專利名稱：調(diào)幅波鎖相式激光測距方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光測距技術(shù)，特別涉及一種調(diào)幅波鎖相式激光測距方法與裝置。
背景技術(shù)：
目前，相位式激光測距技術(shù)廣泛用于長距離高精度測量。常用的相位式激光測距方法分為目標(biāo)端反射式和目標(biāo)端有源協(xié)作式兩種方法。反射式測距方法的主要缺點(diǎn)為回光信號強(qiáng)度的衰減形式為被測距離的四次方衰減函數(shù)，隨著被測距離的增大，回光信號衰減很快，導(dǎo)致信噪比下降，從而限制了測程的提高。為解決以上缺陷，哈爾濱工業(yè)大學(xué)譚久彬、 劉思遠(yuǎn)等人發(fā)明的有源協(xié)作式相位激光測距方法與裝置(專利號ZL200810137082)中在目標(biāo)端增加了激光器，用于光信號強(qiáng)度的放大，從而大大增加了測距距離，但其主要缺點(diǎn)為目標(biāo)端在接收光信號到發(fā)射光信號這一過程中會(huì)引入相位差，并且該相位差在外界環(huán)境影響下會(huì)實(shí)時(shí)變化，以致測距結(jié)果不準(zhǔn)確。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述有源協(xié)作式相位激光測距方法在目標(biāo)端引入額外相位差的不足， 本發(fā)明提供一種調(diào)幅波鎖相測距方法，該方法在目標(biāo)端使用調(diào)幅光波鎖相放大裝置，可以將目標(biāo)端接收的調(diào)幅光波的相位與發(fā)射的調(diào)幅光波的相位進(jìn)行鎖定，保證測距結(jié)果的準(zhǔn)確性。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種調(diào)幅波鎖相式激光測距方法，該方法包括以下步驟(1)在測量端，調(diào)制信號產(chǎn)生單元產(chǎn)生的正弦調(diào)制信號作用到激光調(diào)制單元上， 對激光器輸出激光束的光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制，該激光束經(jīng)過準(zhǔn)直整形鏡組后再經(jīng)過分光鏡分成兩束，一束射向被測目標(biāo)處，另一束作為參考光經(jīng)光電轉(zhuǎn)化后作為測量端參考信號，記為Esfr ；(2)在被測目標(biāo)端，光電接收器將來自測量端裝置的光信號轉(zhuǎn)換為電信號后輸入到鎖相放大器的一個(gè)信號輸入端，鎖相放大器的輸出作用于目標(biāo)端激光器光強(qiáng)調(diào)制單元， 目標(biāo)端激光器產(chǎn)生光強(qiáng)調(diào)制的激光信號，該激光束經(jīng)過準(zhǔn)直整形鏡組后再經(jīng)過分光鏡分為兩束，一束激光信號發(fā)射回測量端，另一束激光信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)化后輸入到鎖相放大器的另一輸入端；(3)經(jīng)鎖相放大器的控制，使自測量端的激光信號和目標(biāo)端激光器產(chǎn)生的激光信號調(diào)制頻率相同且相差恒定，記為；(4)測量端裝置將接收到的來自目標(biāo)端裝置的激光信號轉(zhuǎn)換為電信號，記為 Efc，對信號Efc和Esfr進(jìn)行相差測量得到相位差識&，進(jìn)而得到與被測距離相關(guān)的相位差
Αφ=φ0τ-φδ從而求得被測距離。
9一種用于調(diào)幅波鎖相式激光測距方法的調(diào)幅波鎖相式激光測距裝置，包括測量端裝置，測量端裝置結(jié)構(gòu)是調(diào)制信號產(chǎn)生單元、激光強(qiáng)度調(diào)制單元Α、激光器A依次連接，激光束整形鏡組A、分光鏡A依次位于激光器A之后，直角棱鏡A在分光鏡A的反射光路上，匯聚透鏡A在直角棱鏡A的反射光路上，雪崩光電探測器A、光電轉(zhuǎn)換電路A在匯聚透鏡A之后依次連接，匯聚透鏡B位于目標(biāo)端發(fā)射回的激光光路上，雪崩光電探測器B、光電轉(zhuǎn)換電路 B在匯聚透鏡B之后依次連接，光電轉(zhuǎn)換電路A和光電轉(zhuǎn)換電路B的輸出端分別接入到相差測量單元A的兩個(gè)輸入端上，該測距裝置還包括鎖相式目標(biāo)端裝置，其結(jié)構(gòu)是匯聚透鏡C 位于來自測量端的激光信號的光路上，雪崩光電探測器C、光電轉(zhuǎn)換電路C在匯聚透鏡C之后依次連接，鎖相放大電路、激光強(qiáng)度調(diào)制單元B、激光器B依次連接，分光鏡B在激光器B 之后，其透射光發(fā)射回測量端，位于目標(biāo)端發(fā)射回的激光光路上，直角棱鏡B在其反射光路上，匯聚透鏡D在直角棱鏡B的反射光路上，雪崩光電探測器D、光電轉(zhuǎn)換電路D在匯聚透鏡D之后依次連接，光電轉(zhuǎn)換電路C和光電轉(zhuǎn)換電路D的輸出端分別連接到鎖相放大電路的兩個(gè)輸入端上，構(gòu)成鎖相回路。本發(fā)明的有益效果是，可以簡化有源式相位測距儀目標(biāo)端的結(jié)構(gòu)，消除目標(biāo)端進(jìn)行光電信號處理過程中產(chǎn)生的相位差，提高測距準(zhǔn)確性。


附圖為調(diào)幅波鎖相式激光測距裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1.調(diào)制信號產(chǎn)生單元，2.激光強(qiáng)度調(diào)制單元A，3.激光器A，4.激光束整形鏡組A，5.分光鏡A，6.直角棱鏡A，7.匯聚透鏡A，8.雪崩光電探測器A，9.光電轉(zhuǎn)換電路 Α,ΙΟ.相差測量單元Α，11.測量端裝置，12.光電轉(zhuǎn)換電路B，13.雪崩光電探測器B，14.匯聚透鏡B，15.匯聚透鏡C，16.雪崩光電探測器C，17.光電轉(zhuǎn)換電路C，18.鎖相放大電路， 19.光電轉(zhuǎn)換電路D，20.雪崩光電探測器D，21.匯聚透鏡D，22.直角棱鏡B，23.分光鏡B， 24.激光器B，25.激光強(qiáng)度調(diào)制單元B，26.鎖相式目標(biāo)端裝置。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。1、一種調(diào)幅波鎖相測距方法，該方法包括以下步驟(1)在測量端，調(diào)制信號產(chǎn)生單元產(chǎn)生的正弦調(diào)制信號作用到激光調(diào)制單元上， 對激光器輸出激光束的光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制，該激光束經(jīng)過準(zhǔn)直整形鏡組后再經(jīng)過分光鏡分成兩束，一束射向被測目標(biāo)處，另一束作為參考光經(jīng)光電轉(zhuǎn)化后作為測量端參考信號，記為Esfr ；(2)在被測目標(biāo)端，光電接收器將來自測量端裝置的光信號轉(zhuǎn)換為電信號后輸入到鎖相放大器的一個(gè)信號輸入端，鎖相放大器的輸出作用于目標(biāo)端激光器光強(qiáng)調(diào)制單元， 目標(biāo)端激光器產(chǎn)生光強(qiáng)調(diào)制的激光信號，該激光束經(jīng)過準(zhǔn)直整形鏡組后再經(jīng)過分光鏡分為兩束，一束激光信號發(fā)射回測量端，另一束激光信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)化后輸入到鎖相放大器的另一輸入端；(3)經(jīng)鎖相放大器的控制，使自測量端的激光信號和目標(biāo)端激光器產(chǎn)生的激光信號調(diào)制頻率相同且相差恒定，記為；(4)測量端裝置將接收到的來自目標(biāo)端裝置的激光信號轉(zhuǎn)換為電信號，記為 Ebii,對信號Efc和Eft進(jìn)行相差測量得到相位差，進(jìn)而得到與被測距離相關(guān)的相位差 A(P = fPor - Ψδ，從而求得被測距離。
2、一種用于所述的調(diào)幅波鎖相式激光測距方法的調(diào)幅波鎖相式激光測距裝置，包括測量端裝置11，測量端裝置11結(jié)構(gòu)是調(diào)制信號產(chǎn)生單元1、激光強(qiáng)度調(diào)制單元A2、激光器 A3依次連接，激光束整形鏡組A4、分光鏡A5依次位于激光器A3之后，直角棱鏡A6在分光鏡A5的反射光路上，匯聚透鏡A7在直角棱鏡A6的反射光路上，雪崩光電探測器A8、光電轉(zhuǎn)換電路A9在匯聚透鏡A7之后依次連接，匯聚透鏡B14位于目標(biāo)端發(fā)射回的激光光路上，雪崩光電探測器B13、光電轉(zhuǎn)換電路B12在匯聚透鏡B14之后依次連接，光電轉(zhuǎn)換電路A9和光電轉(zhuǎn)換電路B12的輸出端分別接入到相差測量單元AlO的兩個(gè)輸入端上，該裝置還包括鎖相式目標(biāo)端裝置26，其結(jié)構(gòu)是匯聚透鏡C15位于來自測量端的激光信號的光路上，雪崩光電探測器C16、光電轉(zhuǎn)換電路C17在匯聚透鏡C15之后依次連接，鎖相放大電路18、激光強(qiáng)度調(diào)制單元B25、激光器BM依次連接，分光鏡B23在激光器BM之后，其透射光發(fā)射回測量端，位于目標(biāo)端發(fā)射回的激光光路上，直角棱鏡B22在其反射光路上，匯聚透鏡D21在直角棱鏡B22的反射光路上，雪崩光電探測器D20、光電轉(zhuǎn)換電路D19在匯聚透鏡D21之后依次連接，光電轉(zhuǎn)換電路C17和光電轉(zhuǎn)換電路D19的輸出端分別連接到鎖相放大電路18的兩個(gè)輸入端上，構(gòu)成鎖相回路。測量時(shí)，測量端裝置11中的調(diào)制信號產(chǎn)生單元1根據(jù)測量要求產(chǎn)生一定頻率的正弦波調(diào)制信號，該調(diào)制信號作用到激光器調(diào)制單元A2上對激光器A3的輸出光強(qiáng)進(jìn)行正弦調(diào)制。調(diào)制后的激光束經(jīng)過整形鏡組A4后，由分光鏡A5分為兩束，其中一束射向目標(biāo)端， 另一束經(jīng)過直角棱鏡A6及匯聚透鏡A7后匯聚至雪崩光電探測器A8的光敏面上，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換電路A9轉(zhuǎn)換后變?yōu)殡娦盘枺鳛闇y量端參考信號，記為Eft。鎖相式目標(biāo)端裝置沈的匯聚透鏡C15將來自測量端的激光信號匯聚至雪崩光電探測器C16的光敏面上，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換電路C17轉(zhuǎn)換為電信號，同時(shí)提取其中的調(diào)制信號，輸入到鎖相放大電路18的信號輸入端。 鎖相放大電路18的輸出作用到激光強(qiáng)度調(diào)制單元B25上對激光器B24的輸出光強(qiáng)進(jìn)行正弦調(diào)制，調(diào)制后的激光束由分光鏡B23分為兩束，其中一束射向測量端11，另一束經(jīng)過直角棱鏡B6及匯聚透鏡D21后匯聚至雪崩光電探測器D20的光敏面上，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換電路D19轉(zhuǎn)換后變?yōu)殡娦盘枺斎氲芥i相放大電路18的反饋端，組成鎖相回路，得到恒定相差。在測量端，匯聚透鏡B14將來自目標(biāo)端的激光信號匯聚至雪崩光電探測器B13的光敏面上，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換電路B12后轉(zhuǎn)化為電信號，記為Efc，對信號Eft和信號Efc進(jìn)行相差測量得到相位
■φ，進(jìn)而得到與被測距離相關(guān)的相位差八0 = %「&，從而求得被測距離。
權(quán)利要求
1.一種調(diào)幅波鎖相式激光測距方法，該方法包括以下步驟(1)在測量端，調(diào)制信號產(chǎn)生單元產(chǎn)生的正弦調(diào)制信號作用到激光調(diào)制單元上，對激光器輸出激光束的光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制，該激光束經(jīng)過準(zhǔn)直整形鏡組后再經(jīng)過分光鏡分成兩束，一束射向被測目標(biāo)處，另一束作為參考光經(jīng)光電轉(zhuǎn)化后作為測量端參考信號，記為Esfr ；其特征在于(2)在被測目標(biāo)端，光電接收器將來自測量端裝置的光信號轉(zhuǎn)換為電信號后輸入到鎖相放大器的一個(gè)信號輸入端，鎖相放大器的輸出作用于目標(biāo)端激光器光強(qiáng)調(diào)制單元，目標(biāo)端激光器產(chǎn)生光強(qiáng)調(diào)制的激光信號，該激光束經(jīng)過準(zhǔn)直整形鏡組后再經(jīng)過分光鏡分為兩束，一束激光信號發(fā)射回測量端，另一束激光信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)化后輸入到鎖相放大器的另一輸入端；(3)經(jīng)鎖相放大器的控制，使自測量端的激光信號和目標(biāo)端激光器產(chǎn)生的激光信號調(diào)制頻率相同且相差恒定，記為φδ ；(4)測量端裝置將接收到的來自目標(biāo)端裝置的激光信號轉(zhuǎn)換為電信號，記為Efc， 對信號Efc和Eft進(jìn)行相差測量得到相位差識&，進(jìn)而得到與被測距離相關(guān)的相位差 A(P = cPdt - ψδ，從而求得被測距離。
2.一種用于如權(quán)利要求1所述的調(diào)幅波鎖相式激光測距方法的調(diào)幅波鎖相式激光測距裝置，包括測量端裝置(11)，測量端裝置(11)結(jié)構(gòu)是調(diào)制信號產(chǎn)生單元(1)、激光強(qiáng)度調(diào)制單元A O)、激光器A C3)依次連接，激光束整形鏡組AG)、分光鏡Α 依次位于激光器 A(3)之后，直角棱鏡A(6)在分光鏡A(5)的反射光路上，匯聚透鏡A(7)在直角棱鏡A(6) 的反射光路上，雪崩光電探測器A(8)、光電轉(zhuǎn)換電路A(9)在匯聚透鏡A(7)之后依次連接， 匯聚透鏡B (14)位于目標(biāo)端發(fā)射回的激光光路上，雪崩光電探測器B (13)、光電轉(zhuǎn)換電路 B (12)在匯聚透鏡B (14)之后依次連接，光電轉(zhuǎn)換電路A (9)和光電轉(zhuǎn)換電路B (12)的輸出端分別接入到相差測量單元A(IO)的兩個(gè)輸入端上，其特征在于還包括鎖相式目標(biāo)端裝置( )，其結(jié)構(gòu)是匯聚透鏡C(15)位于來自測量端的激光信號的光路上，雪崩光電探測器 C(16)、光電轉(zhuǎn)換電路C(17)在匯聚透鏡C(15)之后依次連接，鎖相放大電路(18)、激光強(qiáng)度調(diào)制單元B (25)、激光器B 04)依次連接，分光鏡B 在激光器^24)之后，其透射光發(fā)射回測量端，位于目標(biāo)端發(fā)射回的激光光路上，直角棱鏡^2 在其反射光路上，匯聚透鏡 D(21)在直角棱鏡W22)的反射光路上，雪崩光電探測器D(20)、光電轉(zhuǎn)換電路D(19)在匯聚透鏡IK21)之后依次連接，光電轉(zhuǎn)換電路C(17)和光電轉(zhuǎn)換電路D(19)的輸出端分別連接到鎖相放大電路(18)的兩個(gè)輸入端上，構(gòu)成鎖相回路。
全文摘要
調(diào)幅波鎖相式激光測距方法與裝置屬于激光測距技術(shù)；本發(fā)明在有源式相位測距裝置的目標(biāo)端使用了調(diào)幅光波鎖相放大器；測距系統(tǒng)的測量端發(fā)送一束光強(qiáng)經(jīng)正弦調(diào)制的光束，測距系統(tǒng)的目標(biāo)端將接收到的來自測量端的調(diào)幅光信號進(jìn)行鎖相放大，產(chǎn)生與來自測量端激光信號調(diào)制頻率相同且相差恒定的激光信號并發(fā)送回測量端。測量端通過檢測發(fā)送與接收信號間的相位差并結(jié)合恒定相差實(shí)現(xiàn)距離測量；具有測距精度高的特點(diǎn)。
文檔編號G01S17/36GK102262224SQ20111018765
公開日2011年11月30日 申請日期2011年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月6日
發(fā)明者胡鵬程, 譚久彬 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)