CN1308700C - 电光调制激光测距方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种电光调制激光测距方法及其装置，该方法是利用激光的偏振特性作为信息载体来进行激光测距：利用单轴晶体的横向电光效应，配合偏振分光器和偏振检偏器，在单轴晶体上平行光轴方向施加半波电压时，利用其扭转线偏振光偏振方向90°的特性，提取出一个以激光往返待测距离所需时间t为脉宽的光脉冲。本发明克服了现有测距方法由光电转换过程和电路系统本身引入的误差。本发明结构简单易行，操作方便，不受环境影响，抗干扰能力强，测量距离范围广，最近可测几米的距离，在激光器能量较高的情况下，最远可测10千米的距离。测量精度高，可达到厘米级的测量精度。

Description

电光调制激光测距方法及其装置

技术领域

本发明涉及激光测距，特别是一种电光调制激光测距方法及其装置，可应用于工农业生产、军事、通信、遥感等诸多领域。

背景技术

对距离的高精度测量是国家现代化建设诸多领域的关键技术之一。随着科技的发展，对距离测量的范围和精度要求越来越高。激光作为具有极高单色性、准直性、相干性的信息载体，成为了距离测量的首选工具。目前国内外先进的测距仪均利用激光作为信息载体来提高测距的精确度。

在先技术[1](参见Kozo Ohtani，Misuru Baba，A rangefindingapproach by detecting the position and the incident angle of alight-stripe，IEEE Instru.and Mea.Techno.Conf.2002)是一种几何光学的测距方法。激光器发射激光束，经目标反射后被PSD或CCD接收，然后根据接收到的光斑位置和激光器与接收器之间的几何位置关系，来计算目标与探测器之间距离。这种方法主要用于工业上的面型轮廓测量、2D/3D面型重构以及定位等，测量相对精度为0.85％左右，只能测很短的距离。随着距离的增加，精度急剧下降。

在先技术[2](参见Raimo Ahola，Risto Myllyla，A new method formeasuring the time-of-flight in fast laser range finding，[J].Proc.SPIE vol.654，pp19-，1986)是一种利用光脉冲飞行时间的测距方法。由脉冲激光器发出一持续时间很短的脉冲激光，称之为主波。经过待测距离L后射向被测目标，被目标反射回来的脉冲激光称之为回波，回波返回测距仪后被光电探测器接收，根据主波信号和回波信号之间的时间间隔，即激光脉冲从激光器发射到被目标反射回来的往返时间t，就可以算出待测目标的距离，即L＝ct/2，其中c为光速。这种方法除需要较高性能的激光器外，还需复杂的电路处理系统。首先要将部分主波光脉冲的能量转化为电脉冲，整形后经门控电路触发计数器，开始对时钟振荡器发出的时间脉冲个数进行计数；然后回波信号到达后被探测器再次转化为电信号，经过同样的电学处理过程，停止对时间脉冲信号的计数，由时间信号脉冲的个数确定光脉冲往返时间t。在光信号转化为电信号的过程中及对电信号的电路处理系统中都会引入很多误差。

在先技术[3](参见Fujima I，Seta K，Matsumoto H and O’ishi T1988GHz traveling-wave optical modulator for precision distancemeasurement Proc.SPIE vol 889 pp 86-90)是一种利用连续激光相位信息的测距方法。相位激光测距通过测量高频调制相位差来实现测距。仪器中的光源发出连续光，通过调制器调制后成为调制光射向目标，调制光的光强随时间作周期变化，采用正弦波调制，测定光波往返过程中的正弦波整周期数及不足一个周期的正弦函数的相位，就可确定光波的往返时间的间隔t，从而计算出所测距离。这种方法仍需要将光信号转化为电信号后经电路系统来处理，由电子比相器比较发射和接受正弦波的相位差，而且还需增加精密调制正弦光强的电学装置。

在先技术[4](参见S F Collins，M M Murphy，K T V Grattan，etal.Asimple laser diode ranging scheme using an intensity modulatedFMCW approach[J].Meas.and Tech.，1993，4：1437-1439)是一种利用连续激光频率信息的测距方法。连续波调频激光测距原理是通过发射一频率连续可调的激光，通过测量接收到经目标反射回来激光的频率来推算距离。接收光与发射光由于啁啾而存在频率漂移，所以在混频器中将产生拍频，这个拍频与待测距离成正比。这种方法仍需要将光信号转化为电信号后经电路系统来处理，而且还需增加调节激光频率的附加电路系统。

发明内容：

本发明要解决的技术问题在于克服上述在先前技术的不足，提供一种电光调制激光测距方法及其装置，以避免引入了复杂的电路系统，克服由光电转换过程和电路系统引入的误差。

本发明的技术解决方案如下：

一种电光调制激光测距方法，其特征是利用激光的偏振特性作为待测距离信息的载体，当在单轴电光晶体上平行光轴方向加半波电压的同时，在光路中的偏振分光器、单轴电光晶体、补偿晶体和偏振检偏器的作用，将往返于单轴电光晶体和待测物体之间的光束截断为脉宽t的矩形光脉冲，则单轴电光晶体和待测物体之间的距离L：

$L=\mathrm{Vc}*\frac{t}{2}$

其中Vc为光在空气中的速度。

实施上述电光调制激光测距方法的电光调制激光测距装置，特征在于其构成：包括一台输出准直连续激光的激光器，沿光束前进方向依次是偏振分光器、单轴电光晶体、补偿晶体、偏振检偏器，所述的单轴电光晶体及其补偿晶体选用同样大小的长方体LiNbO₃晶体，边长b＞a＝c，且使光平行b边通过晶体，一对电极片紧贴在所述的单轴电光晶体的两b×c平面上，半波电压通过电极片垂直于b边加在单轴电光晶体上，所述的偏振分光器的起偏方向和偏振检偏器的检偏方向相互平行或相互垂直，单轴电光晶体和补偿晶体的光轴相互垂直放置，并且使二者的光轴方向均和偏振分光器的起偏方向、偏振检偏器检偏方向分别成45°，在偏振分光器的回波反射方向设置一探测器。

本发明的技术效果：

与在先技术相比：在先技术[1]是微短距离的测量方法，随着测量距离的增加，精度急剧下降，不适用大范围的距离测量；有广泛应用的在先技术[2][3][4]均需要将光信号转化为电信号来进行待测距离信息的分析和提取，不但在将光学问题转化为电学问题的过程中会引入多余的误差，而且在转化为电学问题后，大大增加了装置的复杂程度，同时又引入了许多电学方面的误差。与在先技术相比，本发明结构简单易行，操作方便，不受环境影响，抗干扰能力强，测量距离范围广，最近可测几米的距离，在激光器能量较高的情况下，最远可测10千米的距离。测量精度高，可达到厘米级的测量精度。

附图说明：

图1是本发明基本思路的示意图。

图2是本发明原理的结构示意图。

图3是本发明中各装置的结构和放置示意图。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明基本思想如图1所示，激光器发射出一束高准直性连续激光，遇到待测物体后反射沿原路返回。此时如果能在光源端“瞬时”插入一个与光传播方向成45°角的反射镜，使其反射面面向待测物体，则此时激光器发出的光被隔断，由待测物体反射回来的光也被隔断，同时被反射镜反射到另一方向，两端被截断的光束形成一矩形光脉冲，脉冲宽度为t，即为光由反射镜出发到待测物体反射回来再次到达反射镜所需的时间。由探测器接收此光脉冲，求得时间t，则可得待测距离L＝vct/2，其中Vc为光在空气中的传播速度。本发明即是实现上述“瞬时”插入反射镜的功能。

本发明的基本结构如图2、3所示，由图可见，本发明实施所述电光调制激光测距方法的电光调制激光测距装置，其构成：包括一台输出准直连续激光的激光器1，沿光束前进方向依次是偏振分光器2、单轴电光晶体3、补偿晶体5、偏振检偏器6，所述的单轴电光晶体3及其补偿晶体5选用同样大小的长方体LiNbO₃晶体，边长b＞a＝c，且使光平行b边通过晶体，一对电极片4紧贴在所述的单轴电光晶体3的两b×c平面上，半波电压通过电极片4垂直于b边加在单轴电光晶体3上，所述的偏振分光器2的起偏方向和偏振检偏器6的检偏方向相互平行或相互垂直，单轴电光晶体3和补偿晶体5的光轴相互垂直放置，并且使二者的光轴方向均和偏振分光器2的起偏方向、偏振检偏器6检偏方向分别成45°，在偏振分光器2的回波反射方向设置一探测器8。

其中作为光源的连续波激光器1要具有较高的能量，以满足较远距离测量的需求。

所说偏振分光器2有两个作用：第一，将激光器1发射出的原始出射光A变为偏振方向和起偏器起偏方向平行的线偏振光B；第二，当由待测物体反射回来的线偏振回光F偏振方向和起偏器起偏方向垂直时，将回光F反射偏离出原光路，以便探测。基于以上原因，偏振分光器2应选用晶体材料制成的偏振分束器结构，如格兰棱镜等结构。偏振分光器2紧接激光器1放置在激光器1出光端，使原始出射光A垂直入射其表面。偏振分光器2的起偏方向2C沿图3中坐标x’方向，当无规偏振光A射入其中后，分为偏振方向相互垂直的两束光B和W1，沿起偏方向x’偏振的线偏振光B沿原光路穿过偏振分光器2，沿y’方向偏振的线偏振光W1成为无用光，偏离原光路出射。同时，当由待测物体反射回来的回光F偏振方向和偏振分光器2起偏方向x’平行时，回光F沿原光路穿过偏振分光器2，当回光F偏振方向和x’垂直时，回光F被偏振分光器2反射出原光路，进入探测器8。

所说单轴电光晶体3作用为：结合补偿晶体5共同作用，当在单轴电光晶体3上加半波电压V时，使依次通过单轴电光晶体3和补偿晶体5的线偏振光偏振方向扭转90°角，从而使从补偿晶体5出射的线偏振光C和从单轴电光晶体3入射的线偏振光B偏振方向相互垂直。单轴电光晶体3应选用具有横向电光调制性能的单轴晶体，如铌酸锂、钽酸锂等，其形状是长方体，几何尺寸为a×b×c，其中b＞c。a和b之间无严格要求，因为激光光斑为圆形，从减小尺寸和节约材料的方面考虑，应使a＝b。单轴电光晶体3上所加的半波电压V大小正比于晶体尺寸比a/b，因此，要得到较低的半波电压V，应该在满足允许激光光斑顺利通过ab面而选择最小边长a的条件下，尽量使b＞a，但同时晶体边长b受到所得晶体最大长度的限制。长方体单轴电光晶体3放置方向使边长b平行于坐标轴z方向，边长a平行y方向，边长c平行x方向，使线偏振光B垂直入射到两个a×c面上。晶体晶轴方向3C选取沿坐标轴y方向，与偏振分光器2晶轴方向2C成45°角放置，同时垂直于单轴电光晶体3的两个b×c平面。一对电极片4分别贴在单轴电光晶体3的两个b×c平面上，大小以刚好覆盖两个b×c平面为佳。当在电极片4上加电压时，晶体中的电场方向平行于晶轴3C方向。

所说补偿晶体5起到辅助单轴电光晶体3完成调制偏振光的作用：第一，起到温度补偿作用，晶体的折射率对温度的影响比较敏感，特别是当光通过较长晶体路径时，折射率的微小变化都会对输出o光、e光的相位差产生很大影响；第二，和单轴电光晶体3一起作用，使不在单轴电光晶体3上加电压时，o光、e光通过这两个晶体后的光程差为零。要完成上述作用，补偿晶体5应该取和单轴电光晶体3相同材料和类似的长方体形状，几何尺寸为a’×b’×c’，必须严格使其长边长和电光晶体的长边长相等，即b’＝b，对短边长a’、c’的要求比较宽松，保证激光束顺利通过即可，和单轴电光晶体3同样因素考虑，取a’＝c’较好。要使补偿晶体5的光轴方向5C和单轴电光晶体3的光轴方向3C相互垂直放置，即方向5C应沿着坐标x轴的方向放置，同时使激光束垂直通过其两个a’×c’平面。

所说偏振检偏器6起到只允许偏振方向和其检偏方向平行的偏振光通过，阻挡偏振方向和其检偏方向垂直的偏振光通过的作用，可选用任何具有单方向检偏作用的标准偏振检偏器件，对其结构没有特殊要求。偏振检偏器6的检偏光轴有两种放置方法，如图3中的实线6C方向和虚线6C’方向，方向6C和偏振分光器2的起偏方向2C平行，即和坐标轴x’同向，方向6C’和偏振分光器2的起偏方向2C垂直，即和坐标轴y’同向，方向6C和6C’相互垂直且分别和单轴电光晶体3的光轴方向3C和补偿晶体5的光轴方向5C成45°夹角。

偏振检偏器6的两种放置结构对应本发明的两种操作方法，在按照检偏方向6C放置的情况下为第一种操作方法。在这种情况下，首先不在单轴电光晶体3的一对电极片4上加电压，此时，激光器1发出的无规偏振光A首先垂直入射到偏振分光器2中，偏振分光器2将光束A分为两部分：转变为偏振方向垂直起偏方向2C偏振的无用光W1偏离原光路出射；转变为偏振方向平行于起偏方向2C偏振的线偏振光B沿原光路出射。沿2C方向偏振的光束B紧接着垂直两个a×c平面穿过单轴电光晶体3和垂直两个a’×c’平面穿过补偿晶体5。由于晶体的双折射作用，偏振方向和晶轴方向3C成45°角的线偏振光B进入单轴电光晶体3后被分为能量相等的寻常光o光和异常光e光，由于B垂直晶体光轴入射，偏振方向相互垂直的o光和e光同时沿原光路传播而不分离，其中o光偏振方向和单轴电光晶体3的光轴方向3C平行，e光和光轴方向3C垂直。晶体对o光和e光的折射率不同，不同的折射率导致当光束B穿出单轴电光晶体3后其同路的两分光o光和e光之间有一个光程差，从而使两同路光束之间产生一个相位差Г，其具体值依赖于电光晶体的边长b。两分光o光、e光紧接着进入补偿晶体5，在补偿晶体5的作用下，由于其光轴方向5C和单轴电光晶体3光轴方向3C相互垂直，在单轴电光晶体3中的两分光o光和e光进入补偿晶体5中后，原单轴电光晶体3中的o分光变为相对补偿晶体5来说的e分光，原单轴电光晶体3中的e分光变为相对于补偿晶体5的o分光，这样两分光在穿过补偿晶体5后又产生一个相位差Г’，并且由于边长b’＝b，这个相位差Г’和穿过单轴电光晶体3后两分光的相位差Г大小相等且正负号相反，即Г＝-Г’，因此，当线偏振光B依次穿过单轴电光晶体3和补偿晶体5后，其振幅相等的两分光之间相位差为零，出射两块晶体后其合成光偏振特性不变，成为和B偏振方向相同的线偏振光C。由于C的偏振方向和偏振检偏器6的检偏方向6C平行，因此线偏振光C可以不受影响地穿过偏振检偏器6而成为最终的出射光D。出射光D在经过一段待测距离L后照射到待测物体7表面而被反射回来，成为反射回光E，回光E保持从偏振检偏器6出射时的偏振态不变，沿坐标x’方向偏振，因此经过和从光束B到光束D逆反的变化过程，偏振态仍然不变而成为沿坐标轴x’方向偏振的线偏振光F射入到偏振分光器2中。偏振分光器2的起偏方向沿坐标轴x’方向，和F的偏振方向平行，这样，F就可顺利通过偏振分光器2成为无用光W2。综上所述，在从激光器1发出原始出射光A依次穿过各装置2、3、4、5、6到达待测物体7表面反射回来，再次穿过装置6、5、4、3、2成为无用光W2的整个过程中，除了无规偏振光A在偏振分光器2中分离出无用光W1外，其他光束B、C、D、E、F、W2均为和偏振分光器2、偏振检偏器3光轴方向平行偏振的线偏振光，在他们的传输过程中就好像图1中没有插入反射镜的情形下，装置2、3、4、5、6对光的传播是透明的一样。这是测距前的准备状态。

当需要进行距离测量时，在单轴电光晶体3的一对电极片4上加上半波电压V。之所以称之为半波电压，是因为在该电压作用下，由于晶体的横向电光效应，垂直晶轴3C穿过单轴电光晶体3的o光和e光间会在原来相位差Г的基础上增加一个相位差π。半波电压的大小V取决于激光波长、晶体的材料和边长比a/b，大小为：

其中入为激光波长，n_o和n_e分别为单轴电光晶体3对应波长入的寻常光折射率和异常光折射率，r₁₃和r₃₃为晶体电光系数的两个对应分量。当在单轴电光晶体3上加上半波电压V后，由于对穿过单轴电光晶体3和补偿晶体5的同向等振幅分光o光和e光间增加了一个相位差π，此时对沿坐标轴x’方向偏振的线偏振光B而言，单轴电光晶体3和补偿晶体5作用在一起就起到一个1/2波片的作用，这时B依次穿过单轴电光晶体3和补偿晶体5后偏振方向扭转90°角，成为沿坐标轴y’方向偏振的线偏振光C。光C的偏振方向和偏振检偏器6的检偏方向6C相互垂直，因此加上半波电压后，从补偿晶体5射出的光束C不能通过偏振检偏器6，从而原来畅通的出射光束被从补偿晶体5面向偏振检偏器6的a’×c’平面处被截断。在加半波电压的同时，我们再来看先前已经出射的光D被待测物体7反射的回光E的情况：原来沿坐标轴x’方向偏振的回光E依次经过补偿晶体5和单轴电光晶体3后出射后，成为偏振方向和原来垂直而沿坐标轴y’方向偏振的线偏振回光F，在遇到偏振分光器2时，由于F的偏振方向和偏振分光器2的起偏方向相互垂直，回光F无法沿原光路通过，被同时起偏振分光作用的偏振分光器2反射到一边的接收探测器8上，从而也把原来畅通的反射回光从单轴电光晶体3面向偏振分光器2的a×c平面处截断。综上所述，当在单轴电光晶体3上加上半波电压V的同时，装置2、3、4、5、6就起到了图1中在光路中“瞬间”插入反射镜的作用：将原来往返于激光器1和待测物体7之间的光路截断，并且将截断后的光束段C-D-E-F反射到探测器8上，形成供测量的待测矩形光脉冲G。测得光脉冲G的脉宽t，即可求出待测距离L：

$L=\mathrm{Vc}*\frac{t}{2}---\left(2\right)$

其中Vc为光在空气中的速度。

当偏振检偏器6的检偏方向按照图3中虚线表示的6C’方向放置，而其它装置位置不便时，对应本发明的第二种操作方法。此操作方法下，在单轴电光晶体3的一对电极片4上加半波电压V的状态为测距前的准备状态。此时，偏振方向和单轴电光晶体3晶轴3C成45°夹角的线偏振光B依次经过单轴电光晶体3和补偿晶体5后，偏振方向扭转90°成为线偏振光C，线偏振光C的偏振方向此时刚好和偏振检偏器6的检偏方向6C’平行，因此可顺利通过偏振检偏器6成为最终出射光D。被待测物体7反射回来的回光E通过偏振检偏器6后又依次经过补偿晶体5和单轴电光晶体3，其偏振方向再次被扭转90°成为偏振方向和偏振分光器2的起偏方向2C平行的线偏振光F，光F顺利通过偏振分光器2成为无用光W2。可见，在单轴电光晶体3上加电压的时候，装置2、3、4、5、6对激光B、C、D、E、F、W2的传播来说就像是透明的一样。当需要进行测距时，撤掉加在单轴电光晶体3上的半波电压V，此时装置2、3、4、5、6就像在图1的光路中“瞬间”插入的反射镜一样，将出射光路从补偿晶体5面向偏振检偏器6的a’×c’平面处被截断，将反射回光光路从单轴电光晶体3面向偏振分光器2的a×c平面处被截断，同时将截断后的光束段C-D-E-F反射到探测器8上，形成供测量的待测矩形光脉冲G。

激光器1选取波长632.8nm的He-Ne激光器，偏振分光器2选用格兰棱镜，单轴电光晶体3和补偿晶体5均选取相同尺寸的铌酸锂LiNbO₃，令单轴电光晶体3的光轴为坐标y轴，补偿晶体3的光轴为坐标x轴。装置2、3、5、6要选取适当的体积大小，保证激光光斑在照射到这些装置表面时能完全通过而能量不外泄。装置2、3、4、5、6之间应该不留空隙地紧贴着相互放置。当激光波长为632.8nm时，LiNbO₃晶体的两个主折射率为n_o＝2.2864，n_e＝2.2024。

例1：

如图3所示的结构。单轴电光晶体3、补偿晶体5的尺寸为a×b×c＝a’×b’×c’＝0.2×3.4×0.2cm³，一对电极片大小以刚好覆盖单轴电光晶体3的两个b×c平面为准，此时半波电压V＝235V(纵横比为a/b＝1∶17)。

Claims (2)

1、一种电光调制激光测距方法，其特征在于利用激光的偏振特性作为待测距离信息的载体，当在单轴电光晶体上平行光轴方向加半波电压的同时，在光路中的偏振分光器、单轴电光晶体、补偿晶体和偏振检偏器的作用，将往返于单轴电光晶体和待测物体之间的光束截断为脉宽为t的矩形光脉冲，则单轴电光晶体和待测物体之间的距离L：

$L=\mathrm{Vc}*\frac{t}{2}$

其中Vc为光在空气中的速度。

2、一种实施权利要求1所述电光调制激光测距方法的电光调制激光测距装置，特征在于其构成：包括一台输出准直连续激光的激光器(1)，沿光束前进方向依次是偏振分光器(2)、单轴电光晶体(3)、补偿晶体(5)、偏振检偏器(6)，所述的单轴电光晶体(3)及其补偿晶体(5)选用同样大小的长方体LiNbO₃晶体，边长b＞a＝c，且使光平行b边通过晶体，一对电极片(4)紧贴在所述的单轴电光晶体(3)的两b×c平面上，半波电压通过电极片(4)垂直于b边加在单轴电光晶体(3)上，所述的偏振分光器(2)的起偏方向和偏振检偏器(6)的检偏方向相互平行或相互垂直，单轴电光晶体(3)和补偿晶体(5)的光轴相互垂直放置，并且使二者的光轴方向均和偏振分光器(2)的起偏方向、偏振检偏器(6)检偏方向分别成45°，在偏振分光器(2)的回波反射方向设置一探测器(8)。

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