CN103163529A - 基于赝热光二阶关联性的测距*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于赝热光二阶关联性的测距***，基于赝热光二阶关联性的测距***包括赝热光源模块、分束器、探测模块、发射装置、接收装置和测距模块；所述测距模块采用符合测量和曲线拟合的测距方法进行测距。本发明提出的基于赝热光二阶关联性的测距***，能够实现远距离、高精度的距离测量，具有高精度、无测量死区和良好的抗环境干扰特性。

Description

基于赝热光二阶关联性的测距***

技术领域

本发明涉及一种连续光关联测距***，尤其涉及一种基于赝热光二阶关联性的测距***。

背景技术

连续光关联测距是基于连续光测距技术和关联技术，秉承了激光测距单色性和相干性好、方向性强等特点，并且具有关联技术抗环境干扰的特性。常见的连续光关联测距包括相位法测距、伪随机码测距、干涉式测距和混沌激光测距。

相位法激光测距通过测量连续的调制信号在待测距离上往返传播所产生的相位变化来间接地测定信号传播时间，从而求得被测的距离。相位法激光测距***是用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算该相位延迟所代表的距离，即用间接方法测定出激光往返目标所需的时间。相位法测距具有高精度的特定，一般能够达到毫米级的精度，但是由于相位具有周期特性，所以相位法激光测距不适合探测远距离。

伪随机码激光测距是将伪随机码通过幅度调制器调制到激光的幅值变化上，然后在接收端将回波信号和本地的参考信号直接进行相关运算，得到传播时间并换算得到距离。其测距精度由伪随机码码片速率决定，即码片速率越高，测距精度越高。然而高速的随机数发生器一般很难超过1Gbps的速率，所以伪随机码激光测距精度一般被限制在10cm以上。

干涉式测距原则上也是一种相位法测距，但它不是通过测量激光调制信号的相位差，而是测量未经调制的光波本身的相位迭加关系（干涉）来测距。由于光的波长极短．特别是激光的单色性高，其波长值很准确，所以利用干涉法测距的分辨率至少为半波长，精度为微米级，干涉法测距具有精度高的特性。但是干涉法测距只能测出相对距离，要在长距离进行绝对干涉测量，多值性的鉴别非常重要但又十分困难，所以干涉法测距不适合长距离的测距。

混沌激光测距起源于利用混沌信号相关曲线细锐的类冲激函数特性，K.Myneni等人在2001年首先提出利用混沌激光脉冲序列进行测距研究，他们利用光反馈半导体激光器产生的混沌激光脉冲序列实现了目标的距离测量，但探测信号的带宽限制了其测距精度。随后经过学者的大量研究，目前在混沌测距方面获得6cm的测距精度。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种能够实现远距离、高精度的测距***。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能够实现远距离、高精度的测距***。本发明提出一种基于赝热光二阶关联性的测距***。与现有的连续光测距技术比较，本发明提出的基于赝热光二阶关联性的测距***有很大的优势，由于可以计算出赝热光场的二阶关联曲线的理论公式，采用了曲线拟合的方法可以大大提升其精度；其次由于赝热光场二阶关联曲线具有单峰的特性，其不存在任何测量的死区；最后由于采用单光子探测和关联测量的方式，该***对于环境噪声具有良好的抗环境干扰特性。

本发明的目的在于针对使用赝热光测距的空白，提出了一种全新的基于赝热光二阶关联性的测距***，该***所具有的高精度、无测量死区和环境干扰抗性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明提供了一种基于赝热光二阶关联性的测距***，包括赝热光源模块、分束器、探测模块、发射装置、接收装置和测距模块，所述探测模块包括探测器1、探测器2，其中，所述赝热光源模块发出光束，所述光束经过所述分束器分成两路，其中一路被所述探测器1接收；另外一路通过所述发射装置准直扩束并照射目标物体，所述目标物体的反射回波光束被所述接收装置接收，并输入到所述探测器2；所述探测器1输出参考信号的光电脉冲，所述探测器2输出测量信号的光电脉冲，所述参考信号的光电脉冲和测量信号的光电脉冲发送至所述测距模块，所述测距模块输出所述目标物体相对所述测距***的距离。

其中，所述测距模块采用符合测量算法和曲线拟合算法，所述符合测量算法将所述探测器1和所述探测器2的输出进行信号序列符合计数并得到赝热光二阶关联曲线的样本点，所述曲线拟合算法通过赝热光场的理论公式将所述符合测量算法的得到的一系列样本点拟合成为一条光滑的曲线，并输出所述目标物体相对所述测距***的距离，通过所述曲线拟合算法大幅提升该测距***的精度。优选地，所述样本点为2000个样本点。

进一步地，所述参考信号的光电脉冲和测量信号的光电脉冲到达所述测距模块的时间分别为t₁和t₂，所述距离为L，可以表示为：

c为光传播的速度。

进一步地，所述赝热光源模块包括可调衰减器、透镜、毛玻璃、针孔；通过波长为780nm的半导体激光器发出连续激光首先经过所述可调衰减器，然后经过所述透镜，汇聚至所述毛玻璃的表面，所述毛玻璃是旋转的，激光通过所述旋转的毛玻璃产生赝热光，所述赝热光通过所述针孔输出，所述针孔实现空间滤波，使得所述赝热光通过所述针孔以后具有相同的空间特性，以减小空间关联对时间关联的影响。

进一步地，所述旋转的毛玻璃由马达带动，调节所述马达转速即可改变所述毛玻璃的转动角速度，从而加速或者降低毛玻璃表面光斑处的线速度。

进一步地，所述探测模块还包括对光束进行滤波和耦合的装置，所述滤波和耦合的装置有两路，所述赝热光源模块发出光束，所述光束经过所述分束器分成两路，其中一路经过所述滤波和耦合装置中的一路被所述探测器1接收；另外一路通过所述发射装置准直扩束并照射目标物体，所述目标物体反射回波光束被所述接收装置接收，并经过所述滤波和耦合装置中的另一路输入到所述探测器2；所述探测器1的输出作为参考信号，所述探测器2的输出作为测量信号。

更一步地，为了减少背景辐射对探测结果的影响，所述滤波和耦合的装置采用了中心波长为780±2nm，带宽为10±2nm，峰值透过率最低为50%的窄带干涉滤波片进行滤波。

进一步地，所述探测模块还包括高速采集电路，所述探测器1和2的输出经过所述高速采集电路记录所述参考信号的光电脉冲和测量信号的光电脉冲到达所述测距模块的时间。

更进一步地，所述高速采集电路时间分辨率为1ps。

进一步地，所述符合测量算法为在测量信号时间序列标签中每个标签值上加上延时τ₀+iτ，选取参考信号的时间标签序列作为基准，将参考信号时间标签序列中每一个时间标签作为一个时间区间的中点，而时间区间的长度即为符合门宽，在每一个参考信号的时间区间内搜索具有延时τ₀+iτ的测量信号的时间标签，若有测量信号的时间标签落入区间内，则记符合数加一；搜索完信号路所有的时间标签后，即得到延时τ₀+iτ下的符合数n(τ)，并根据方程

计算这个延时τ₀+iτ下归一化的时间二阶相干函数g⁽²⁾(τ)，完成一次符合计算，即得到一个样本点，调整i的取值，计算所有的样本点。

更进一步地，其中τ₀为测量起点，取值-4us，i为样本点个数，i：0～1999，τ取值4ns。

进一步地，所述曲线拟合算法采用的所述赝热光场理论公式为： $g^{\left(2\right)}\left(\mathrm{\τ}\right)=1+{\left(\frac{f}{1+f}\right)}^2{e}^{-{(\mathrm{\τ}-\mathrm{\Δ\τ})}^2/p^2}+\frac{2f}{{(1+f)}^2}{e}^{-{(\mathrm{\τ}-\mathrm{\Δ\τ})}^2/q^2}$ 式中，f为所述赝热光与相干光场光强比值，p为所述赝热光的线宽参数，q为所述相干光线宽参数；Δτ为二阶关联函数峰值的位置，τ是函数变量，应变量g⁽²⁾(τ)根据时间延迟τ的不同取值有不同的值。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的基于赝热光二阶关联性的测距***的结构示意图。

图2是本发明的另一个较佳实施例的基于赝热光二阶关联性的测距***的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一个较佳实施例中，基于赝热光二阶关联性的测距***包括赝热光源模块、分束器、探测模块、发射装置、接收装置和测距模块，所述探测模块包括探测器1、探测器2，其中，所述赝热光源模块发出光束，所述光束经过所述分束器分成两路，其中一路被所述探测器1接收；另外一路通过所述发射装置准直扩束并照射目标物体，所述目标物体反射回波光束被所述接收装置接收，并输入到所述探测器2；所述探测器1的输出作为参考信号光子，所述探测器2的输出作为测量信号光子，所述探测器1的输出和所述探测器2的输出发送至所述测距模块，所述测距模块输出所述目标物体相对所述测距***的距离。

本实施例中测距模块的符合测量算法思路为：在一路时间序列标签中每个标签值上加上某个延时τ，选取另外一路的时间标签序列作为基准，将其中每一个时间标签作为一个时间区间的中点，而时间区间的长度即为符合门宽。在每一个时间区间内搜索有延时τ的那路的时间标签，若有时间标签落入区间内，则记符合数加一。搜索完信号路所有的时间标签后，即得到某个延时τ下的符合数n(τ)，并根据方程

计算这个延时τ下归一化的时间二阶相干函数g⁽²⁾(τ)，完成一次符合计算。调整延时τ重新计算符合数，重新进行符合计算，直到满足曲线拟合所需的样本点数。

采用曲线拟合算法来计算峰值所对应的延迟变化量Δτ由，旋转毛玻璃所形成的赝热光场具有如下的二阶关联函数表达式： $g^{\left(2\right)}\left(\mathrm{\τ}\right)=1+{\left(\frac{f}{1+f}\right)}^2{e}^{-{(\mathrm{\τ}-\mathrm{\Δ\τ})}^2/p^2}+\frac{2f}{{(1+f)}^2}{e}^{-{(\mathrm{\τ}-\mathrm{\Δ\τ})}^2/q^2}$ 式中，f为热光与相干光场光强比值，p为热光线宽参数，q为相干光线宽参数；Δτ为二阶关联函数峰值的位置；选择上式作为待拟合函数，根据符合算法所得到的离散样本点，通过拟合算法，即可拟合出延迟变化量Δτ的值，采用数据拟合算法，***最终分辨率可逼近前端单光子探测器的时间分辨率，大幅提高了***性能。

如图2所示，其中，所述赝热光源模块包括可调衰减器、透镜、毛玻璃、针孔；通过波长为780nm的半导体激光器发出连续激光首先经过所述可调衰减器，然后经过所述透镜，汇聚至所述毛玻璃的表面，所述毛玻璃是旋转的，激光束通过所述旋转的毛玻璃产生赝热光，所述赝热光通过所述针孔输出，所述针孔实现空间滤波，使得所述赝热光通过所述针孔以后具有相同的空间特性，以减小空间关联对时间关联的影响。激光器选用波长为780nm的连续激光，经过衰减之后由一组透镜精确的汇聚到高速旋转的毛玻璃上来得到所需要的赝热光。其中选取毛玻璃的半径为9cm，其转速10转每秒。随后，产生的赝热光经过放置在毛玻璃后面的针孔后，通过一个50:50的分束器将光束分为测量信号光子和参考信号光子两路，并分别将其耦合到传输光纤中，利用带光纤尾纤的单光子探测器来收集两路光子，并通过时间分辨率为1ps的高速采集电路记录两路光子到达时间，生成的时间序列传输到测距模块，并根据算法计算距离。在本实施例中，为了减少背景辐射对探测结果的影响，采用了中心波长为780±2nm，带宽为10±2nm，峰值透过率最低为50%的窄带干涉滤波片进行滤波，为获得最佳的滤波效果应保证信号光垂直入射到窄带滤波片表面，如果入射光以偏斜的角度入射到滤光片表面时，会导致滤波片透射率峰值所对应的波长向短波长方向移动，并且透射波段的形状会发生变化，显然，峰值波长的大幅度变化及通带形状的扭曲会导致在原本设计的通带范围内透过率明显下降。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的权利要求保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于赝热光二阶关联性的测距***，包括赝热光源模块、分束器、探测模块、发射装置、接收装置和测距模块，所述探测模块包括探测器(1)、探测器(2)，其中，所述赝热光源模块发出光束，所述光束经过所述分束器分成两路，其中一路被所述探测器（1）接收；另外一路通过所述发射装置准直扩束并照射目标物体，所述目标物体的反射回波光束被所述接收装置接收，并输入到所述探测器（2）；所述探测器（1）输出参考信号的光电脉冲，所述探测器（2）输出测量信号的光电脉冲，所述参考信号的光电脉冲和测量信号的光电脉冲发送至所述测距模块，所述测距模块输出所述目标物体相对所述测距***的距离。

2.根据权利要求1所述的一种基于赝热光二阶关联性的测距***，其特征在于，所述测距模块采用符合测量算法和曲线拟合算法，所述符合测量算法将所述探测器（1）和所述探测器（2）的输出进行信号序列符合计数并得到赝热光二阶关联曲线的样本点，所述曲线拟合算法通过赝热光场的理论公式将所述符合测量算法的得到的一系列样本点拟合成为一条光滑的曲线，并输出所述目标物体相对所述测距***的距离。

3.根据权利要求1所述的一种基于赝热光二阶关联性的测距***，其特征在于，所述参考信号的光电脉冲和测量信号的光电脉冲到达所述测距模块的时间分别为t₁和t₂，所述距离为L，可以表示为：

c为光传播的速度。

4.根据权利要求1所述的一种基于赝热光二阶关联性的测距***，其特征在于，所述赝热光源模块包括可调衰减器、透镜、毛玻璃、针孔；通过波长为780nm的半导体激光器发出连续激光首先经过所述可调衰减器，然后经过所述透镜，汇聚至所述毛玻璃的表面，所述毛玻璃是旋转的，激光通过所述旋转的毛玻璃产生赝热光，所述赝热光通过所述针孔输出，所述针孔实现空间滤波，使得所述赝热光通过所述针孔以后具有相同的空间特性，以减小空间关联对时间关联的影响。

5.根据权利要求4所述的一种基于赝热光二阶关联性的测距***，其特征在于，所述旋转的毛玻璃由马达带动，调节所述马达转速即可改变所述毛玻璃的转动角速度，从而加速或者降低毛玻璃表面光斑处的线速度。

6.根据权利要求1所述的一种基于赝热光二阶关联性的测距***，其特征在于，所述探测模块还包括对光束进行滤波和耦合的装置，所述滤波和耦合的装置有两路，所述赝热光源模块发出光束，所述光束经过所述分束器分成两路，其中一路经过所述滤波和耦合装置中的一路被所述探测器（1）接收；另外一路通过所述发射装置准直扩束并照射目标物体，所述目标物体反射回波光束被所述接收装置接收，并经过所述滤波和耦合装置中的另一路输入到所述探测器（2）；所述探测器（1）的输出作为参考信号，所述探测器（2）的输出作为测量信号。

7.根据权利要求6所述的一种基于赝热光二阶关联性的测距***，其特征在于，所述滤波和耦合的装置采用了中心波长为780±2nm，带宽为10±2nm，峰值透过率最低为50%的窄带干涉滤波片进行滤波。

8.根据权利要求1所述的一种基于赝热光二阶关联性的测距***，其特征在于，所述探测模块还包括高速采集电路，所述探测器（1）和（2）的输出经过所述高速采集电路记录所述参考信号的光电脉冲和测量信号的光电脉冲到达所述测距模块的时间。

9.根据权利要求2所述的一种基于赝热光二阶关联性的测距***，其特征在于，所述符合测量算法为在测量信号时间序列标签中每个标签值上加上延时τ₀+iτ，选取参考信号的时间标签序列作为基准，将参考信号时间标签序列中每一个时间标签作为一个时间区间的中点，而时间区间的长度即为符合门宽，在每一个参考信号的时间区间内搜索具有延时τ₀+iτ的测量信号的时间标签，若有测量信号的时间标签落入区间内，则记符合数加一；搜索完信号路所有的时间标签后，即得到延时τ₀+iτ下的符合数n(τ)，并根据方程

计算这个延时τ₀+iτ下归一化的时间二阶相干函数g⁽²⁾(τ)，完成一次符合计算，即得到一个样本点，调整i的取值，计算所有的样本点；其中τ₀为测量起点，i为样本点个数。

10.根据权利要求2所述的一种基于赝热光二阶关联性的测距***，其特征在于，所述曲线拟合算法采用的所述赝热光场理论公式为：

$g^{\left(2\right)}\left(\mathrm{\τ}\right)=1+{\left(\frac{f}{1+f}\right)}^2{e}^{-{(\mathrm{\τ}-\mathrm{\Δ\τ})}^2/p^2}+\frac{2f}{{(1+f)}^2}{e}^{-{(\mathrm{\τ}-\mathrm{\Δ\τ})}^2/q^2}$ 式中，f为所述赝热光与相干光场光强比值，p为所述赝热光的线宽参数，q为所述相干光线宽参数；Δτ为二阶关联函数峰值的位置，τ是函数变量，应变量g⁽²⁾(τ)根据时间延迟τ的不同取值有不同的值。

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