CN112816989A - 测距*** - Google Patents

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CN112816989A CN202110135562.7A CN202110135562A CN112816989A CN 112816989 A CN112816989 A CN 112816989A CN 202110135562 A CN202110135562 A CN 202110135562A CN 112816989 A CN112816989 A CN 112816989A
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Abstract

本申请涉及一种测距***，包括声光晶体、激光发射装置、超声波发射装置和信号接收处理装置，激光发射装置和信号接收处理装置分别设置于声光晶体的相对两侧，超声波发射装置与待测目标物分别设置于声光晶体的相对两侧，且激光发射装置与超声波发射装置位于声光晶体的相邻两侧；激光发射装置发射激光至声光晶体，超声波发射装置发射超声波至声光晶体，信号接收处理装置采集射入声光晶体的超声波与激光发生声光效应所产生的第一次的衍射光信号，以及采集到达待测目标物表面后返回的超声波与激光发生声光效应所产生的第二次的衍射光信号并获取采集的时间差，根据时间差和预设的超声传播速度得到测量距离。采用本申请，测量精度高且使用范围广。

Description

测距***
技术领域
本申请涉及测量技术领域，特别是涉及一种测距***。
背景技术
随着科技的发展，出现了非接触测量技术。非接触测量是以光电、电磁等技术为基础，在不接触被测物体表面的情况下，得到物体表面参数信息的测量方法。例如，对于非接触测量距离来说，基于飞行时间测量距离的主要包括超声测距和激光测距。
传统的超声测距的精度不高，误差较大，而激光测距虽然在测距精度上优于超声测距，但是由于激光针对于透明以及半透明物体测试效果不佳，激光在浑浊的液体、可见度不高以及有雾霾的大气中传播性不好，因此会限制激光测距的使用的范围。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高测量精度且使用范围广的测距***。
一种测距***，包括：声光晶体、激光发射装置、超声波发射装置和信号接收处理装置，所述激光发射装置和所述信号接收处理装置分别设置于所述声光晶体的相对两侧，所述超声波发射装置与待测目标物分别设置于所述声光晶体的相对两侧，且所述激光发射装置与所述超声波发射装置位于所述声光晶体的相邻两侧；
所述激光发射装置发射激光至声光晶体，所述超声波发射装置发射超声波至所述声光晶体，所述信号接收处理装置采集射入所述声光晶体的超声波与激光发生声光效应所产生的第一次的衍射光信号，以及采集经过所述声光晶体到达所述待测目标物表面后返回的超声波与所述声光晶体内的激光发生声光效应所产生的第二次的衍射光信号，并获取采集所述第一次的衍射光信号和第二次的衍射光信号的时间差，根据所述时间差和预设的超声传播速度得到测量距离。
上述测距***，通过将激光与超声波的声光效应应用到距离测量当中，将传统的超声测距和激光测距的优点融合在一起，首先，测得的测量距离是基于超声波传播，那么在相同飞行时间精度下，超声波的声速仅有光速的十万分之一，相对激光测距的精度也有很大幅度的提高；其次，以声光效应实现超声信号向光学信号转换，基于声光效应测距，超声波对色彩、光照度不敏感，可适用于识别透明、半透明及漫反射差的物体，可以用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强等恶劣环境测距，从而可以克服环境敏感问题，获得复杂环境下高精度的距离测量。因此，可以弥补超声测距精度不高以及激光测距对环境敏感的问题，测量精度高且使用范围广。
在其中一个实施例中，所述激光的入射方向和所述超声波的入射方向相互垂直。
在其中一个实施例中，所述激光发射装置为红外激光器。
在其中一个实施例中，所述超声波发射装置包括激励信号控制器和超声换能器，所述激励信号控制器连接所述超声换能器，所述超声换能器设置于所述声光晶体的与所述待测目标物相对的一侧；
所述激励信号控制器发送脉冲信号至所述超声换能器，所述超声换能器接收所述脉冲信号并发射超声波至所述声光晶体。
在其中一个实施例中，所述信号接收处理装置包括光电探测器和计算单元，所述光电探测器连接所述计算单元，所述光电探测器设置于所述声光晶体的与所述激光发射装置相对的一侧；
所述光电探测器接收所述第一次的衍射光信号并记录时间得到第一时刻，接收所述第二次的衍射光信号并记录时间得到第二时刻；所述计算单元根据所述第一时刻、所述第二时刻和所述超声传播速度计算得到测量距离。
在其中一个实施例中，上述测距***还包括光阑，所述光阑设置于所述激光发射装置和所述声光晶体之间，所述激光发射装置发射的激光经过所述光阑后射入所述声光晶体。
在其中一个实施例中，上述测距***还包括设置于所述信号接收处理装置之前的滤光组件，所述滤光组件用于对所述第一次的衍射光信号和所述第二次的衍射光信号进行滤波，所述信号接收处理装置采集经过所述滤光组件滤光后的衍射光信号。
在其中一个实施例中，所述滤光组件包括第一偏振片和第二偏振片，所述第一偏振片位于所述激光发射装置和所述声光晶体之间，所述第二偏振片位于所述声光晶体和所述信号接收处理装置之间。
在其中一个实施例中，上述测距***还包括透镜，所述透镜位于所述声光晶体和所述信号接收处理装置之间。
在其中一个实施例中，上述测距***还包括可调支架，所述超声波发射装置设置于所述可调支架。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一个实施例中测距***的结构示意图；
图2为另一个实施例中测距***的结构示意图；
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。此外，以下实施例中的“连接”，如果被连接的对象之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种测距***，包括：声光晶体110、激光发射装置130、超声波发射装置150和信号接收处理装置170；激光发射装置130和信号接收处理装置170分别设置于声光晶体110的相对两侧，超声波发射装置150与待测目标物200分别设置于声光晶体110的相对两侧，且激光发射装置130与超声波发射装置150位于声光晶体110的相邻两侧。比如，以声光晶体110为立体的六面体为例，包括上面、下面、前面、后面、左面和右面，激光发射装置130设置于声光晶体110的后面一侧，信号接收处理装置170设置于声光晶体110的前面一侧，超声波发射装置150设置于声光晶体110的左面一侧，待测目标物200设置于声光晶体110的右面一侧。
其中，激光发射装置130是可以发射激光的装置，超声波发射装置150是可以发射超声波的装置；声光晶体110是一种声光耦合介质，当激光穿过有超声场存在的声光晶体110时，声光晶体110的折射率由于超声场的作用产生周期性变化，类似形成一个相位光栅，当激光通过相位光栅会发生衍射作用，即，激光与超声波在声光晶体110内可以发生声光效应，产生衍射光信号。
信号接收处理装置170是一种可以探测光信号并处理的装置。具体地，激光发射装置130发射激光至声光晶体110，超声波发射装置150发射超声波至声光晶体110；信号接收处理装置170采集射入声光晶体110的超声波与激光发生声光效应所产生的第一次的衍射光信号，以及采集经过声光晶体110到达待测目标物200表面后返回的超声波与声光晶体110内的激光发生声光效应所产生的第二次的衍射光信号，并获取采集第一次的衍射光信号和第二次的衍射光信号的时间差，根据时间差和预设的超声传播速度得到测量距离。即，激光发射装置130发射激光至声光晶体110、超声波发射装置150发射超声波至声光晶体110后，激光与超声波在声光晶体110内发生声光效应产生衍射光信号作为第一次的衍射光信号，超声波经过声光晶体110后到达待测目标物200表面后返回，返回的超声波在声光晶体110内再次与激光发生声光效应产生衍射光信号作为第二次的衍射光信号；信号接收处理装置170采集第一次的衍射光信号和第二次的衍射光信号以及获取两次的时间差。具体地，信号接收处理装置170采集在一个脉冲超声周期内的两次衍射光信号。
具体地，信号接收处理装置170可以是记录接收第一次的衍射光信号的时间以及接收第二次的衍射光信号的时间，计算记录的两次时间的时间差。可以理解，信号接收处理装置170还可以是采用其他方式得到时间差，比如在接收到第一次的衍射光信号时开始计时，到接收到第二次的衍射光信号时停止计时，得到时间差。
测量距离是指与待测目标物200的距离。信号接收装置170可以是采用预设的计算模型计算得到测量距离。
上述测距***中，采用激光发射装置130、超声波发射装置150分别发射激光和超声波至声光晶体110，由信号接收处理装置170采集激光和超声波发生声光效应产生的第一次的衍射光信号以及超声波到达待测目标物200表面返回后与激光发生声光效应产生的第二次的衍射光信号，根据两次采集的时间差和预设的超声传播速度得到测量距离；通过将激光与超声波的声光效应应用到距离测量当中，将传统的超声测距和激光测距的优点融合在一起，首先，测得的测量距离是基于超声波传播，那么在相同飞行时间精度下，超声波的声速仅有光速的十万分之一，相对激光测距的精度也有很大幅度的提高；其次，以声光效应实现超声信号向光学信号转换，基于声光效应测距，超声波对色彩、光照度不敏感，可适用于识别透明、半透明及漫反射差的物体，可以用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强等恶劣环境测距，从而可以克服环境敏感问题，获得复杂环境下高精度的距离测量。因此，可以弥补超声测距精度不高以及激光测距对环境敏感的问题，测量精度高且使用范围广。
此外，传统中的激光测距由于激光传播速度非常快，如果要实现短距离高精度测量，则需要响应速度很快的光电探测器，成本较高。本申请的测距***在小距离的精确测距方面与传统的激光测距相比，具有成本低，结构简单的优势。
在其中一个实施例中，声光晶体110为声光优值高于预设值的声光晶体。其中，预设值可以根据实际需要具体设置为一个较高的声光优值。采用一个声光优值高的声光晶体作为超声波与激光产生声光效应具体是产生Bragg衍射的介质，声光优值高有助于提高耦合作用效率，提高衍射光信号强度，提高信号的信噪比。
在其中一个实施例中，激光的入射方向和超声波的入射方向相互垂直。具体地，可以调整超声波的声束出射方向，使得超声波声束与激光光束垂直，更好地产生声光效应。
在其中一个实施例中，激光发射装置130为红外激光器。红外激光器为发射红外激光的器件，红外激光光束的发散角小、亮度高，使用效果好。
在其中一个实施例中，如图2所示，上述测距***还包括光阑140，光阑140设置于激光发射装置130和声光晶体110之间，激光发射装置130发射的激光经过光阑140后射入声光晶体110。
通过直径很小的光阑140，只让激光光束中心部分通过，减小激光光束的直径，在提高激光光束的均匀性的同时，可以缩减超声波通过激光光束的时间，从而获得更加准确的时间点，提高采集信号的时间精度，进而提高距离测量的准确度。
具体地，光阑140可以为带有孔径可调的小孔的光阑，通过调节小孔的孔径，从而调整经过光阑140的激光光束的大小，操作方便。
在其中一个实施例中，参考图2，超声波发射装置150包括激励信号控制器151和超声换能器153，激励信号控制器151连接超声换能器153，超声换能器153设置于声光晶体110的与待测目标物200相对的一侧。
激励信号控制器151发送脉冲信号至超声换能器153，超声换能器153接收脉冲信号并发射超声波至声光晶体110。具体地，激励信号控制器151根据设置的控制参数完成对高压激励信号即脉冲信号的控制。通过采用激励信号控制器151控制超声换能器153发射超声波，结构简单。
在其中一个实施例中，参考图2，信号接收处理装置170包括光电探测器171和计算单元(图未示)，光电探测器171连接计算单元，光电探测器171设置于声光晶体110的与激光发射装置130相对的一侧。光电探测器171接收第一次的衍射光信号并记录时间得到第一时刻，接收第二次的衍射光信号并记录时间得到第二时刻；计算单元根据第一时刻、第二时刻和超声传播速度计算得到测量距离。
具体地，计算单元可以根据公式：
Figure BDA0002926785280000081
计算得到测量距离。其中，L为测量距离，V为超声传播速度，T2为第二时刻，T1为第一时刻。
利用光电探测器171探测经声光效应产生的衍射光信号得到由超声换能器153出射的超声波与激光在声光晶体110中作用的时间和经待测目标物200反射返回到声光晶体110的超声波与激光在声光晶体110的作用的时间差，得到超声波的飞行时间，并结合超声传播速度可以精确的测得待测目标物200的距离。通过光电探测器171来获取时间信息，相比于传统的超声探头，具有更快的响应速度以及更高的时间精度，因此基于声光效应测距相比于传统超声测距精度更高。
具体地，光电探测器171可以采用一个高频单点光电探测器，以精确获得入射的超声波以及返回的超声波先后与激光相互作用产生衍射光信号的时间点，提高测试精度。
在其中一个实施例中，上述测距***还包括设置于信号接收处理装置170之前的滤光组件，滤光组件用于对第一次的衍射光信号和第二次的衍射光信号进行滤波，信号接收处理装置170采集经过滤光组件滤光后的衍射光信号。通过采用滤光组件对衍射光信号进行过滤，具体是可以滤掉没有发生衍射的激光信号，从而增加衍射光信号的信噪比，提高光信号采集的准确度，从而提高距离测量的准确度。
在其中一个实施例中，请继续参考图2，滤光组件包括第一偏振片181和第二偏振片182，第一偏振片181位于激光发射装置130和声光晶体110之间，第二偏振片182位于声光晶体110和信号接收处理装置170之间。
具体地，激光发射装置130发射的激光经过第一偏振片181垂直进入声光晶体110，激光由声光晶体110出射经过第二偏振片182。进一步地，第一偏振片181和第二偏振片182的偏振方向垂直。通过使用两个偏振方向垂直的偏振片，根据激光的偏振度特性，没有参与声光效应部分的激光无法连续通过两个偏振方向垂直的偏振片，从而可以滤掉没有发生衍射的激光信号，减少入射激光对衍射光信号的影响，增加衍射光信号的信噪比。
在其中一个实施例中，激光发射装置130发射的激光的偏振度高于预设偏振度。即，激光发射装置130发射的激光有较高的偏振度，激光偏振度越高，经过两个偏振片后未参与声光效应的光信号越弱，***信噪比越高。
在其中一个实施例中，请继续参考图2，上述测距***还包括透镜190，透镜190位于声光晶体110和信号接收处理装置170之间。透镜190用于对声光晶体110出射的衍射光信号进行聚光，便于信号接收处理装置170进行采集。
在其中一个实施例中，上述测距***还包括可调支架，超声波发射装置150设置于可调支架。可调支架是可以调整位置的支架，具体地，可调支架为角度可以调整的支架。通过采用可调角度的支架来固定超声波发射抓滚至150，具体是固定超声换能器153，使得可以调整超声波进入声光晶体110的方向，使用便利性高。
如图2所示，以一个详细实施例对测距***进行使用步骤说明：
S1：红外激光器发射激光，激光经过一个光阑140，光阑140上带有孔径可调的小孔，并且小孔的直径可以调到很小，调整光束，使得激光光束通过光阑140可以变成直径与光阑140孔径的直径一致的激光光束；激光光束再通过第一偏振片181，变为具有一定偏振方向的偏振光垂直进入声光晶体110。
S2：调整第二偏振片182，通过激光功率计探测，当透过两个偏振片的功率最低即可，使得在没有超声波通过声光晶体110时，通过第二偏振片182的激光功率最低。
S3：开启激励信号控制器151产生一个脉冲信号给超声换能器153，通过激励信号控制器151给与超声换能器153一个脉冲激励信号，使得超声换能器153发出一个超声波，调整超声波的出射方向，使得超声波与激光垂直。
超声波进入声光晶体110中，在声光晶体110中超声波和激光发生声光效应并产生衍射光，从声光晶体110出射的衍射光信号通过第二偏振片182，滤掉没有发生声光效应的激光，衍射光信号通过透镜190进入光电探测器171，通过光电探测器171获取衍射光信号，同时记录采集时间T1。
S4：超声波经待测目标物200反射返回进入声光晶体110，第二次与激光产生声光效应，从声光晶体110出射的衍射光信号依次通过第二偏振片18、透镜190进入光电探测器171，通过光电探测器171获取衍射光信号，同时记录采集时间T2。
S5：最后通过计算单元计算测量距离为：
Figure BDA0002926785280000111
由于测得的测量距离是超声传播速度与测得超声波飞行时间的乘积的一半，那么在相同飞行时间精度下，超声传播速度仅有光速的十万分之一，对应相激光测距的精度也有很大幅度的提高。
在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种测距***，其特征在于，包括：声光晶体、激光发射装置、超声波发射装置和信号接收处理装置，所述激光发射装置和所述信号接收处理装置分别设置于所述声光晶体的相对两侧，所述超声波发射装置与待测目标物分别设置于所述声光晶体的相对两侧，且所述激光发射装置与所述超声波发射装置位于所述声光晶体的相邻两侧；
所述激光发射装置发射激光至声光晶体，所述超声波发射装置发射超声波至所述声光晶体，所述信号接收处理装置采集射入所述声光晶体的超声波与激光发生声光效应所产生的第一次的衍射光信号，以及采集经过所述声光晶体到达所述待测目标物表面后返回的超声波与所述声光晶体内的激光发生声光效应所产生的第二次的衍射光信号，并获取采集所述第一次的衍射光信号和第二次的衍射光信号的时间差，根据所述时间差和预设的超声传播速度得到测量距离。
2.根据权利要求1所述的测距***，其特征在于，所述激光的入射方向和所述超声波的入射方向相互垂直。
3.根据权利要求1所述的测距***，其特征在于，所述激光发射装置为红外激光器。
4.根据权利要求1所述的测距***，其特征在于，所述超声波发射装置包括激励信号控制器和超声换能器，所述激励信号控制器连接所述超声换能器，所述超声换能器设置于所述声光晶体的与所述待测目标物相对的一侧；
所述激励信号控制器发送脉冲信号至所述超声换能器，所述超声换能器接收所述脉冲信号并发射超声波至所述声光晶体。
5.根据权利要求1所述的测距***，其特征在于，所述信号接收处理装置包括光电探测器和计算单元，所述光电探测器连接所述计算单元，所述光电探测器设置于所述声光晶体的与所述激光发射装置相对的一侧；
所述光电探测器接收所述第一次的衍射光信号并记录时间得到第一时刻，接收所述第二次的衍射光信号并记录时间得到第二时刻；所述计算单元根据所述第一时刻、所述第二时刻和所述超声传播速度计算得到测量距离。
6.根据权利要求1所述的测距***，其特征在于，还包括光阑，所述光阑设置于所述激光发射装置和所述声光晶体之间，所述激光发射装置发射的激光经过所述光阑后射入所述声光晶体。
7.根据权利要求1所述的测距***，其特征在于，还包括设置于所述信号接收处理装置之前的滤光组件，所述滤光组件用于对所述第一次的衍射光信号和所述第二次的衍射光信号进行滤波，所述信号接收处理装置采集经过所述滤光组件滤光后的衍射光信号。
8.根据权利要求7所述的测距***，其特征在于，所述滤光组件包括第一偏振片和第二偏振片，所述第一偏振片位于所述激光发射装置和所述声光晶体之间，所述第二偏振片位于所述声光晶体和所述信号接收处理装置之间。
9.根据权利要求1所述的测距***，其特征在于，还包括透镜，所述透镜位于所述声光晶体和所述信号接收处理装置之间。
10.根据权利要求1所述的测距***，其特征在于，还包括可调支架，所述超声波发射装置设置于所述可调支架。
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