降低接收光路背景杂散光干扰的系统及其降扰方法
阅读说明：本技术 降低接收光路背景杂散光干扰的系统及其降扰方法 (System for reducing stray light interference of background of receiving light path and interference reduction method thereof ) 是由 冯新文 张俊双 徐国辉 吕通发 牟鑫 吕超 何永春 鲍明正 袁晓磊 于世奇 傅裕 于 2021-07-20 设计创作，主要内容包括：本发明涉及降低接收光路背景杂散光干扰的系统及其降扰方法,其中系统包括包括激光发射准直头、窄带滤光片、第一45°反射镜、第二45°反射镜、非球面透镜、光栏、光电探测器和反射镜；激光发射准直头生成发射激光束,发射激光束依次经反射镜、第二45°反射镜、第一45°反射镜、窄带滤光片后照射在目标物上,发射激光束在目标物上发生反射后生成回波激光束；所述回波激光束依次经过窄带滤光片、第一45°反射镜、第二45°反射镜、非球面透镜、光栏后到达光电探测器。本发明通过增加接收光程,减小接收视场角,确保能接收到大部分回波激光束的同时减小太阳辐射的背景杂散光送入到光电探测器,从而提高信噪比,并实现仪器小型化及轻量化设计。(The invention relates to a system for reducing the stray light interference of a receiving light path background and an interference reducing method thereof, wherein the system comprises a laser emission collimation head, a narrow-band filter, a first 45-degree reflector, a second 45-degree reflector, an aspheric lens, a diaphragm, a photoelectric detector and a reflector; the laser emission collimation head generates an emission laser beam, the emission laser beam sequentially passes through the reflector, the second 45-degree reflector, the first 45-degree reflector and the narrow-band filter and then irradiates on a target object, and the emission laser beam is reflected on the target object to generate an echo laser beam; the echo laser beam reaches the photoelectric detector after sequentially passing through the narrow-band filter, the first 45-degree reflector, the second 45-degree reflector, the aspheric lens and the diaphragm. The invention reduces the receiving field angle by increasing the receiving optical path, ensures that most echo laser beams can be received, and simultaneously reduces the background stray light of solar radiation to be sent to the photoelectric detector, thereby improving the signal-to-noise ratio and realizing the miniaturization and lightweight design of instruments.)
技术领域
本发明属于远距离激光探测技术领域，特别涉及一种降低接收光路背景杂散光干扰的系统及降低接收光路背景杂散光干扰的方法。
背景技术
在目前的激光测距领域中，一般是采用激光测距仪器发射激光束照射目标物，然后接收目标物反射回来的回波激光即可计算出测距仪器与目标物之间的距离。发射的激光束具有发散角，称之为发射视场角，原则上接收视场角大于等于发射视场角即可接收到发射脉冲大部分的回波能量，为了增大探测的距离，需要加大接收视场角，但由于太阳光为连续光谱，存在与发射的激光束相同的波段，接收视场角的增大会导致更多的太阳或其它背景杂散光接收进来，从而引入较大的噪声，导致接收到背景杂散光的能量增强，使得信噪比降低，影响测量精度。但小的接收视场角，意味着接收焦距大，将使得激光测距仪器的体积增大，不利于仪器小型化及轻量化设计。
发明内容
为解决现有技术问题，本发明提出一种降低接收光路背景杂散光干扰的系统及其降扰方法，从而保证接收信号完整度的情况下压缩接收视场角，并减小背景杂散光的干扰，以提高信噪比及测量精度，实现测距仪器的小型化、轻量化设计。
依据本发明提出的降低接收光路背景杂散光干扰的系统，包括安装于激光测距仪内的激光发射准直头、窄带滤光片、第一45°反射镜、第二45°反射镜、非球面透镜、光栏、光电探测器和反射镜；
所述窄带滤光片、第一45°反射镜共光轴设置；所述第二45°反射镜、反射镜、非球面透镜、光栏以及光电探测器共光轴设置；第二45°反射镜与第一45°反射镜相互垂直设置，且第二45°反射镜位于第一45°反射镜正下方，反射镜与第二45°反射镜相互平行设置；
所述激光发射准直头用于生成发射激光束，所述发射激光束依次经反射镜、第二45°反射镜、第一45°反射镜、窄带滤光片后照射在目标物上，发射激光束在目标物上发生反射后生成回波激光束；
所述回波激光束依次经过窄带滤光片、第一45°反射镜、第二45°反射镜、非球面透镜、光栏后到达光电探测器，所述光电探测器的光敏面接收到回波激光束后将光信号转换成电信号。
进一步的，前述的系统还包括与光电探测器的输出端电性连接的数据处理模块，数据处理模块接收到电信号后进行处理，并将处理后所得的数据显示在于数据处理模块电性连接的图像显示单元。
进一步的，发射激光束的发散角设为α，则有0.2mrad≤α≤0.3mrad。优选的，发射激光束的发散角为0.28mrad。
进一步的，光电探测器的光敏面的接收视场角设为β，则有0.5mrad≤β≤1.2mrad。
进一步的，接收视场角为1mrad。
进一步的，激光发射准直头为光纤准直头，其发射1550±10nm波长的发射激光束，窄带滤光片用于将1550±10nm波长范围之外的背景杂散光滤除。
进一步的，非球面透镜将回波激光束转换为点光源汇聚到光电探测器的光敏面上，非球面透镜的焦距为30mm至100mm。
本发明还提出一种降低接收光路背景杂散光干扰的系统的降扰方法，包括以下步骤：
步骤S1、激光发射准直头生成发射激光束，发射激光束在反射镜的发射后依次经第二45°反射镜、第一45°反射镜、窄带滤光片后照射在目标物上，发射激光束经目标物反射后生成回波激光束；
步骤S2、回波激光束首先通过窄带滤光片进行滤光处理，以将回波激光束波长范围之外的背景杂散光滤除，从而只允许回波激光束所在波长范围内的光通过；
步骤S3、经窄带滤光片出来的回波激光束再依次经过第一45°反射镜、第二45°反射镜的反射后实现接收光路180°折转；
步骤S4、折转后的回波激光束再依次经过非球面透镜、光栏后到达光电探测器；
其中，回波激光束经过非球面透镜时进行聚焦处理，使回波激光束转换为点光源，以便于汇聚至光电探测器的光敏面上；所述光栏能进一步减少杂散光进入光电探测器的光敏面；
步骤S5、光电探测器的光敏面接收到回波激光束后，将光信号转换成电信号；光电探测器将电信号传递至数据处理模块进行数据处理，最终数据处理模块生成距离信息并传递至图像显示单元进行显示。
进一步的，在步骤S4中，由于在回波激光束返回至光电探测器的光程中，在经过反射镜时，反射镜将对回波激光束有阻挡作用，回波激光束在位于反射镜所在光路处上的投影面直径是反射镜在光路中直径的5至10倍，从而能够在激光测距仪的精度要求范围内忽略反射镜对回波激光束的阻挡影响。
借由上述技术方案，本发明在非球面透镜与光电探测器之间加入光栅结合增加光程的方式，减小接收视场角，降低了背景杂散光的引入干扰；考虑到目标物表面形状的复杂，能量集中区域反射角度会有增大，本发明中的光电探测器的光敏面尺寸配合非球面透镜的焦距设计，使得接收视场角约为发射视场角(发射激光束的发散角)的两至三倍或三倍以上，确保接收到大部分回波激光束能量的同时，减小太阳辐射的背景杂散光送入到光电探测器，从而进一步提高信噪比，提高仪器的测量精度。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明一种降低接收光路背景杂散光干扰的系统的结构原理框图。
图2是本发明一种降低接收光路背景杂散光干扰的系统中发射激光束的光程示意图。
图3是本发明一种降低接收光路背景杂散光干扰的系统中回波激光束的光程示意图。
图4是本发明一种降低接收光路背景杂散光干扰的系统中的接收视场角的示意图。
图5是本发明一种降低接收光路背景杂散光干扰的系统中发射激光束的发散角与接收视场角的关系示意图。
具体实施方式
以下结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案作进一步的详细说明。
请参阅图1至图5，一种降低接收光路背景杂散光干扰的系统，安装于激光测距仪内，其包括激光发射准直头001、窄带滤光片004、第一45°反射镜006、第二45°反射镜007、非球面透镜008、光栏009、光电探测器010及反射镜011；其中，激光发射准直头作为光源，生产发射激光束照射至目标物003，使目标物003反射回波激光束005回到本系统，以实现测距功能。具体而言，所述窄带滤光片004、第一45°反射镜006共光轴设置，二者处于同一水平面；所述第二45°反射镜007、反射镜011、非球面透镜008、光栏009以及光电探测器010在接收光程上依次共光轴设置；第二45°反射镜007与第一45°反射镜006相互垂直设置，且第二45°反射镜位于第一45°反射镜的正下方，反射镜011与第二45°反射镜007相互平行设置。反射镜011的尺寸远小于回波激光束005在接收光程上的投影面，因此，在激光测距仪的精度要求范围内，可忽略反射镜对回波激光束的在光路中的阻挡影响。本实施例中，回波激光束005在接收光程上的投影面是反射镜面积的。
结合图2，所述激光发射准直头用于生成发射激光束002，发射激光束002竖直向上射出，发射激光束002依次经反射镜011、第二45°反射镜007、第一45°反射镜006、窄带滤光片004后照射在目标物003上，发射激光束002在目标物003上发生反射后生成回波激光束005。
再结合图3，反射回来的回波激光束005与发射出去的发射激光束的光路重叠，且方向相反，回波激光束依次经过窄带滤光片004、第一45°反射镜006、第二45°反射镜007、非球面透镜008、光栏009后到达光电探测器010，以便于光电探测器010的光敏面接收到回波激光束后将光信号转换成电信号。
作为优选，所述激光发射准直头001选用光纤准直头，其发射1550±10nm波长的发射激光束，发射激光束的发散角小，本实施例中，发散角α的范围是，0.2mrad≤α≤0.3mrad，从而减小照射于目标物上的光斑大小，便于使得接收视场角能轻易完全覆盖远距离光斑。
在非球面透镜的前端接收光路中，窄带滤光片、第一45°反射镜之间的回波激光束与第二45°反射镜、非球面镜之间的回波激光束相互平行，且方向相反，从而形成折叠接收光路，通过相互垂直的第一、第二45°反射镜，使得回波激光束进入窄带滤光片后，光程为原光程的两倍，但激光测距仪器的长度不变，从而实现小型化及轻量化设计。同时，接收光程变长能使接收视场角变小，接收视场角变小则可实现降低背景杂散光的接收量，从而提高信噪比。结合图4，本实施例中，接收视场角设为β，则0.5mrad≤β≤1.2mrad，优选接收视场角为1mrad。此外，通过图4可知，接收视场角的大小与光电探测器与非球面透镜之间的距离(即非球面透镜的焦距)有关，以及光电探测器的光敏面大小有关；聚焦越小则接收视场角越大，二者为反比关系。
作为优选，所述非球面透镜具有聚焦能力，以将回波激光束转换为点光源汇聚到光电探测器的光敏面上，为了进一步减少光机(即激光测距仪)的长度，非球面透镜的焦距应设计的较短，本实施例中，焦距范围在30mm至100mm之间。该焦距的设计配合光电探测器的光敏面尺寸，使得本实施例中的接收视场角约为1mrad，相当于三倍以上的0.28mrad的发散角。
作为优选，在非球面透镜008的前端设置窄带滤光片004可对回波激光束进行滤光，滤除所需波长范围之外的背景杂散光，从而只允许发射激光束的波长范围内的光通过；例如上述发射激光束为1550±10nm的波长，则窄带滤光片004上的窗口只让该波长范围内的光通过，并隔离该波长范围外的所有干扰背景杂散光。值得说明的是，由于发射激光束通过窄带滤光片004时，是在光机内部传递光路，并没有暴漏在外，因此无需考虑背景杂散光，即窄带滤光片此时无需起到滤光作用。
非球面透镜008的后端设置光栏，可进一步隔离大于设计的接收视场角的杂散光进入光敏面。前面提及，光敏面的尺寸结合非球面透镜的焦距设计，使得最终接收视场角为1mrad，但值得说明的是，接收视场角只要大于发散角即可保证回波能量的充分接收，因此接收视场角与发散角的关系应在一个合理的范围，该范围是根据实际所需来设计，本发明对发散角、接收视场角以及二者之间的比例关系不作限制。
借由上述降低接收光路背景杂散光干扰的系统，其降低接收光路背景杂散光干扰的方法具体包括以下步骤：
步骤S1、激光发射准直头001生成发射激光束002，发射激光束002在反射镜011的发射后依次经第二45°反射镜007、第一45°反射镜6、窄带滤光片004后照射在目标物003上，发射激光束经目标物反射后生成回波激光束005；
步骤S2、回波激光束005首先通过窄带滤光片004进行滤光处理，以将回波激光束005波长范围之外的背景杂散光滤除，从而只允许回波激光束005所在波长范围内的光通过；
步骤S3、经窄带滤光片004出来的回波激光束005再依次经过第一45°反射镜006、第二45°反射镜007的反射后实现接收光路180°折转；
步骤S4、折转后的回波激光束005再依次经过非球面透镜008、光栏009后到达光电探测器010；
其中，回波激光束005经过非球面透镜008时进行聚焦处理，使回波激光束转换为点光源，以便于汇聚至光电探测器的光敏面上；所述光栏009能进一步减少杂散光进入光电探测器010的光敏面；
步骤S5、光电探测器010的光敏面接收到回波激光束后，将光信号转换成电信号；光电探测器将电信号传递至数据处理模块进行数据处理，最终数据处理模块生成距离信息并传递至图像显示单元进行显示。
值得说明的是，在步骤S4中，由于在回波激光束返回至光电探测器的光程中，在经过反射镜时，反射镜将对回波激光束具有极小的阻挡作用，本实施例中，回波激光束在位于反射镜所在光路处上的投影面直径是反射镜在光路中直径的5至10倍，优选5至6倍，总之反射镜011与回波激光束的直径相比尺寸非常小，从而能够在激光测距仪的精度要求范围内忽略反射镜对回波激光束的阻挡影响，从而几乎不影响测量结果。
本发明提出的降低接收光路背景杂散光干扰的系统的降扰方法，采用相互垂直的第一、第二45°反射镜实现了接收光路的折叠，增加了接收光程，减小了接收视场角，再结合在非球面透镜与光电探测器之间加入光栏的方式，进一步减少背景杂散光的引入。考虑到目标物表面形状的复杂，在能量集中区域反射角度会有所增大，本发明使得接收视场角β约为发散角α的两倍到三倍或三倍以上，确保接收到大部分回波能量的同时，减小太阳辐射的背景杂散光送入到光电探测器中，从而降低信噪比、影响测量精度。
结合图5，借由上述技术方案，接收视场半角S100(即接收视场角β的一半)大于发散半角S200(即发散角α的一半)，图示可以看出接收视场角能完全覆盖具有发散角的发射激光束照射在目标物上的光斑；否则在接收视场半角小于发散半角时，远距离目标接收视场覆盖范围将小于发射激光束照射于目标物上的光斑面积，使得回波能量不能被充分利用，接收灵敏度低。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
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