本發明涉及激光測距領域，具體涉及一種基于鎖模脈沖序列的激光測距方法及其系統。

背景技術：

激光測距在工業生產、空間測量等方面有著廣泛的應用背景，目前采用的激光測距技術方案主要有三類，(1)時間測量法，利用光速不變性原理，將激光脈沖作為能量信號，通過計時模塊直接測量單個脈沖激光出射到返回的時間間隔來計算被測距離。(2)相位式測距，以連續激光作為載波，通過對載波光進行幅度、頻率或相位調制，產生特定頻率的調制信號，測量回波信號與參考信號之間的相位差，解算出距離信息。(3)光學干涉測距，以相干激光光源為基礎，通過記錄干涉強度條紋的變化來實現測距。

隨著當前數字化技術的不斷提高，很多領域中產生了新的測距需求，如實時、動態的距離測量，又如大尺寸(0～200m)高精密三維尺寸的高速測量，這就要求激光測距在保證足夠精度的情況下，還需擴大測量量程和縮短單次測量時間，而現有技術中，在時間測量法中采用激光脈沖作為電子計時的觸發信號，該方法具有單次測量速度快，測量范圍大的優勢，但受激光脈沖畸變和電子器件帶寬限制，目前測距精度難以到達毫米級；而相位式測距則利用激光束為調制信號的載波(測尺)，采用測量相位差來計算距離信息，其測距精度可達毫米量級甚至更低；受相位差的有效檢測范圍(0～2π)的限制，在保證毫米級精度下進行大范圍測距時，該方案需要采用不同的載波頻率構成測尺鏈來實現全范圍不同精度測距，這導致單次測量時間較長。而光學干涉測距通過記錄干涉條紋的不間斷變化實現增量測距，其測量精度高，但通常需要測量目標或參考測量臂產生機械運動導致單次測量時間過長。

因此，為解決以上問題，需要一種基于鎖模脈沖序列的激光測距方法及其系統，在要求激光測距保證足夠精度的情況下，擴大測量量程和縮短單次測量時間，同時優化激光測距要求中量程、精度以及時間三個指標。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明的目的是克服現有技術中的缺陷，提供基于鎖模脈沖序列的激光測距方法及其系統，在要求激光測距保證足夠精度的情況下，擴大測量量程和縮短單次測量時間，同時優化激光測距要求中量程、精度以及時間三個指標。

本發明公開的一種基于鎖模脈沖序列的激光測距方法，包括以下步驟:

(1)鎖模激光器產生并輸出鎖模脈沖激光束；

(2)將鎖模脈沖激光束分成參考光束和測量光束，測量光束經過待測目標反射后形成測量回波光束并結合參考光束進行處理；

(3)根據參考光束與測量回波光束之間的脈沖數差值和相位差，計算待測目標的距離。

進一步，步驟(3)中，待測目標距離計算公式如下：2D＝△nL+△φL/(2π),△n為參考光束與測量回波光束的脈沖數差值，△φ為參考光束與測量回波光束的相位差，L為為鎖模激光器腔長，D為待測目標的距離。

進一步，所述鎖模激光器輸出的鎖模脈沖激光束通過一光開關控制輸出；所述光開關通過以下方法控制其啟閉：

a.將鎖模激光器輸出的鎖模脈沖激光束分為控制光束和通過光開關的工作光束，并將控制光束轉化為電控制信號；

b.對電控制信號進行延時處理；

c.外部輸入測量命令信號，所述測量命令信號與電控制信號相結合控制光開關使其在工作光束的相鄰波之間啟閉。

進一步，步驟b中，所述電控制信號通過延時線路進行延時。

本發明還公開了一種應用上述的基于鎖模脈沖序列的激光測距方法的激光測距系統，包括：

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

分光器I，用于將鎖模脈沖激光束分成參考光束和測量光束，并將測量光束經過待測目標反射后形成的測量回波光束輸送至控制處理系統；

控制處理系統，根據參考光束與測量回波光束的脈沖數差值和相位差，計算待測目標的距離。

進一步，所述控制處理系統包括光電處理模塊I、光電處理模塊II和處理模塊，所述參考光束和測量回波光束分別通過光電處理模塊I和光電處理模塊II處理成電信號后輸送至處理模塊；所述處理模塊包括信號調理電路，脈沖計數器、鑒相器和處理器，所述脈沖計數器為兩個并分別用于統計光電處理模塊I和光電處理模塊II的輸出脈沖個數，鑒相器用于檢測光電處理模塊I和光電處理模塊II的輸出信號之間的相位差，處理器用于根據光電處理模塊I和光電處理模塊II的輸出脈沖個數和相位差計算出待測目標的距離。

進一步，所述鎖模激光器與分光器I之間設置有光開關模塊，所述光開關模塊用于在鎖模脈沖激光束的相鄰光脈沖之間控制鎖模脈沖激光束的通斷。

進一步，所述光開關模塊包括光開關和開關控制模塊，所述開關控制模塊包括分光器II、光電處理模塊III、延時模塊和觸發處理模塊，所述分光器II將鎖模脈沖激光束分成控制光束和通過光開關的工作光束，所述控制光束通過光電處理模塊III轉換為電控制信號并輸入至延時模塊進行延時，所述延時模塊的輸出端與觸發處理模塊的控制輸入連接，所述觸發處理模塊還設置有用于接收測距開始命令的外控信號輸入端，觸發處理模塊用于結合測距開始命令和電控制信號控制光開關啟閉。

進一步，所述延時模塊為延時線路。

進一步，所述光開關包括沿光路先后依次設置的起偏器、電光調制器和檢偏器，開關控制模塊還包括用于控制電光調制器的控制組件，所述控制組件包括輸出端與電光調制器的輸入端連接的光電導開關、與光電導開關的輸入端連接的直流高壓電源和用于控制光電導開關通斷的高速LED，高速LED的輸入端與觸發控制模塊的輸出端連接。

本發明的有益效果是：本發明公開的一種基于鎖模脈沖序列的激光測距方法及其系統，采用激光腔長精確鎖定的鎖模激光器產生持續鎖模脈沖序列輸出，脈沖序列經過分光棱鏡分成參考光束和測量光束，測量光束照射到待測目標后產生測量回波光束，參考光束與測量回波光束二者脈沖計數差值為測量距離中等于鎖模激光器腔長的大數部分，而相位差為測量距離中小于激光腔長的小數部分信息，實現亞毫米高精度測量；不同于傳統的脈沖法和相位法激光測距，本方法利用鎖模脈沖之間的距離保持不變，同時獲取距離信息的大數部分和小數部分距離信息，且無機械移動部分，穩定性好，可實現大范圍高精度激光距離的高速測量。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步描述：

圖1為本發明的光路結構示意圖；

圖2為本發明的結構流程圖；

圖3為本發明的鎖模脈沖序列測距的原理圖。

具體實施方式

圖1為本發明的光路結構示意圖，圖2為本發明的結構流程圖，圖3為本發明的鎖模脈沖序列測距的原理圖，如圖所示，本實施例中的基于鎖模脈沖序列的激光測距方法，包括以下步驟:

包括以下步驟:

(1)鎖模激光器1產生并輸出鎖模脈沖激光束；所述鎖模激光器1可采用現有的鎖模激光器1，所述鎖模激光器1的典型腔長可為0.5m，鎖模脈沖之間的間距為1m，重復頻率為300MHz，鎖模脈沖脈寬約數百皮秒，可產生穩定的鎖模脈沖激光；

(2)將鎖模脈沖激光束分成參考光束和測量光束，測量光束經過待測目標反射后形成測量回波光束并結合參考光束進行處理，鎖模脈沖激光束通過分束鏡分成參考光束和測量光束，測量光束射向待測目標6并形成可被接受的測量回波光束；

(3)根據參考光束與測量回波光束之間的脈沖數差值和相位差，計算待測目標6的距離；

不同于傳統的脈沖法和相位法激光測距，本方法利用鎖模脈沖之間的距離保持不變，同時獲取距離信息的大數部分(脈沖數差值)和小數部分(相位差)距離信息，且無機械移動部分，可實現大范圍高精度激光距離的高速測量。

本實施例中，其中步驟(3)中，待測目標6的距離計算公式如下：2D＝△nL+△φL/(2π),△n為參考光束與測量回波光束的脈沖數差值，△φ為參考光束與測量回波光束的相位差，L為鎖模激光器腔長,D為待測目標6的距離；脈沖數差值為兩個脈沖計數器的差值，△φ可由鑒相器直接測得，上述運算采用嵌入式系統處理計算，運算簡單，測量快，進一步提高測量速度。

本實施例中，所述鎖模激光器1輸出的鎖模脈沖激光束通過一光開關控制輸出；所述光開關通過以下方法控制其啟閉：

a.將鎖模激光器1輸出的鎖模脈沖激光束分為控制光束和通過光開關的工作光束，并將控制光束轉化為電控制信號；控制光束和工作光束可通過分束器對鎖模脈沖光束進行分離得到,分束器為分束鏡,分束鏡為現有技術,在此不再贅述；

b.對電控制信號進行延時處理；延時時間為預設時間,可通過現有的延時電路實現,使得控制光束的脈沖信號與工作光束的脈沖信號產生穩定的相位差；

c.外部輸入測量命令信號，所述測量命令信號與電控制信號相結合控制光開關使其在工作光束的相鄰脈沖之間啟閉；保證在形成穩定的鎖模脈沖激光束后,發射出的用于測量的工作光束為完整的脈沖,避免畸變脈沖形成的測量回波光束造成測量誤差,保證測量結果的準確性。

本實施例中，步驟b中，所述電控制信號通過延時線路進行延時,利用電信號在線路的傳播速度和光速相等的原理對電控制信號,結構簡單,延時準確精度高,有效保證延時時間的精確控制.

本發明還公開了一種激光測距系統,包括：

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

分光器I3，用于將所述鎖模脈沖激光束分成參考光束和測量光束，并將測量光束經過待測目標6反射后形成的測量回波光束輸送至控制處理系統；

控制處理系統7，根據參考光束與測量回波光束的脈沖數差值和相位差，計算待測目標6的距離。

本實施例中,所述控制處理系統7包括光電處理模塊I、光電處理模塊II和處理模塊，所述參考光束和測量回波光束分別通過光電處理模塊I和光電處理模塊II處理成電信號后輸送至處理模塊；所述處理模塊包括脈沖計數器、鑒相器和處理器(鑒相器可為2GHz模擬乘法器_ADL5391，計數器可為2G計數器_sy10-100e137)，所述脈沖計數器為兩個并分別用于統計光電處理模塊I和光電處理模塊II的輸出脈沖個數，鑒相器用于檢測光電處理模塊I和光電處理模塊II的輸出信號之間的相位差，處理器用于根據光電處理模塊I和光電處理模塊II的輸出脈沖個數和相位差計算出待測目標6的距離；采用激光腔長精確鎖定的鎖模激光器1產生持續鎖模脈沖序列輸出，脈沖序列經過分束器分成參考光束和測量光束，測量光束照射到待測目標6后產生測量回波光束，光電處理模塊I和光電處理模塊II均包括高速光電二極管及相關放大電路,分別接收并放大參考光束和測量回波光束，采用脈沖計數器完成參考脈沖信號與回波測量脈沖信號計數并把計數值分別輸入處理器,處理器可采用51單片機芯片并通過現有軟件計算參考光束脈沖信號與回波測量脈沖信號之間的差值,屬于現有技術,在此不再贅述；二者計數差值為測量距離中等于鎖模激光器1腔長的整數倍信息(大數部分)，實現大范圍距離測量；采用鑒相器完成參考脈沖信號與回波測量脈沖信號之間相位差的鑒相，二者相位差為測量距離中小于激光腔長的小數部分信息，實現亞毫米高精度測量。

本實施例中,所述鎖模激光器1與分光器I3之間設置有光開關模塊2，所述光開關模塊2用于在鎖模脈沖激光束的相鄰波之間控制鎖模脈沖激光束的通斷；光開關用于測量阻斷鎖模激光器1輸出的鎖模脈沖激光束，當鎖模脈沖激光束穩定后，打開光開關，避免光電傳感器受到干擾，保證測量精度,同時保證在形成穩定的鎖模脈沖激光束后,發射出的用于測量的工作光束為完整的脈沖,避免非完整脈沖形成的測量回波光束造成測量誤差.

本實施例中，所述光開關模塊2包括光開關和開關控制模塊4，所述開關控制模塊4包括分光器II2、光電處理模塊III、延時模塊和觸發處理模塊，所述分光器II2將鎖模脈沖激光束分成控制光束和通過光開關的工作光束，所述控制光束通過光電處理模塊III轉換為電控制信號并輸入至延時模塊進行延時，所述延時模塊的輸出端與觸發處理模塊的控制輸入連接，所述觸發處理模塊還設置有用于接收測距開始命令的外控信號輸入端，觸發處理模塊用于結合測距開始命令和電控制信號控制光開關啟閉；觸發控制模塊用于將控制光束的脈沖電信號與外部觸發信號結合形成與的關系對光開關控制,如對控制光束的脈沖電信號延時2ns,保證光開關對鎖模脈沖激光束的通斷不會產生不完整脈沖。

本實施例中，所述延時模塊為延時線路,延時線路可為導線,如產生2ns的延時需0.6米導線,保證延時控制的精確性,并且成本低,控制準確。

本實施例中，所述光開關包括沿光路先后依次設置的起偏器、電光調制器和檢偏器，開關控制模塊還包括用于控制電光調制器的控制組件，所述控制組件包括輸出端與電光調制器的輸入端連接的光電導開關、與光電導開關的輸入端連接的直流高壓電源和用于控制光電導開關通斷的高速LED，高速LED的輸入端與觸發控制模塊的輸出端連接；直流高壓電源為電光調制器提供半波調制高壓。當起偏器和檢偏器的偏振方向相同時，加調制半波高壓為光開關非導通狀態，不加電壓為光開關導通狀態；當起偏器和檢偏器的偏振方向正交時，加調制半波高壓為光開關導通狀態，不加電壓為光開關非導通狀態；通過觸發控制電路控制高速LED,利用高速LED發出光控制光電導開關,響應時間快,安全可靠；電光調制器和光電導開關為現有技術,在此不再贅述。

最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。