CN107390225A - 一种激光测距装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光测距装置及其使用方法，所述激光测距装置包括发射单元、反射镜、发射透镜、接收透镜及接收单元，所述激光测距装置还包括：至少一个分光镜，设于所述接收透镜与所述接收单元之间，每一所述分光镜依次布设于同一光学传播路径上；至少一个分光接收单元，与所述分光镜一一对应布设。本发明的技术方案测量范围较宽，适应不同距离的被测目标；无需多次反馈调节，可在短时间内完成测量数据获取，节约工作时间。

Description

一种激光测距装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及激光测距领域，尤其涉及一种激光测距装置及其使用方法。

背景技术

如今，现有的脉冲测距技术中，激光测距装置发射一路光信号到达被测目标后被反射回来。所述被测目标与激光测距装置的距离有远有近，当激光测距装置处理由近距离被测目标反射回来的光信号时，该光信号能量较强，使得光电接收器件转化所述光信号为脉冲信号时处于饱和状态，这样就无法测得其真正的距离。

现有技术采用对近距离被测目标反射的光信号进行衰减并不断反馈这类方式来逐步调节激光测距装置的发射强度，直至接收器件能在有效测量范围内采集数据，从而实现对近距离被测目标的测量。举例来说，传统的激光测距装置工作流程是从激光发射装置发射出激光，经过发射透镜，遇到测量物后反射回激光测距装置，透过接收透镜组，然后通过滤光片和聚光镜，滤光片将滤除非激光测距装置发射的外界杂光，聚光镜将接收到的光转化为近似平行光，最后通过光电转换元件将其转换为电信号进行处理。若所述光电转换元件转换的电信号不符合测量范围时，则所述激光测距装置的激光发射装置调整发射功率，减小激光的能量，再一次进行测试，直到所述光电转换元件转换的电信号符合测量范围。

然而，现有技术的主要缺陷是耗时较长，响应较慢，需要用几个甚至几十个脉冲才能达到有效测量范围。这一缺陷导致了现有技术的激光测距装置无法进行高速高精度的测量工作。

因此需要设计一种不需要多次测量反馈即可实现有效测量范围内对被测目标进行测距的激光测距装置。

发明内容

为了克服上述技术缺陷，本发明的目的在于提供一种激光测距装置及其使用方法，基于使用分光镜对光信号进行分光，同时对多路光信号进行接收并筛选，实现快速测量的技术效果。

本发明公开了一种激光测距装置，包括发射单元、反射镜、发射透镜、接收透镜及接收单元，所述激光测距装置还包括：至少一个分光镜，设于所述接收透镜与所述接收单元之间，每一所述分光镜依次布设于同一光学传播路径上；至少一个分光接收单元，与所述分光镜一一对应布设；所述发射单元发射一光信号，所述光信号经所述反射镜反射后通过所述发射透镜，到达一被测量目标；所述被测量目标反射所述光信号形成一返回光信号，所述返回光信号通过所述接收透镜后，被距离所述接收透镜最近的分光镜按照一分光比例分为透过所述分光镜的透射光信号和被所述分光镜反射的反射光信号；所述透射光信号沿所述光学传播路径依次通过其他分光镜，每通过一分光镜时，均产生一反射光信号；每一所述反射光信号被产生该反射光信号的反光镜对应的分光接收单元接收；所述透射光信号透过距离所述接收透镜最远的分光镜后被所述接收单元接收。

优选地，所述分光镜至少为两个，构成一分光阵列；通过所述分光镜的光学传播路径为直线；当所述返回光信号通过所述分光阵列时，透过各个分光镜的透射光信号的能量按照各个分光镜的分光比例逐级衰减。

优选地，所述激光测距装置包括3个所述分光镜及3个所述分光接收单元；各分光镜的分光比例为1:4。

优选地，所述分光镜的分光比例为1:1至1:10。

优选地，所述接收单元和分光接收单元为光电转换元件，将接收的光信号转换为电信号，所述电信号的幅度大小反映所述光信号的能量大小。

优选地，所述激光测距装置还包括分析单元，与所述接受单元和分光接受单元连接，内设一幅度阈值，比较所述接收单元及分光接收单元转换的电信号的幅度与所述幅度阈值的大小。

优选地，所述发射单元发射的光信号为脉冲信号。

本发明还公开了一种激光测距装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤S1：控制所述激光测距装置的发射单元发射一光信号，所述光信号经所述反射镜反射后通过所述发射透镜，到达一被测量目标；

步骤S2：所述被测量目标反射所述光信号形成一返回光信号，所述返回光信号通过所述接收透镜后，被距离所述接收透镜最近的分光镜按照一分光比例分为透过所述分光镜的透射光信号和被所述分光镜反射的反射光信号；

步骤S3：所述透射光信号沿所述光学传播路径依次通过其他分光镜，每通过一分光镜时，均产生一反射光信号；

步骤S4：每一所述反射光信号被产生该反射光信号的反光镜对应的分光接收单元接收并转换为电信号；

步骤S5：所述透射光信号透过距离所述接收透镜最远的分光镜后被所述接收单元接收并转换为电信号；

步骤S6：所述分析单元依次判断所述分光接收单元及所述接收单元转换的电信号的幅度是否小于一幅度阈值；

步骤S7：若所述分光接收单元及所述接收单元转换的电信号中至少一个电信号的幅度小于所述幅度阈值，则选择小于所述幅度阈值的电信号中幅度最大的一路电信号作为测量数据。

采用了上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下有益效果：

1.测量范围较宽，适应不同距离的被测目标；

2.无需多次反馈调节，可在短时间内完成测量数据获取，节约工作时间。

附图说明

图1为符合本发明一优选实施例中激光测距装置的结构示意图；

图2为符合本发明一优选实施例中激光测距装置的使用方法流程示意图。

附图标记：

1-接收透镜、2-发射透镜、3-反射镜、4-发射单元、5-滤光单元、6-聚光透镜、7-分光镜、8-接收单元、9-分光接收单元。

具体实施方式

以下结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的优点。

参阅图1，为符合本发明一优选实施例中激光测距装置的结构示意图。所述激光测距装置包括发射单元4、反射镜3、发射透镜2、接收透镜1、滤光单元5、聚光透镜6、分光镜7、接收单元8以及分光接收单元9。

所述发射单元4能够发出脉冲式的光信号，可以是激光发射器，并且可以调节发射功率，改变所发出的光信号的能量。所述反射镜3具有全反射镜面，将所述发射单元4所发出的光信号反射至所述发射透镜2。所述光信号通过所述发射透镜2后到达一被测量目标，所述被测量目标反射所述光信号，形成返回光信号。所述返回光信号返回所述激光测距装置所在的位置，穿过所述接收透镜1，本实施例中，所述接收透镜1有两个，他们搭配使用使得所述返回光信号处于易于接收的状态，例如使所述反射光信号汇聚，能量更加集中。穿过所述接收透镜1的返回光信号之后穿过所述滤光单元5，所述滤光单元5可以是滤光片，滤除非激光测距装置发射的外界杂光。穿过所述滤光单元5的返回光信号继续穿过所述聚光透镜6，所述聚光透镜6为凸透镜，将接收到的返回光信号转化为平行或近似平行的反射光信号。所述滤光单元5和聚光透镜6并不是本发明实施所必须的部件，本实施例中它们的应用能够使所述返回光信号更好地被接收。

本实施例中，所述激光测距装置包括3个分光镜，设于所述聚光透镜6和所述接收单元8之间，组成一分光阵列；所述返回光信号按照一光学传播路径通过所述分光阵列后被所述接收单元8接收，所述光学传播路径是直线，即一束光可以透过所述分光阵列中的所有分光镜7，不改变传播方向。调整所述分光阵列中所述分光镜7的排布方向，所述光学传播路径也可以是折线，即所述光束通过每一分光镜7时，按照一定角度折射穿透所述分光镜7。所述分光镜7具备分光功能，按照一分光比例将通过所述分光镜7的返回光信号分为透过所述分光镜7的透射光信号和被所述分光镜7反射的反射光信号。即所述分光镜7接收到返回光信号后，既允许部分所接收的返回光信号通过，又反射部分所接收的返回光信号。对于单个分光镜7而言，所述分光比例为透过所述分光镜7的透射光信号的能量和被所述分光镜7反射的反射光信号的能量的比值；本实施例中每个分光镜7的分光比例相同，所述分光比例为1:4。

本实施例中，来自所述聚光透镜6的返回光信号首先通过所述分光阵列中距离所述聚光透镜6最近的一个分光镜7，所述返回光信号被该分光镜7分为透过该分光镜7的透射光信号和被该分光镜7反射的反射光信号，所述透射光信号保持所述返回光信号的传播方向，继续通过下一个分光镜7，在此基础上继续被分光，最后一个分光镜7亦是如此。整体来看，所述分光阵列接收来自所述聚光透镜6的返回光信号后，共产生了4组光信号，其中3组反射光信号分别由3个所述分光镜反射而成，最后一组透射光信号为所述返回光信号连续透过3个分光镜7逐级衰减后所剩余的返回光信号。透过所述分光阵列中距离所述聚光头颈6最远的分光镜7的透射光信号最终被所述接收单元8接收，所述接收单元8为光电转换元件，例如雪崩光电二极管(APD)，将所接收的光信号转换为电信号，以便后续处理。

所述激光测距装置还包括3个分光接收单元9，所述分光接收单元9与所述分光镜7一一对应布设。每一分光接收单元9设于其对应的分光镜7所反射的反射光信号的传播路径上，接收所述反射光信号。所述分光接收单元9也是光电转换元件。

本实施例中，所述分光比例为1:4，即对于一个分光镜7，所接收的返回光信号中20％的能量透过去了，80％的能量被反射。因此，所述接收单元8以及各个分光接收单元所收到的反射光信号的能量比例是可以计算的。假设来自所述聚光透镜6的返回光信号的能量为100％，不考虑其他形式的能量损失，所述返回光信号通过第一个分光镜7时，80％的能量被其对应的分光接收单元9接收，20％的能量透过该分光镜7并到达第二个分光镜7。所述第二个分光镜7将接收的20％的能量中的80％反射，也就是总比例的16％反射至其对应的分光接收单元9，剩余的4％透过所述第二个分光镜7，到达第三个分光镜7。所述第三个分光镜7反射的能量比例为3.2％，而只有0.8％的能量透过所述第三个分光镜被所述接收单元8接收。因此，3个分光接收单元9以及所述接收单元8构成了有层次的能量接收比例，所述激光测距装置可以根据实际使用情况来决定采用哪个分光接收单元9或接收单元8的测量数据，以实现在较短的测量时间内得到较为准确的测量数据。所述分光接收单元9或接收单元8所接收的光信号的能量最好在一定范围内，才能确保其测量数据准确，若光信号能量过高或过低都会影响测量数据的准确性。所述被测量目标与所述激光测距装置的距离会经常变化，当所述被测量目标与所述激光测距装置距离较近时，所述被测量目标反射形成的返回光信号的能量较大，因而所述返回光信号通过所述分光阵列形成的各反射光信号及透射光信号的能量也较大，为了避免光信号能量太强导致所述接收单元8或分光接收单元9处于饱和工作状态，可以选用能量比例较低的分光接收单元9或者是所述接收单元8所转换的电信号。相反地，当所述被测量目标与所述激光测距装置距离较远时，所述返回光信号通过所述分光阵列形成的各反射光信号及透射光信号的能量也较小，优选采用距离所述聚光透镜6最近的分光镜7所接收的光信号，最大限度地利用返回光信号的能量，保证测量数据准确。所述激光测距装置对所述分光接收单元9或接收单元8的选择实现手段及方法流程在下文阐述。

本实施例中所述激光测距装置还包括分析单元，与所述接受单元8和分光接受单元9连接，内设一幅度阈值，比较所述接收单元8及分光接收单元9转换的电信号的幅度与所述幅度阈值的大小。所述接受单元8和分光接受单元9所转换的电信号为具有电压幅度的模拟量，所述电信号的幅度受所述接受单元8和分光接受单元9所接收的光信号的能量强度影响，光信号能量强度越大，所述接受单元8和分光接受单元9转换的电信号的电压幅度也就越大。所述分析单元为电学部件，并未在图1中标出，可设于所述激光测距装置专门集成电学部件的箱体内，减少被外界的干扰。所述分析单元可以包括多组模数转换电路，与所述接受单元8和分光接受单元9电连接，分别将所述接受单元8和分光接受单元9所转换的电信号转换为数字量，以便所述分析单元内的单片机采集所述数字量并进行运算分析。所述分析单元也可以是具备模拟量采样功能的单片机，所述接受单元8和分光接受单元9所转换的电信号经过调压后转换为所述单片机可接收的电压范围，再接入所述单片机的模拟量输入接口。所述单片机内存储有幅度阈值，所述幅度阈值可根据实验或实际应用的效果设定，目的是设定一个所述电信号幅度的有效界限。当所述电信号的幅度小于所述幅度阈值时，意味着所述电信号在此有效界限之内，可以作为测量数据采用。当所述电信号的幅度大于等于所述幅度阈值时，意味着所述电信号超过了此有效界限，不适合作为测量数据使用。

在本发明的其他实施例中，所述光信号还可以是红外线、可见光等光学波段。所述分光镜7和分光接收单元9的数量可以根据应用需求调整，所述分光镜7的分光比例也可以根据需求调整，调整范围为1:1至1:10，且不同分光镜7的分光比例也可以不同。所述分光镜7的分光方式还可以是单一的透光衰减分光方式，不含反射方式，或者是单一的反射方式，再或者是折射透光方式与反射方式的组合。

参阅图2，为符合本发明一优选实施例中激光测距装置的使用方法流程示意图，所述使用方法用于本发明涉及的激光测距装置，包括以下步骤：

步骤S1：控制所述激光测距装置的发射单元4发射一光信号，所述光信号经所述反射镜3反射后通过所述发射透镜2，到达一被测量目标。

本步骤完成光信号的发射，所述激光测距装置的发射单元4发射一光信号，所述光信号可以是脉冲信号。所述发射单元4发射的光信号并不直接朝着被测量目标的方向，还需经所述反射镜3反射为朝着被测量目标的方向，而后再通过所述发射透镜2调整后到达所述被测量目标。

步骤S2：所述被测量目标反射所述光信号形成一返回光信号，所述返回光信号通过所述接收透镜1后，被距离所述接收透镜1最近的分光镜7按照一分光比例分为透过所述分光镜7的透射光信号和被所述分光镜7反射的反射光信号。

本步骤描述所述返回光信号的传播路径。所述光信号被所述被测量目标反射后形成所述返回光信号，所述返回光信号的传播路径朝向所述激光测距装置，穿过所述接收透镜1后，被所述分光镜7分光。所述返回光信号被分为透过所述分光镜7的透射光信号和被所述分光镜7反射的反射光信号。所述分光镜7分光时按照一分光比例，所述分光比例即透过所述分光镜7的光信号的能量和被所述分光镜7反射的光信号的能量之比。在本发明其他实施例中，所述接收透镜1和所述分光镜7之间还可设有滤光单元5和聚光透镜6。

步骤S3：所述透射光信号沿所述光学传播路径依次通过其他分光镜7，每通过一分光镜时，均产生一反射光信号。

本步骤描述了所述透射光信号的传播路径，即来自所述接收透镜1的返回光信号通过距离所述接收透镜1最近的分光镜7后产生一透射光信号，所述透射光信号保持直线传播路径，继续通过设于该传播路径上的其他分光镜7，每通过一个分光镜7，均会产生一反射光信号和下一个透射光信号。

步骤S4：每一所述反射光信号被产生该反射光信号的反光镜7对应的分光接收单元9接收并转换为电信号。

本步骤中每一分光镜7产生的反射光信号均被与该分光镜7对应的分光接收单元9接收。所述分光接收单元9的数量与所述分光镜7一一对应，确保每一反射光信号均可被接收。所述分光接收单元9将接收的光信号转换为电信号，以便后续处理。

步骤S5：所述透射光信号透过距离所述接收透镜1最远的分光镜7后被所述接收单元8接收并转换为电信号。

本步骤中，距离所述接收透镜1最远的分光镜7也就是所述透射光信号的传播路径上最后一个通过的分光镜7。此时所述透射光信号经过多个分光镜7，其能量已按照分光比例逐级衰减，最终被所述接收单元8接收。

步骤S6：所述分析单元依次判断所述分光接收单元9及所述接收单元8转换的电信号的幅度是否小于一幅度阈值。

本步骤中，所述分析单元对所述分光接收单元9及所述接收单元8转换的电信号的幅度进行判断，与一幅度阈值进行比较。本步骤的目的是找出幅度小于所述幅度阈值的电信号。

步骤S7：若所述分光接收单元9及所述接收单元8转换的电信号中至少一个电信号的幅度小于所述幅度阈值，则选择小于所述幅度阈值的电信号中幅度最大的一路电信号作为测量数据。

当步骤S6的判断条件满足时，存在至少一个电信号的幅度小于所述幅度阈值，则执行本步骤。本步骤中，选取符合条件的各路电信号中幅度最大的一路电信号作为测量数据。因为在满足幅度阈值的情况下，所述电信号的幅度越大，其测量误差及数值范围可读性就越好，有利于得到最准确的测量结果。

应当注意的是，本发明的实施例有较佳的实施性，且并非对本发明作任何形式的限制，任何熟悉该领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容变更或修饰为等同的有效实施例，但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改或等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种激光测距装置，包括发射单元、反射镜、发射透镜、接收透镜及接收单元，其特征在于，所述激光测距装置还包括：

至少一个分光镜，设于所述接收透镜与所述接收单元之间，每一所述分光镜依次布设于同一光学传播路径上；

至少一个分光接收单元，与所述分光镜一一对应布设；

所述发射单元发射一光信号，所述光信号经所述反射镜反射后通过所述发射透镜，到达一被测量目标；

所述被测量目标反射所述光信号形成一返回光信号，所述返回光信号通过所述接收透镜后，被距离所述接收透镜最近的分光镜按照一分光比例分为透过所述分光镜的透射光信号和被所述分光镜反射的反射光信号；

所述透射光信号沿所述光学传播路径依次通过其他分光镜，每通过一分光镜时，均产生一反射光信号；

每一所述反射光信号被产生该反射光信号的反光镜对应的分光接收单元接收；

所述透射光信号透过距离所述接收透镜最远的分光镜后被所述接收单元接收。

2.如权利要求1所述的激光测距装置，其特征在于，

所述分光镜至少为两个，构成一分光阵列；

通过所述分光镜的光学传播路径为直线；

当所述返回光信号通过所述分光阵列时，透过各个分光镜的透射光信号的能量按照各个分光镜的分光比例逐级衰减。

3.如权利要求2所述的激光测距装置，其特征在于，

所述激光测距装置包括3个所述分光镜及3个所述分光接收单元；

各分光镜的分光比例为1:4。

4.如权利要求1或2所述的激光测距装置，其特征在于，

所述分光镜的分光比例为1:1至1:10。

5.如权利要求1-3任一项所述的激光测距装置，其特征在于，

所述接收单元和分光接收单元为光电转换元件，将接收的光信号转换为电信号，所述电信号的幅度大小反映所述光信号的能量大小。

6.如权利要求1-3任一项所述的激光测距装置，其特征在于，

所述激光测距装置还包括分析单元，与所述接受单元和分光接受单元连接，内设一幅度阈值，比较所述接收单元及分光接收单元转换的电信号的幅度与所述幅度阈值的大小。

7.如权利要求1-3任一项所述的激光测距装置，其特征在于，

所述发射单元发射的光信号为脉冲信号。

8.一种激光测距装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：控制所述激光测距装置的发射单元发射一光信号，所述光信号经所述反射镜反射后通过所述发射透镜，到达一被测量目标；

步骤S2：所述被测量目标反射所述光信号形成一返回光信号，所述返回光信号通过所述接收透镜后，被距离所述接收透镜最近的分光镜按照一分光比例分为透过所述分光镜的透射光信号和被所述分光镜反射的反射光信号；

步骤S3：所述透射光信号沿所述光学传播路径依次通过其他分光镜，每通过一分光镜时，均产生一反射光信号；

步骤S4：每一所述反射光信号被产生该反射光信号的反光镜对应的分光接收单元接收并转换为电信号；

步骤S5：所述透射光信号透过距离所述接收透镜最远的分光镜后被所述接收单元接收并转换为电信号；

步骤S6：所述分析单元依次判断所述分光接收单元及所述接收单元转换的电信号的幅度是否小于一幅度阈值；

步骤S7：若所述分光接收单元及所述接收单元转换的电信号中至少一个电信号的幅度小于所述幅度阈值，则选择小于所述幅度阈值的电信号中幅度最大的一路电信号作为测量数据。