专利名称：一种人眼安全激光测距装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种红外脉冲激光测距装置，属于激光测距技术领域，具体涉及一种双光路I. 57 μ m波长人眼安全激光测距装置，适用于对O. 5km-20km范围内的目标进行精确测量。
背景技术：
激光测距仪是利用激光对目标物体的距离进行精确测量的仪器。激光测距仪在工作时向目标物体发射出一束激光，由光电探测元件接收目标反射的激光束，进而测定出激光束从发射到接受的时间，从而计算出从激光光源到目标的距离。
激光测距仪因其测量精度高、使用方便而被广泛用于国防、科学技术及生产建设等领域。激光测距仪可分为脉冲式和连续波相位式两种。脉冲式激光测距仪的优势在于测试距离远、信号处理简单，被测目标可以是非合作的，但是其测量精度相对连续波相位式较低。现有的用于测量O. 5km_20km范围内目标的脉冲式激光测距仪多采用I. 06Mm波长的Nd: YAG激光器作为光源，但I. 06Mffl波长的激光属红外波段，人眼无法直接观察到，同时I. 06Mffl波长激光照射到人眼中，较少被晶状体吸收，大部分被聚焦到视网膜上，容易造成视网膜损伤，甚至失明。现有的脉冲式激光测距仪多采用单光路激光发射、接收系统，即从激光器发射出单束激光脉冲，被目标物体反射后，由光电探测元件接收后测定激光的飞行时间。但由于用于接收反射光束的光电探测元件因其固有的电气特性，在外界条件变化时，比如光强、温度变化时，会产生电气参数的较大变化，进而造成测量精度的降低。同时，电路老化等其他原因也会造成测量精度的降低。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有技术中存在的问题，提供一种测量精度高、测量范围大的人眼安全激光测距装置。本发明所述的一种人眼安全激光测距装置的特征在于它包括微处理器(I)、激光驱动与控制单元(2)、激光发射单元(3)、分光系统(4)、光电探测系统与信号放大单元I
(5)、光电探测与信号放大单元II (6)、望远系统(7);所述的微处理器(I)通过接口与外部主控计算机(9)相连，其内部设有主处理器、内存储器、时间计数器和频率发生器，外部主控计算机通过接口向微处理器发送信号，信号经频率发生器调制、功率放大后传给激光驱动与控制单元(2)，驱动激光发射单元(3)射出激光脉冲；所述的激光发射单元(3)其输出波长为I. 57Mffl ;所述的分光系统(4)使用具有分光功能的光束取样板(10)，大部分激光脉冲穿过光束取样板并照射被测物体，同时将小部分光束反射并通过会聚透镜(11)会聚到光导纤维(12)中，将该光束引入光电探测器中；所述的光电探测与信号放大单元I (5)与光电探测与信号放大单元II (6)采用相同结构设计和实现方式，包括光电探测器、信号放大与整形电路、主波采样电路，其中光电探测器为雪崩光电二极管，光电二极管或带有前置附加保护装置的光电倍增管；所述的望远系统(7)为与激光器出射光束轴平行的望远镜。本发明所述的一种人眼安全激光测距装置的工作原理如下利用望远系统(7)调整激光测距仪，使得激光束能够照射被测物体。当外部主控计算机(9)通过接口向微处理器(I)发送测距指令时，时间计数器开始计数，并通过频率发生器向激光驱动与控制单元(2)发送信号，驱动激光发射单元(3)射出激光脉冲。利用分光系统(4)将由激光器发射出的激光脉冲分成两束。其中一束激光脉冲照射在目标物体上，再反射回到激光测距仪，当该光束向对应的光电探测与信号放大单元II (6)中的主波采样电路采集到主波后经过整形传送给微处理器(1)，时间计数器将该时间标志为t1;另一束激光脉冲经过光导纤维(12)传输到与之相对应的光电探测与信号放大单元1(5)，主波采样电路采集到主波后经过整形传输给微处理器(I)，时间计数器将该时间标志为t2。微处理器(I)进而计算出光束从激光射出开始、照射在目标物体上、再反射回到光电探测元件上为止的飞行时间(time-of-fly) AT。上述飞行时间Λ T可以表述为t「t2=(t3+AT +tn)-( t3+t21+t22)= Δ T+ (tn-t21_t22)。其中，tl是从微处理器(I)收到测距指令并向受控激光发射器输入电信号开始、光束从激光器射出、照射在目标物体上、在反射回到光电探测元件上、通过光电转换形成反馈结束所需的时间。t2是从微处理器(I)收到测距指令并向受控激光发射器输入电信号开始、光束从激光器射出、通过分光系统和内光路、传输到光电探测元件上、通过光电转换形成反馈结束的时间。t3是从微处理器(I)收到测距指令并向从受控激光发射器输入信号开始到光束从激光器射出结束所需的时间。是从光束反射到光电探测元件上到通过光电转换形成反馈信号结束所需的时间。t21是从光束从激光器射出、通过分光系统(4)、传输到光电探测元件上结束所需的时间。t22是从通过分光系统(4)在测距仪内部传输的光束照射到光电探测元件上到通过光电转换形成反馈结束所需的时间。由于通过使用相同结构的光电探测系统对两束光分别进行探测并形成反�。蛲ü教坠獾缣讲庀低承纬煞蠢∷璧氖奔湟蚕嗤磘n= t22，从而有效的避免了由环境条件变化造成光电探测元件电气特性变化所产生的测量精度下降的问题。光束通过内光路飞行的时间t21，可以通过测量分光系统(4)所使用的光导纤维(12)的长度和折射率进行估算。所以，上述飞行时间AT可以进一步表述为AT=tl_t2+t21。微处理器(I)利用此飞行时间ΛΤ，可直接测距仪与目标之间的距离D (若不考虑空气折射率，则测距仪与目标之间的距离D=飞行时间ΛΤΧ光速C/2 ;在实际测量中，可以根据具体情况的空气折射率对测量结果进行修正)，并通过接口向外部主控计算机(9)传输测距结果。
相对于现有技术，本发明所涉及的一种人眼安全激光测距装置采用1.57μπι波长激光器为激光光源，处于I. 5-1. 8 μ m的人眼安全激光波段，其光束照射到人眼后，绝大部分为晶状体所吸收，只有较少部分达到视网膜，对人眼相对安全57μπι波长激光处于
I.5 μ m-1. 8 μ m的大气窗口，对雾、霾、战场硝烟等复杂天气环境具有较好的穿透性，相对于目前广泛使用的I. 06 μ m波长的激光测距仪具有更大的测量范围和更高的测量精度。相对于现有技术，本发明所涉及的人眼安全激光测距仪，采用分光系统将从激光器射出的激光分成两束，并采用两套结构相同且相互独立的光电探测和信号放大单元对其进行探测，抵消了外界环境对光电探测元件电气特性的影响和由于电路老化产生的测量精度下降等问题，有效的提高了测量精度。同时，也避免了用同一套光电探测与信号放大单元对两束光分别测量时，因两束光脉冲信号重叠所产生的测量盲区的问题。
图I是本发明一种人眼安全激光测距装置的结构示意图。图2是本发明一种人眼安全激光测距装置分光系统示意图。图中1.微处理器,2.激光驱动与控制单兀,3.激光发射单兀,4.分光系统,5.光电探测与信号放大单元I，6.光电探测与信号放大单元II，7.望远系统，8.被测物体，9.外部主控计算机，10.光束取样板，11.会聚透镜，12.光导纤维。
具体实施例方式为了加深对本发明的理解，结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。如图I所示，为本发明的一个实施例工作原理与结构框图。一种人眼安全激光测距装置，它由微处理器(I)、激光驱动与控制单元(2)、激光发射单元(3)、分光系统(4)、光电探测与信号放大单元I (5)、光电探测与信号放大单元II (6)、望远系统(7)组成；所述微处理器(I)采用标准串行接口与外部主控计算机(9)相连，实现数据交互；所述的激光发射单元(2)为波长为I. 57μπι的人眼安全激光器，在本实施例中，为获得较大能量的激光输出，采用内腔式Nd: YAG激光泵浦的KTP (磷酸钛氧钾)光学参量振荡激光器，用氙灯泵浦的被动Q开关Nd = YAG激光器在I. 06 μ m泵浦KTP光学参量振荡器，从而获得I. 57 μ m波段的激光输出，其中KTP晶体为沿X轴切割，II类非临界相位匹配；所述的光电探测与信号放大单元I (5)和光电探测与信号放大单元II (6)采用相同的结构设计和实现形式，在本实施例中，所述的光电探测与信号放大单兀I (5)和光电探测与信号放大单兀II (6)中的光电探测元件采用雪崩二极管。图2为本发明一种人眼安全激光测距装置分光系统(4)的示意图，该分光系统(4)由光束取样板(10)、会聚透镜(11)、光导纤维(12)组成。所述光束取样板(11)与激光器出射光束光轴呈45°夹角，在本实施例中，采用反射率为5. 2%的光束采样板，使激光器发出的激光脉冲大部分透过光束采样板(10)后照射被测物体(8);所述会聚透镜(11)将被光束采样板反射(12)的激光束会聚到光导纤维(12)中，通过光导纤维(12)传送到光电探测与信号放大单元I (5)的光电探测元件上。结合技术特征和工作原理作如下进一步说明如图I所示，外部主控计算机(9)通过标准串行接口向微处理器(I)发送测距指令，微处理器(I)启动时间计数器，并向激光驱动与控制单元(2)发送指令，驱动激光发射单元(3)发出激光脉冲，该激光脉冲被分光系统
(4)分成两束激光，其中一束照射透射过光束采样板(10)，照射到被测物体(8)，在被测物体(8)表面上慢反射或被被测物体(8)的角反射体反射，反射信号沿原路返回到激光测距仪，触发光电探测与信号放大单元II (6)中的雪崩光电二极管，并通过信号放大与整形电路、主波采样电路传送给微处理器(1)，微处理器(I)将收到该反馈信号的时间标记为h ；另一束被光束采样板(10)反射的激光束，经过会聚透镜(11)会聚到光纤(12)中，传输到光电探测与信号放大单元I (5)，触发雪崩二极管，同样经过信号放大、整型、采样传输到微处 理器(1)，微处理器(I)将收到该反馈信号的时间标记为t2。根据&和t2，微处理器(I)计算出被测物体(8)与激光测距仪之间的距离，并通过串行接口传输给外部主控计算机(9)，完成测距过程。
权利要求
1.一种人眼安全激光测距装置，其特征在于它包括微处理器(I)、激光驱动与控制单元(2)、激光发射单元(3)、分光系统(4)、光电探测系统与信号放大单元I (5)、光电探测与信号放大单元II (6)、望远系统(7);所述的微处理器(I)通过接口与外部主控计算机(9)相连，其内部设有主处理器、内存储器、时间计数器和频率发生器，外部主控计算机通过接口向微处理器(I)发送信号，信号经频率发生器调制、功率放大后传给激光驱动与控制单元(2)，驱动激光发射单元(3)射出激光脉冲；所述的激光发射单元(3)其输出波长为1.57Mm;所述的光电探测与信号放大单元I (5)与光电探测与信号放大单元II (6)采用相同结构设计和实现方式，包括光电探测器、信号放大与整形电路、主波采样电路，其中光电探测器为雪崩光电二极管，光电二极管或带有前置附加保护装置的光电倍增管。
2.根据权利要求I所述的一种人眼安全激光测距装置，其特征在于所述的分光系统(4)使用具有分光功能的光束取样板(10)，大部分激光脉冲透射过光束取样板并照射被测物体，同时将小部分光束反射并通过会聚透镜(11)会聚到光导纤维(12)中，将该光束引入光电探测器中；所述的望远系统(7)为与激光器轴平行的望远镜。
全文摘要
本发明涉及一种人眼安全激光测距装置，属于激光测距设备技术领域，它包括微处理器、激光驱动与控制单元、激光发射单元、分光系统、望远系统、光电探测与信号放大单元。本发明采用内腔式Nd:YAG泵浦的KTP光学参量振荡激光器作为激光光源，其工作波长为1.57μm，属于1.5μm-1.8μm人眼安全激光波段，具有结构紧凑、使用简便、测量精度高等特点。
文档编号G01S7/481GK102866403SQ20111018783
公开日2013年1月9日 申请日期2011年7月6日 优先权日2011年7月6日
发明者李长华, 朱延生, 吴成顺, 郑曙辉, 韦统向 申请人:长春中俄科技园股份有限公司
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