基于光纤延时的激光测距仪室内校准装置及方法与流程

本发明涉及光电测距领域，尤其涉及一种基于光纤延时的激光测距仪室内校准装置及方法。

背景技术：

脉冲激光测距仪利用脉冲激光器对目标发射激光脉冲，通过测量激光到达目标并由目标返回测距仪接收系统的时间，计算出目标的距离。脉冲激光测距仪最主要的测距性能即最大测程和测距精度，目前对这两种测距性能的校准方法，主要分为两大类：一类是实际大气环境条件下，配合一定距离的标准靶板，用消光比的方法校准；另一类就是室内模拟校准。在实际大气环境条件下，整个测试过程受天气和场地影响较大，结果不稳定；室内模拟校准主要有光电模拟法和光纤模拟法，这两种方法分别用延时电路和延时光纤来模拟激光的传输过程。其中，光电模拟法的电学延时主要靠门电路实现，应用带宽有限，且受电路一致性、温度等客观因素影响较大；而光纤模拟法采用一定长度的光纤制作标准距离模拟器，只能进行单一距离的模拟，不能实现多距离的动态模拟。

技术实现要素：

本发明所要解决的第一个问题是，针对现有室外激光测距仪校准方法，受天气和场地影响较大的不足，提供一种不受环境限制的室内校准方法和装置；

本发明所要解决的第二个问题是，针对室内激光测距仪校准方法中电路延时和光纤延时各自的不足，提供一种能够进行最大测程校准和多距离测距精度校准的激光测距仪室内校准装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种基于光纤延时的激光测距仪室内校准装置，包括接收物镜、保护衰减片、光纤耦合器、可变光纤延时系统、准直物镜、可变衰减器组；

可变光纤延时系统包括多个光开关和多个不同长度的光纤环；

被测激光测距仪发射的激光光束通过接收物镜将发射光束直径变细，然后经保护衰减片做一定程度衰减后，由光纤耦合器进入可变光纤延时系统延时传输，最后经准直物镜光路准直并经可变衰减器组衰减后，回到被测激光测距仪的接收系统。

接上述技术方案，接收物镜接收口径与激光测距仪的出射口径相匹配，压缩比为5：1。

接上述技术方案，光纤耦合器采用sma905接口。

接上述技术方案，衰减器组包括一系列定值标准衰减片。

接上述技术方案，每个光开关包括两个光路通道，其中一个光路通道连接一个光纤环，另一个光路通道连接另一个光开关，该光纤环也与该另一个光开关连接。

接上述技术方案，该可变光纤延时系统还包括依次连接的距离选通模块、单片机、距离显示器，该单片机还通过一光开关控制器与多个光开关连接。

接上述技术方案，不同长度的光纤和多个光开关构成拓扑结构。

接上述技术方案，准直物镜的接收视场大于光纤出射激光的发散角，准直后的光束发散角不大于激光测距仪的接收视场角。

本发明还提供了一种基于上述装置的光纤延时激光测距仪室内校准方法，校准激光测距仪最大测程时，通过改变衰减器组的衰减倍率改变校准装置对所传输激光的衰减量，模拟不同测程条件时的等效消光比值，对被测激光测距仪的最大测程进行校准。

本发明还提供了一种基于上述装置的光纤延时激光测距仪室内校准方法，在校准测距精度时，通过可变光纤延时系统改变光纤路径的长短，模拟激光在不同距离大气中的传输，对被校设备进行要求次数的测距后，标定出在不同距离下测距值与模拟距离偏差的均方根值，作为测距精度。

本发明产生的有益效果是：本发明与现有激光测距校准装置相比，摆脱了野外靶板的约束，不受天气和场地条件的影响，可以对激光测距仪的最大测程和测距精度进行校准。

本发明把传统光纤模拟法中的固定距离单段光纤，改为由光开关和多段标准距离光纤组成的拓扑结构形式，从而可以模拟不同的目标距离，校准不同距离下的测距精度。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例基于光纤延时的激光测距仪室内校准装置的结构示意图；

图2是本发明实施例可变光纤延时系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例基于光纤延时的激光测距仪室内校准装置，可进行最大测程校准和多距离测距精度校准。该装置包括接收物镜2、保护衰减片3、光纤耦合器4、可变光纤延时系统1、准直物镜5、可变衰减器组6。被测激光测距仪发射的激光光束通过接收物镜2将发射光束直径变细，然后经保护衰减片3做一定程度衰减后，由光纤耦合器4进入可变光纤延时系统1传输，最后经准直物镜5光路准直并经可变衰减器组6衰减后，回到被测激光测距仪的接收系统。

通过改变衰减器组6的衰减倍率从而改变校准装置对所传输激光的衰减量，来模拟不同测程条件时的等效消光比值，从而对被测激光测距仪的最大测程进行校准。

在校准测距精度时，通过可变光纤延时系统1改变光纤路径的长短，从而模拟激光在不同距离大气中的传输，对被校设备进行要求次数的测距后，标定出在不同距离下测距值与模拟距离偏差的均方根值即为测距精度。

接收物镜2的作用是将激光测距仪出射激光的光束直径进行压缩，以便光纤耦合器4将光束耦合进光纤传输，压缩比按5：1设计，接收口径与激光测距仪的出射口径相匹配，同时保证足够的透过率。该压缩比是根据激光测距仪出射激光光束与延时光纤纤芯直径决定。由于激光束径较大，无法直接全部进入心径很小的光纤，必须先经过压缩整形，再进行衰减耦合才能进入光纤。

保护衰减片3的作用是保护传输光纤不被激光打坏。

光纤耦合器4采用sma905接口，方便与光纤接头对接，耦合系统采用最新的透镜、熔融拉锥以及光纤相结合的一体化直接耦合方式，将激光直接耦合进入可变光纤延时系统1，极大地降低系统的能量损耗，同时提高系统的能量利用效率。

如图2所示，该可变光纤延时系统1还包括依次连接的距离选通模块、单片机和距离显示器，该单片机还通过一光开关控制器与多个光开关连接。距离选通模块是指人机交互界面中，可以用来手动选择光纤模拟距离的模块。手动选择光纤模拟距离时，通过单片机控制开关控制器来实现不同光开关的通闭，从而实现不同模拟距离的确定。

进一步地，每个光开关包括两个光路通道，其中一个光路通道连接一个光纤环，另一个光路通道连接另一个光开关，该光纤环也与该另一个光开关连接，多个光开关和光纤环形成拓扑结构，可测量多种不同的距离。

如图2，可变光纤延时系统1由多个光开关7与标定好的不同长度光纤环8构成，通过切换光开关输出通道，实现光信号不同路径的传输；由不同长度的光纤构成拓扑结构，实现不同长度的模拟路径选择；由公式：

nc光纤＝c真空

可以算出，以l0＝100m为最小标准距离模拟单位，所需要的光纤长度为136.3m(对于常见的单模光纤，在1550nm波长下，常取n＝1.467)，即最小光纤环长度为136.3m，随后的每个光开关所连接的光纤环长度为136.3×2¹m、136.3×2²m、136.3×2³m、136.3×2⁴m、136.3×2⁵m等等，即可实现以100m为最小步进距离的模拟，而最长光纤环长度取决于装置需要模拟的最远距离。

准直物镜5满足两个要求，一是接收视场大于光纤出射激光的发散角，二是准直后的光束发散角不大于激光测距仪的接收视场角。

衰减器组6采用一系列定值标准衰减片组成，各衰减片的衰减系数已准确标定，通过不同衰减值的衰减片组合使用得到所需的衰减值。

实施例

如图1所示，校准激光测距仪最大测程时，采用光纤来模拟激光的传输相当于镜面反射，由于激光测距仪的有效接收口径远大于从光纤出射的光斑大小，因此当激光束的发散角不大于接收视场角时，测距方程为：

prmin——最小可探测功率；

pt——激光器的发射功率；

kt——激光测距仪发射光学系统透过率；

kr——激光测距仪接收光学系统透过率；

α1——光纤消光比试验时的大气衰减系数；

l1——激光测距仪到光纤延时装置的大气距离总长；

m1——光纤消光比试验时所加的衰减片的衰减倍率；

m2——光纤消光比试验时的激光接收耦合及准直的衰减倍率；

m3——光纤消光比试验时的可变光纤延时系统的衰减倍率；

在被校激光测距仪实际工作过程中，当有合作靶标配合时，其测距方程为：

prmin——最小可探测功率；

pt——激光器的发射功率；

τt——激光测距仪发射光学系统的透过率；

τr——激光测距仪接收光学系统的透过率；

ar——接收光学系统的接收面积；

as——被测目标的有效反射面积(靶标有效面积)；

θ——激光发散角；

σ——大气衰减系数，可以按经验公式计算：v为大气能见度σ＝2.14/v；

ξ——大气斜程补偿系数，根据经验通常取0.44；

r——被测目标距离(即最大测程)；

激光测距仪实际工作中，当达到最大测程时，其接收回波达到临界稳定测距状态，对应的激光功率为最小可探测功率prmin；在使用激光测距校准装置对其进行校准时，通过在光路中加入衰减片对测距仪接收的激光进行衰减，使其达到临界稳定测距状态时，此时对应的激光功率也为最小可探测功率prmin。因此可以联立上述两个测距方程，在光纤模拟测距条件的测距方程中，标定出激光测距校准装置光路中衰减片衰减倍率m1、激光接收耦合准直衰减倍率m2和光纤模拟器衰减倍率m3等所有传输过程对激光的各项衰减倍率，以及光纤消光比试验时的大气衰减系数α1，激光测距机到光纤模拟器的大气距离总长l1；在实际工作条件下的测距方程中，标定出接收光学系统的接收面积ar，被测目标的有效反射面积as，激光发散角θ，大气衰减系数σ，大气斜程补偿系数ξ等相应的各项参数，在激光测距仪的激光器发射功率和发射光学系统透过率、接收光学系统透过率确定的情况下，联立方程只有一个未知数，即被测目标距离r，进而可算出其值，即激光测距机的最大测程。

进一步的，在最大测程校准过程中，需要光纤模拟实际大气中500m远的室外靶标的距离，根据公式：

nc光纤＝c真空

可以算出，需要的光纤环长度为681.7m，以136.3m为标准单段距离光纤长度算出所需光纤环即136.3×2⁰+136.3×2²m，需要第一个光开关和第三个光开关打开，连接第一段和第三段光纤，才能满足模拟500m实际距离的需求。

进一步的，在测距精度校准过程中，采用几段不同长度的光纤作为延迟单元，通过光开关的闭合和拓扑结构来控制光纤路径的长短，距离选通标准模块用可变光纤延迟线来实现，根据需要调节光开关以确定最佳测程精度。被校设备通过光纤模拟装置对该模拟距离进行要求次数的测距，根据下式，最后求得测距与模拟距离偏差的均方根值即为测距精度。

σ——测距精度

li——第i次测距测量值

l0——模拟距离标定值

n——测量次数

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。