一种激光测距系统

技术领域

本申请实施例涉及测距领域，尤其涉及一种激光测距系统。

背景技术

激光测距(laser distance measuring)是以激光器作为光源进行测距。根据光束工作的方式分为连续激光器和脉冲激光器。光束测距仪由于光束的单色性好、方向性强等特点，加上电子线路半导体化集成化，与光电测距仪相比，不仅可以日夜作业、而且能提高测距精度。

调频连续波激光测距雷达(Frequency Modulated Continuous Wave Radar，FMCW)是一种新兴的激光测距系统，相较于其他现有的激光雷达，能够实现高灵敏度、高精度、非接触式的距离测量和速度测量，在军事测距领域、汽车无人驾驶导航领域、机器人的自动环境感知等多个领域都有着广泛的应用。

目前调频连续波激光测距雷达在测量一定区域内各个点的位置关系时，一般的使用方式为将激光器安装在可旋转的电机上，当电机旋转时激光器以一定的频率发射激光光束，且发射至不同位置的每束光束都需要相应设置光电探测器，这种雷达系统需要使用大量的光电原件，机械运动部件在恶劣环境使用存在故障的风险。

发明内容

本申请实施例第一方面提供了一种激光测距系统，包括：

激光器，用于发射波长周期性变化的初始光束；

分束器，用于将所述初始光束分为测量光束和参考光束；

分光装置，用于将所述测量光束中不同波长的光束进行拆分，以使所述不同波长的光束照射在目标区域内不同位置，并将所述不同波长的光束照射在所述目标区域内不同位置后反射回的光束合成待解析光束；

解析装置，用于接收所述参考光束与所述待解析光束，并依据所述参考光束对所述待解析光束进行解析，以得到所述目标区域内不同位置与所述分光装置之间的距离。

基于本申请实施例第一方面所提供的激光测距系统，可选地，所述激光器为超连续谱光源。

基于本申请实施例第一方面所提供的激光测距系统，可选地，所述分束器为偏振分光棱镜。

基于本申请实施例第一方面所提供的激光测距系统，可选地，所述分束器还用于将所述待解析光束折射至与所述参考光束束相同的光路。

基于本申请实施例第一方面所提供的激光测距系统，可选地，所述分光装置包括：光栅、三棱镜和MEMS振镜中的任意一种。

基于本申请实施例第一方面所提供的激光测距系统，可选地，所述解析装置包括：透镜、光电探测器、数据采集卡和信号处理设备。

所述透镜用于将所述参考光束与所述待解析光束进行混频，获得混频光束；

所述光电探测器用于将所述混频光束转换为混频信号；

所述数据采集卡用于将所述混频信号转化为数字信号传输至所述信号处理设备；

所述信号处理设备用于对所述数字信号进行处理，获得所述目标区域内不同位置与所述分光装置之间的距离。

基于本申请实施例第一方面所提供的激光测距系统，可选地，所述光电探测器为平衡光电探测器。

基于本申请实施例第一方面所提供的激光测距系统，可选地，所述激光测距系统还包括：

准直镜，用于对所述初始光束进行准直。

基于本申请实施例第一方面所提供的激光测距系统，可选地，所述激光测距系统还包括：第一波片和/或第二波片；

第一波片，用于降低外部光源对所述初始光束的干扰；

第二波片，用于降低外部光源对所述测量光束的干扰。

基于本申请实施例第一方面所提供的激光测距系统，可选地，所述测量光束和所述参考光束分光比为9/1。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：本方案通过在激光器前设置分光器，将激光器所发出的初始光束分为测量光与参考光，并在测量光束达到测量位置前设置分光装置，使得测量光束被中不同波长的光束分别散射至目标区域的不同位置，进而获得不同位置的反射光，通过对参考光与目标区域反射回的待解析光束进行分析，最终得出目标区域内不同位置与分光装置之间的距离，与现有技术相比，本方案提供了另一种对一定区域内各个地点的距离参数进行测量的方法，且本方案所提供的测量系统结构简单，所需使用的硬件设备较少。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请激光测距系统实施例的一个结构示意图；

图2为本申请激光测距系统实施例的另一个结构示意图；

图3为本申请激光测距系统实施例的另一个结构示意图；

图4为本申请激光测距系统实施例的另一个结构示意图；

图5为本申请激光测距系统实施例的另一个结构示意图。

具体实施方式

本申请实施例提供了一种激光测距系统，用于对目标区域内的不同位置进行测距，本方案通过在激光器前设置分光器，将激光器所发出的初始光束分为测量光与参考光，并在测量光束达到测量位置前设置分光装置，使得测量光束被中不同波长的光束分别散射至目标区域的不同位置，进而获得不同位置的反射光，通过对参考光与目标区域反射回的待解析光束进行分析，最终得出目标区域内不同位置与分光装置之间的距离，与现有技术相比，本方案提供了另一种对一定区域内距离参数进行测量的方法，且本方案所提供的测量系统结构简单，所需使用的硬件设备较少。

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要说明的是，在本申请中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

请参阅图1，本申请所提供的激光测距系统的一个实施例包括：

激光器101，用于发射波长周期性变化的初始光束。初始光束为具有较高指向性的激光光束，其波长按照一定周期变化，具体的周期数值可由人工设定，在实际实施过程中，激光器101可选用超连续谱光源，超连续谱光源可提供光谱范围内所有的波长的光束，实用性更强，具体激光器形式可依据实际情况而定，此处不做限定。

分束器102，用于将所述初始光束分为测量光束和参考光束。初始光束按预定光路发出后，可在该光路前设置分束器102，所述分束器102用于将所述初始光束分为测量光束和参考光束，测量光束与参考光束分别射向不同光路，以图1为例，遵循原有初始光束的光路的光束为测量光束，与所述侧量光束成90度角，射向解析装置104的光束为参考光束。测量光束用于输入分光装置并射向目标位置的不同区域以便执行后续的距离测量过程，参考光束用于解析装置对目标区域不同位置的距离计算过程。

可以理解的是，分束器102与激光器101之间还可设置用于降低外界干扰，对光束进行准直的准直镜或波片等设备，具体可依据实际情况而定，此处不做限定。值得注意的是，分束器对初始光束的分光比例可依据用户需求进行设置，一般的，用于实际测量过程的测量光束所占的分光比例应大于用于计算的参考光束，具体可依据实际情况而定，此处不做限定。

分光装置103，用于接收由所述分束器102拆分出的测量光束，并将所述测量光束中不同波长的光束进行拆分，拆分后不同波长的光束照射在所述目标区域内不同位置，分光装置103还需接收反射回的光束合成待解析光束；待解析光，待解析光束由测量光束照射至目标区域后又返回至分光装置的反射光自称，因此待解析光束与测量光束之间存在光程差，光程差可认为是分光装置出射点到目标区域不同位置的两倍，对于不同波长的光束照射至目标区域的位置不同，光程差也不尽相同，解析装置140可依据该光程差进行相应计算以得出具体的距离信息。分光装置的具体形式可以为光栅、三棱镜或MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)振镜中的任意一种，可以理解的是在实际实施过程中用户可依据实际情况对分光装置103的形式作出调整，只需保证分光装置具有对不同波长的光束进行拆分的功能即可，具体此处不做限定。

解析装置104，用于接收所述参考光束与所述待解析光束，并依据所述参考光束对所述待解析光束进行解析，以得到所述目标区域内不同位置与所述分光装置之间的距离。解析装置104用于对参考光束与待解析光束进行解析，一种可选的实施方式为：解析装置使用透镜对参考光束与待解析光束进行干涉混频，并接受参考光束与待解析光束干涉后的混频信号转换为电信号，并输入计算机系统进行计算，通过傅里叶变换等方式最终计算得出目标区域内不同位置与分光装置之间的距离。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：本方案通过在激光器前设置分光器，将激光器所发出的初始光束分为测量光与参考光，并在测量光束达到测量位置前设置分光装置，使得测量光束被中不同波长的光束分别散射至目标区域的不同位置，进而获得不同位置的反射光，通过对参考光与目标区域反射回的待解析光束进行分析，最终得出目标区域内不同位置与分光装置之间的距离，与现有技术相比，本方案提供了另一种对一定区域内距离参数进行测量的方法，且本方案所提供的测量系统结构简单，所需使用的硬件设备较少。

基于图1所描述的实施例，下面提供一种本方案在实施过程中可选择执行的详细实施例，请参阅图2，本申请激光测距系统的一个实施例包括：超连续谱光源201、准直镜202、1/2波片203、偏振分光棱镜204、1/4波片205、分光装置206、透镜207、光电探测器208、数据采集卡209以及分析系统210。

超连续谱光源201用于发射波长周期性变化的初始光束。在使用超连续谱光源的情况下，由于超连续谱光源可以提供光谱内全部波长的激光，因此调频连续波激光雷达能够在低能见度和高背景光的条件下实现测量，其延迟的零时差检测技术几乎不受环境干扰和远程的恶意攻击。在本方案实际实施过程中可选择超连续谱光源的输出光谱范围从400nm到2400nm，输出功率大于1W，输出光谱稳定性小于0.1dB，功率谱密度大于-10dB/nm，电源工作要求为100～240V，重复频率为5MHz，同时在输出端配有单模光纤FC(FerruleConnector，圆型带螺纹)接头的设备指标以便完成测距过程。可以理解的是上述数值性说明仅为本方案在实际实施过程中一种可选用的形式，用户也可依据自身需求对上述参数进行调整，以满足自身的使用需求，具体可依据实际情况而定，此处不做限定。

准直镜202用于对所述初始光束进行准直，设置于超连续谱光源201前，准直镜使得符合准直要求的初始光束通过准直镜，避免不符合准直要求的光线对测距过程造成干扰。

1/2波片203，用于降低外部光源对所述初始光束的干扰，设置于准直镜202与偏振分光棱镜204之间，可以理解的是，在本方案的实际实施过程中，可依据自身需求对波片的型号及位置进行调整，具体此处不做限定。

偏振分光棱镜204用于将所述待解析光束折射至与所述参考光束相同的光路。偏振分光棱镜204即对应上述图1实施例中所述的分光装置，具体用途及使用方式与上述图1中的描述类似，具体此处不做赘述。经过偏振分光棱镜分光后测量光束和参考光束分光比为9/1，以便使用具有较大光强的测量光束完成测距过程。

1/4波片205、用于降低外部光源对所述测量光束的干扰。设置于偏振分光棱镜204与分光装置206之间，可以理解的是，在本方案的实际实施过程中，可依据自身需求对波片的型号及位置进行调整，具体此处不做限定。

分光装置206、分光装置206可为光栅、三棱镜和MEMS振镜中的任意一种，具体的可参照图3至图5。

在分光装置使用光栅时，具体的系统结构可参照图3，光栅可以使包含多种频率的复色光发生衍射而彼此分开，形成均匀排列的光谱。由光栅公式：

nλ＝d(sinα+sinβ)

其中n为光谱级，α为入射角，β为衍射角，d为光栅常数，λ为波长。当激光器发射连续变化的光波到光栅时，对于给定的光栅，不同波长的主级大都不重合，而是按波长的次序形成分立的谱线，经过光栅衍射后可以按照不同的角度被彼此分开，因此能够形成多路分光入射至目标区域内的不同位置。

在多路分光方案中，还可以通过三棱镜分光的方式来实现，如图4所示，本实例中使用一个等边三角棱镜，当测量光束从三角侧面入射时，光线将根据折射定律两次向底面偏折，当入射角恒定，不同波长的光会产生不同的偏折角，因此不同波长的光将沿不同的角度入射至目标区域内的不同位置，实现多路分光的同步测距。

在多路分光方案中，还可以通过2维MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)振镜的方式来实现，如图5所示，测量光束照射到MEMS振镜，经过MEMS振镜的二维振动，使得不同波长的光将沿不同的角度入射至目标区域内的不同位置。

可以理解的是，在本方案实际实施过程中可以结合在不同的测距场合选用合适的分光方案，可在其他光路系统不变下进行该模块的更换，以便适应用户的实际需求，具体可依据实际情况而定，此处不做限定。

本方案中上述图1所说明的解析装置在本方案中被细化为包括透镜207、光电探测器208、数据采集卡209和信号处理设备210的四个设备，下面逐一说明各个部分的用途及具体形式。

透镜207、透镜207用于将所述参考光束与所述待解析光束进行混频，获得混频光束，值得注意的是，透镜对参考光束与待解析光束进行混频的程度与透镜207自身的设备性质及透镜207与光电探测器208之间的距离关系较大，因此在本方案实际实施过程中透镜207与光电探测器208可集成在一个设备上，具体此处不做限定。

光电探测器208、光电探测器用于将所述混频光束转换为混频信号；光电探测器为平衡光电探测器，具有大面积有源区接收自由空间光束，光电探测器探测范围可选择从400nm到2400nm，共模抑制比大于30dB，带宽为DC至1MHz，用于接收测量回波信号和参考信号，并将光信号转化为电信号，以便进行后续的分析过程。可以理解的是上述数值性说明仅为本方案在实际实施过程中一种可选用的形式，用户也可依据自身需求对上述参数进行调整，以满足自身的使用需求，具体可依据实际情况而定，此处不做限定。

数据采集卡209用于将所述混频信号转化为数字信号传输至所述信号处理设备。数据采集卡可使用高速数据采集卡，具有FPGA(Field Programmable Gate Array)逻辑单元和同步处理信号的通道，并包含有128路双向通道的形式。高速数据采集卡提供数字信号输入和输出的功能，最大配置速率高达40MHz，具有双向通道128路，数字输出电压为0到5V，和光电探测器进行连接，用于采集和输出数字信号。可以理解的是上述数值性说明仅为本方案在实际实施过程中一种可选用的形式，用户也可依据自身需求对上述参数进行调整，以满足自身的使用需求，具体可依据实际情况而定，此处不做限定。

信号处理设备210用于对所述数字信号进行处理，获得所述目标区域内不同位置与所述分光装置之间的距离。具体的信号处理设备可为计算机形式，并使用安装于计算机上的Labview软件进行具体的信号分析过程。计算机软件将接收到的数字信号进行傅里叶变化并得出目标物体的距离。

在通过傅里叶变化计算目标物体的距离时，可通过下面算法公式来求得：

(1)构建模型，E

(2)激光的瞬时频率可以通过相位的微分得到：

(3)假设激光的初始频率已知，T是调频周期，α是调频斜率，那么某一时刻频率可以表示为：

f(t)＝f

(4)假设激光经过测量光路的时延是τ

(5)对经过测量光路的瞬时相位

(6)同理，对瞬时相位

(7)公式(5)和公式(6)代入公式(4)：

U(t)＝U

＝U

(8)去掉电压的直流分量，得到：

U(t)＝U

(9)将公式(3)代入得到：

(10)假定目标距离为R,空气折射率为n，光速为C，那么R可以表示为：

因此，在计算机软件系统中将电压信号进行傅里叶变化得到差频频率后便能将目标距离进行求解。

可以理解的是，上述对目标距离的求解过程仅为本方案在实际实施过程一种可行的方式，在实际实施过程中，使用者可依据实际情况对上述公式进行等效变换或使用其他公式进行计算，具体此处不做限制。上述说明仅为举例描述，并不对本方案的实际实施过程造成限制。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：本方案通过在激光器前设置分光器，将激光器所发出的初始光束分为测量光与参考光，并在测量光束达到测量位置前设置分光装置，使得测量光束被中不同波长的光束分别散射至目标区域的不同位置，进而获得不同位置的反射光，通过对参考光与目标区域反射回的待解析光束进行分析，最终得出目标区域内不同位置与分光装置之间的距离，与现有技术相比，本方案提供了另一种对一定区域内距离参数进行测量的方法，且本方案所提供的测量系统结构简单，所需使用的硬件设备较少。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。