[发明专利]用基于皮秒脉冲的高精度激光测距装置的测距方法

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Z6、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；