[发明专利]一种基于二阶强度关联函数的激光测距装置及方法

说明书

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，包括激光发射系统、光路系统、光电信号探测系统、激光信号处理与分析系统；所述的光路系统为一个分光计，所述的光电信号探测系统为光电探测器；所述的分光计设置在激光发射系统的出射光路上，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系统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，大大简化了系统的复杂性，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。

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(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，包括激光发射系统、光路系统、光电信号探测系统、激光信号处理与分析系统；所述的光路系统为一个分光计，所述的光电信号探测系统为光电探测器；所述的分光计设置在激光发射系统的出射光路上，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系统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：激光发射系统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系统进行二次激发，激光发射系统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系统，信号处理与分析系统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。

所述的数据处理系统利用二阶强度关联来分析处理，二阶强度关联的公式为: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系统使用连续波发射的半导体激光器，发射波长没有限制。

所述的光路系统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系统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。