施例1。