CN109901182B - 一种基于二阶强度关联函数的激光测距装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于二阶强度关联函数的激光测距装置及方法，包括激光发射***、光路***、光电信号探测***、激光信号处理与分析***；所述的光路***为一个分光计，所述的光电信号探测***为光电探测器；所述的分光计设置在激光发射***的出射光路上，所述的光电探测器设置在分光计的一个出射光路上，所述的目标设置分光计的另一个出射光路上，所述的激光信号处理与分析***与光电探测器信号连接。将传统方法中通过距离差实现时间延迟改为探测器两次探测事件之间的时间差作为延迟，大大简化了***的复杂性，降低了成本。同时该方法能够灵活地实现不同距离的精确探测。本发明结构简单，灵活适用，大大降低了成本。

Description

一种基于二阶强度关联函数的激光测距装置及方法
技术领域
本发明属于激光测距领域，涉及激光测距装置及方法，特别是一种基于二阶强度关联函数的激光测距装置及方法。
背景技术
激光测距技术是利用了激光的单色性、相干性、方向性和高亮度的特性，用于实现远距离、高精度测量。基于二阶关联函数的激光测距的原理是利用二阶关联函数对光反馈再次注入激光腔中后的激光动力学信号进行时域关联性分析，进而获得周期性反馈标志，通过公式
Figure GDA0003120666990000011
(c为光在真空中的速度，Δt为关联函数谱中周期性反馈之间的时间延迟)实现距离长度的测量。由于目前激光测距方法大多利用脉冲激光测距，其在短距离测量中精度比较高，但是在长远距离测量时由于噪声的影响回波信号容易被噪声所淹没而达不到远距离测量的要求。同时目前激光远距离测试方法很难保持高精度范围。
发明内容
为了解决目前技术上的缺点，本发明提供了一种灵活简便的高精度光学测距方法，通过对二阶关联函数谱的测量以及分析实现对远、近距离的高精度测量。
一种基于二阶强度关联函数的激光测距装置，包括激光发射***、光路***、光电信号探测***、激光信号处理与分析***；所述的光路***为一个分光计，所述的光电信号探测***为光电探测器；所述的分光计设置在激光发射***的出射光路上，所述的光电探测器设置在分光计的一个出射光路上，所述的目标设置分光计的另一个出射光路上，所述的激光信号处理与分析***与光电探测器信号连接。
一种基于二阶强度关联函数的激光测距装置的测距方法，该方法具体为：激光发射***发射出激光通过分光计分为两束传播方向不同的光，一束被光电探测器探测到，另一束射向目标；经目标反射的回波再次经过分光计其中一束对激光发射***进行二次激发，激光发射***经二次激发的激光通过分光计后被光电探测器探测到，光电探测器将两束光的光信号转化为电信号传送到信号处理与分析***，信号处理与分析***利用二阶关联函数对光反馈作用后的激光动力学信号进行时域关联性分析，进而获得周期性反馈标志，通过公式
Figure GDA0003120666990000021
实现距离长度的测量，其中c为光在真空中的速度，Δt为关联函数谱中周期性反馈之间的时间延迟。
所述的数据处理***利用二阶强度关联来分析处理，二阶强度关联的公式为:
Figure GDA0003120666990000022
公式中的时间延迟τ是光电探测器两次探测事件的时间差，根据探测器的带宽不同τ的取值不同。这里和传统单光子探测方法不同的是探测器每次探测是一定数目的光子。根据光子统计理论，如果激光发出的光是相干光，其强度关联在时域上始终等于1；如果激光发出的光是非相干的，其强度关联在时域上反应为由2到1的衰减。该方法中将激光器调到远大于激光阈值之上，探测距离大于激光的相干长度，因此光反馈会对激光在强度方面产生影响，在二阶关联函数谱上会有周期性反馈的标志出现。因此通过设计寻找周期性反馈标志，进而实现精确的距离长度测量。
所述的激光光源发射***使用连续波发射的半导体激光器，发射波长没有限制。
所述的光路***使用分光计将激光器发出的相干光分为不同方向的两束。
所述的光电信号探测模块在于激光器通过光反馈对发射强度作用后，放大的光电探测器对其时域上动力学信号进行采集，本实验中使用的光电探测器的带宽为10GHz，时域上两次探测之间的时间间隔为0.1ns。
所述的信号处理与分析***是基于二阶强度关联的方法，通过数理方法对光电探测器采集的信号进行计算，产生强度关联谱，通过测量强度关联谱中周期性反馈的时间差来精确计算所测距离的长度。
本发明的优点在于：本发明在传统二阶关联函数测量方法的基础上进行了实质性改进，将传统方法中的两个光子计数器或两个光电探测器改为一个；将传统方法中通过距离差实现时间延迟改为探测器两次探测事件之间的时间差作为延迟，大大简化了***的复杂性，降低了成本。同时该方法能够灵活地实现不同距离的精确探测。本发明结构简单，灵活适用，大大降低了成本。
附图说明
图1为本发明基于二阶关联函数的激光测距方法的结构示意图。
图2为本发明基于二阶关联函数的激光测距方法的时域相关程度示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细介绍说明。
本发明提供一种基于二阶强度关联的激光测距方法，结构如图1所示，包括激光光源发射***、光路***、光电信号探测***和信号处理与分析***。所述的激光光源发射***包括一个半导体激光器，激光器的电源，激光器的温度控制器；所述的光路***包括一个分光束器，将激光器发出的激光分为两束传播方向不同的相干光；所述的光电信号探测***包括一个放大的光电探测器，光电探测器用于接收光信号，并将光信号转换为电信号；所述的信号处理与分析***利用二阶关联函数来分析处理，使用的二阶关联的公式为：
Figure GDA0003120666990000041
具体测量方法为：打开半导体激光器1开关发射出激光光源，光束进入分光束器2，分光束器2将激光分为两路传播方向不同的两束光(如图1)，经过延迟T时间后再次光注入到激光腔中，进而引起激光辐射动力学性能的改变。光电探测器3放置在离激光很近的位置，由于测量距离远大于前者的距离，因此在探测时分光计2和光电探测器3的距离可以忽略不计。将采集后的信号通过转化为电信号传送到信号处理与分析***4。最后通过放大的光电探测器采集时域上的动力学信号，以探测器相邻两次探测之间的时间间隔为延迟τ计算二阶强度关联，信号处理与分析***利用二阶强度关联公式：
Figure GDA0003120666990000042
通过在强度关联谱中探测由反馈造成的强度峰来计算反馈延迟造成的时间Δt，最后利用距离公式
Figure GDA0003120666990000043
计算出测量距离。
附图2说明了时域上二阶强度关联程度随时间的变化，关联谱中第二个驰豫振荡为光反馈造成的，弛豫振荡中的最强峰与0时刻延迟时的最强峰时间间隔9ns。即光在由激光器和反馈障碍物组成的腔中经历一个来回需要9ns，从而算出所测距离为1.35m。

Claims (4)

1.一种基于二阶强度关联函数的激光测距装置，其特征在于：包括激光发射***、光路***、光电信号探测***、激光信号处理与分析***；所述的光路***为一个分光计，所述的光电信号探测***为光电探测器；所述的分光计设置在激光发射***的出射光路上，所述的光电探测器设置在分光计的一个出射光路上，目标设置在分光计的另一个出射光路上，所述的激光信号处理与分析***与光电探测器信号连接；
所述光电探测器的数量为1个。
2.根据权利要求1所述的一种基于二阶强度关联函数的激光测距装置的测距方法，其特征在于，该方法具体为：激光发射***发射出激光通过分光计分为两束传播方向不同的光，一束被光电探测器探测到，另一束射向目标；经目标反射的回波再次经过分光计其中一束对激光发射***进行二次激发，激光发射***经二次激发的激光通过分光计后被光电探测器探测到，光电探测器将两束光的光信号转化为电信号传送到信号处理与分析***，信号处理与分析***利用二阶关联函数对光反馈作用后的激光动力学信号进行时域关联性分析，进而获得周期性反馈标志，通过公式
Figure FDA0003120666980000011
实现距离长度的测量，其中c为光在真空中的速度，Δt为关联函数谱中周期性反馈之间的时间延迟。
3.根据权利要求2所述的一种基于二阶强度关联函数的激光测距装置的测距方法，其特征在于：所述的激光光源发射***使用连续波发射的半导体激光器。
4.根据权利要求2所述的一种基于二阶强度关联函数的激光测距装置的测距方法，其特征在于：所述的光电探测器的带宽为10GHz，时域上两次探测之间的时间间隔为0.1ns。
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