专利名称：基于皮秒脉冲的高精度激光测距装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于皮秒脉冲的高精度激光测距装置，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，传统的激光测距系统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Δ识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
2 η，所以距离d、光波往返相位差Δ(ρ和光波波长λ之间存在一定的关系d。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，本发明提供了基于皮秒脉冲的高精度激光测距装置，所述的高精度是指对几十千米远的距离目标进行测量精度达到1毫米。所述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113、望远镜4、光电转换器I 5、光电转换器116、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113、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113与光电转换器116连接；光电转换器116与计时器8连接；计
4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^6nm、355nm、532nm或1064nm可调；脉宽为 20ps、60ps或IOOps可调；脉冲重复频率为IOHz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12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116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 2分为两部分，其中的99%的激光经分束器113 后由望远镜4发射出去，用于辐照目标；其中的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113进入光电转换器116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 ；在计算机12中，根据测距系统与目标之间的距离公式
Γ ^ cT cNtR=—=——
2 2计算得到测距系统与目标之间的距离R ；公式中，c为光在介质中的传播速度；计算得到测距系统与目标之间的距离R可以通过显示器10显示，或者打印出来。所述的软件流程图如图2所示。结合硬件介绍软件流程并说明本发明的基于皮秒脉冲激光的高精度激光测距方法的步骤如下执行步骤21，开始，初始化；执行步骤22，计算机12给控制器11发出指令，激光器1发射激光脉冲；执行步骤23，计算机12给延时器7发出延时时间指令，作为延时器7实际运行中的延时时间指令，本发明的测距装置正式进入工作状态；激光器1输出的激光被分束器I 2分为两部分，其中的99%的激光经分束器113 后由望远镜4发射出去，用于辐照目标；其中的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；执行步骤M，望远镜4接收回波信号，回波信号经分束器113进入光电转换器116 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 ；在计算机12中，根据测距系统与目标之间的距离公式
Γ ^ cT cNtR=—=——
2 2计算得到测距系统与目标之间的距离R ；公式中，c为光在介质中的传播速度；执行步骤25，计算得到测距系统与目标之间的距离R可以通过显示器10显示，或者打印出来；执行步骤沈，计算机12给控制器11 一个指令，控制激光器1继续或者停止工作。执行步骤27，结束。有益效果本发明结合了皮秒脉冲激光技术，高速光电探测技术，采用皮秒脉冲激光器作为激光发射源，高速PIN光电探测器作为接收单元。基于皮秒脉冲的高精度激光测距装置对几十千米远的距离目标进行测量精度达到1毫米；本发明所选用激光光源脉宽为皮秒量级，脉宽窄，脉冲前沿上升时间短，使得测距精度比传统的纳秒脉冲激光测距技术提高了 1000倍；由于激光光源以脉冲模式工作，激光发射功率密度高，兼顾了测量距离远、测距精度高的优点。本发明结构设计巧妙，简单适用。本发明可应用于航空航天、海洋考察以及远距离高精度的测量。


图1是本发明基于皮秒脉冲的高精度激光测距装置的整体结构框图。图2是本发明基于皮秒脉冲的高精度激光测距装置的流程图。
具体实施例方式实施例1本发明的基于皮秒脉冲的高精度激光测距装置，所述的高精度是指对几十千米远的距离目标进行测量精度达到1毫米；所述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113、望远镜4、光电转换器I 5、光电转换器116、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113、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113与光电转换器116连接；光电转换器116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采用的是Nd: YAG皮秒脉冲激光器，激光波长为1064nm ；脉宽为20ps ；脉冲重复频率为IOHz ；光束发散角0.4毫弧度；单脉冲能量为毫焦量级；分束器I 2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116 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 2分为两部分，其中的99%的激光经分束器113 后由望远镜4发射出去，用于辐照目标；其中的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113进入光电转换器116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 ；在计算机12中，根据测距系统与目标之间的距离公式
权利要求
1.基于皮秒脉冲的高精度激光测距装置，所述的高精度是指所述的测距装置对几十千米远的距离目标进行测量精度达到1毫米，其特征在于，其包括激光器(1)、分束器I (2)、分束器II (3)、望远镜(4)、光电转换器I (5)、光电转换器II (6)、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(1 ；其中，激光器(1)在其输出光束的光轴上依次与分束器I ( 、分束器II (3)、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II (3) 与光电转换器11(6)连接；光电转换器11(6)与计时器⑶连接；计时器⑶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IOOps可调；脉冲重复频率为IOHz或20Hz可调；光束发散角0. 4毫弧度；单脉冲能量为毫焦量级；激光器(1)采用的是皮秒脉冲激光器；分束器I 00)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II (6)均采用响应时间小于12ps的高速PIN光电探测器；计算机(1 中存储有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(1 能进行人机交互、信号处理、控制和数据计算；计算机(1 给控制器(U)发出指令，激光器(1)发射激光脉冲；计算机(1 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1( 分为两部分，其中的99%的激光经分束器II (3) 后由望远镜⑷发射出去，用于辐照目标；其中的的激光由光电转换器1(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II C3)进入光电转换器11(6)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⑶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)；在计算机(12)中，根据测距系统与目标之间的距离公式
2.如权利要求1所述的基于皮秒脉冲激光的高精度激光测距装置，其特征在于，所述的激光器(1)采用的是Nd:YAG皮秒脉冲激光器，其波长为1064nm，脉宽20ps，脉冲重复频率IOHz，光束发散角0. 4毫弧度。
3.如权利要求1所述的基于皮秒脉冲激光的高精度激光测距装置，其特征在于，所述的激光器(1)采用的是Nd:YAG皮秒脉冲激光器，波长为266nm。
4.如权利要求1所述的基于皮秒脉冲激光的高精度激光测距装置，其特征在于，所述的激光器(1)采用的是Nd:YAG皮秒脉冲激光器，波长为355nm。
5.如权利要求1所述的基于皮秒脉冲激光的高精度激光测距装置，其特征在于，所述的激光器(1)采用的是Nd:YAG皮秒脉冲激光器，波长为532nm。
6.如权利要求1所述的基于皮秒脉冲激光的高精度激光测距装置，其特征在于，所述的激光器(1)采用的是Nd:YAG皮秒脉冲激光器，脉宽为60ps。
7.如权利要求1所述的基于皮秒脉冲激光的高精度激光测距装置，其特征在于，所述的激光器(1)采用的是Nd:YAG皮秒脉冲激光器，脉宽为lOOps。
8.如权利要求1所述的基于皮秒脉冲激光的高精度激光测距装置，其特征在于，所述的激光器(1)采用的是Nd:YAG皮秒脉冲激光器，脉冲重复频率为20Hz。
全文摘要
本发明提供了基于皮秒脉冲的高精度激光测距装置，结合了皮秒脉冲激光技术，高速光电探测技术，采用皮秒脉冲激光器作为激光发射源，高速PIN光电探测器作为接收单元。由于激光光源以脉冲模式工作，激光发射功率密度高，兼顾了测量距离远、测距精度高的优点。整套装置稳定可靠，对几十千米远的距离目标进行测量精度达到1毫米，使得测距精度比传统的纳秒脉冲激光测距技术提高了1000倍；本发明结构设计巧妙，简单适用，可应用于航空航天、海洋考察以及远距离高精度的测量。
文档编号G01S17/10GK102323591SQ20111022180
公开日2012年1月18日 申请日期2011年8月4日 优先权日2011年8月4日
发明者任玉, 史国权, 吕琼莹, 夏腾, 曹国华, 李丽娟, 蔡红星, 郭沫然, 高明希 申请人:长春理工大学