一種水下激光測(cè)距儀及測(cè)距方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種水下測(cè)距儀，特別是一種使用光學(xué)方法精確測(cè)距，能滿足工程作 業(yè)、科學(xué)研宄、無人勘探等需要的水下測(cè)距儀。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光測(cè)距儀是利用激光對(duì)目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定的儀器。相位法激光測(cè)距使用激光器 向目標(biāo)發(fā)射一束細(xì)激光，通過激光相位檢測(cè)元件接收反射的激光束，根據(jù)接受激光的相位 延遲計(jì)算距離，其測(cè)量精度極高，一般為毫米級(jí)。
[0003] 激光測(cè)距儀已經(jīng)廣泛應(yīng)用于陸上精密測(cè)距，但由于其所計(jì)算距離讀數(shù)與光傳播介 質(zhì)的折射率有關(guān)，而不同水體光學(xué)性質(zhì)有較大差別，因此至今未有用于水下測(cè)距的激光測(cè) 距儀。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明克服了普通激光測(cè)距儀所測(cè)距離受光傳輸介質(zhì)折射率影響的缺點(diǎn)，提供了 一種對(duì)水下目標(biāo)精確測(cè)距的水下激光測(cè)距儀。
[0005] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種水下激光測(cè)距 儀，其特征在于，包括密封箱、支架、第一激光測(cè)距模塊、第二激光測(cè)距模塊、前反射板、后反 射板、步進(jìn)電機(jī)、輸出接口、電源、控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和 顯示模塊。
[0006] 所述電源、控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和顯示模塊均 置于密封箱內(nèi)；所述步進(jìn)電機(jī)置于密封箱內(nèi)，其輸出軸穿過密封箱的上表面，所述前反射板 與步進(jìn)電機(jī)的輸出軸固定連接。
[0007] 所述第一激光測(cè)距模塊包括第一激光相位探測(cè)裝置和第一激光發(fā)射裝置；所述第 二激光測(cè)距模塊包括第二激光相位探測(cè)裝置和第二激光發(fā)射裝置；所述第一激光測(cè)距模 塊、后反射板和支架依次固定在密封箱的上表面，所述第二激光測(cè)距模塊與支架轉(zhuǎn)動(dòng)連接； 所述前反射板置于第一激光測(cè)距模塊和后反射板之間，所述第一激光發(fā)射裝置的發(fā)射口正 對(duì)后反射板，其激光出射方向與后反射板的中軸線在同一水平面，相互平行且不重合；所述 第一激光測(cè)距模塊、第二激光測(cè)距模塊、步進(jìn)電機(jī)、輸出接口、控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù) 據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和顯示模塊均由電源供電；所述第一激光測(cè)距模塊、第二激光測(cè) 距模塊、步進(jìn)電機(jī)、數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊和輸出接口均與控制模塊相連；所述第一激光 測(cè)距模塊、第二激光測(cè)距模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)處理模塊均與數(shù)據(jù)采集模塊相連，所述 數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊和輸出接口均與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊相連；所述顯示模塊設(shè)有顯示窗口， 所述顯示窗口嵌于密封箱的上表面。
[0008] 所述第一激光發(fā)射裝置和第二激光發(fā)射裝置發(fā)射頻率可變的激光光束，第一激光 相位探測(cè)裝置和第二激光相位探測(cè)裝置可精確測(cè)量反射激光相位；發(fā)射激光頻率、相位及 探測(cè)激光相位信息傳輸至數(shù)據(jù)采集模塊。
[0009] 所述前反射板和后反射板為定標(biāo)物體，反射第一激光測(cè)距模塊發(fā)射的激光；由步 進(jìn)電機(jī)控制前反射板的旋轉(zhuǎn)，從而確定入射激光由哪塊反射板反射；前反射板與第一激光 發(fā)射裝置之間的距離X1、后反射板與第一激光發(fā)射裝置之間的距離&均已知。
[0010] 所述第一激光測(cè)距模塊測(cè)量第一激光測(cè)距模塊與兩個(gè)反射板間距離，第二激光測(cè) 距模塊測(cè)量第二激光測(cè)距模塊與目標(biāo)物體間距離。
[0011] 所述數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)時(shí)采集第一激光發(fā)射裝置和第二激光發(fā)射裝置的發(fā)射激光 頻率和發(fā)射激光相位、第一激光相位探測(cè)裝置和第二激光相位探測(cè)裝置所探測(cè)的反射激光 相位；將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。
[0012] 所述數(shù)據(jù)處理模塊分為激光測(cè)距距離計(jì)算模塊與激光測(cè)距距離矯正模塊；所述 激光距離計(jì)算模塊根據(jù)發(fā)射激光頻率、發(fā)射激光相位及激光相位探測(cè)模塊所測(cè)反射激光相 位，計(jì)算未經(jīng)矯正的距離數(shù)據(jù)，具體為：分別記4和f s2為兩次發(fā)射激光的頻率；Δρ/為 當(dāng)發(fā)射激光頻率為4時(shí)，發(fā)射激光相位與相位探測(cè)模塊探得的反射激光相位的相位差； 為當(dāng)發(fā)射激光頻率為匕時(shí)，發(fā)射激光相位與相位探測(cè)模塊探得的反射激光相位的相 位差；c = 2. 9979X 108m/s為真空中光速，η = 1. 3333為純水中光的折射率，則激光測(cè)距儀 所測(cè)距離D :
[0013]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種水下激光測(cè)距儀，其特征在于，包括密封箱（I)、支架（2)、第一激光測(cè)距模塊 (4)、第二激光測(cè)距模塊（3)、前反射板（8)、后反射板（7)、步進(jìn)電機(jī)（9)、輸出接口（10)、電 源、控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和顯示模塊； 所述電源、控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和顯示模塊均置于 密封箱（1)內(nèi)；所述步進(jìn)電機(jī)（9)置于密封箱（1)內(nèi)，其輸出軸穿過密封箱（1)的上表面， 所述前反射板（8)與步進(jìn)電機(jī)（9)的輸出軸固定連接； 所述第一激光測(cè)距模塊（4)包括第一激光相位探測(cè)裝置（5)和第一激光發(fā)射裝置（6); 所述第二激光測(cè)距模塊（3)包括第二激光相位探測(cè)裝置（12)和第二激光發(fā)射裝置（13); 所述第一激光測(cè)距模塊（4)、后反射板（7)和支架（2)依次固定在密封箱（1)的上表面，所 述第二激光測(cè)距模塊（3)與支架（2)轉(zhuǎn)動(dòng)連接；所述前反射板（8)置于第一激光測(cè)距模塊 (4)和后反射板（7)之間，所述第一激光發(fā)射裝置（6)的發(fā)射口正對(duì)后反射板（7)，其激光 出射方向與后反射板（7)的中軸線在同一水平面，相互平行且不重合；所述第一激光測(cè)距 模塊（4)、第二激光測(cè)距模塊（3)、步進(jìn)電機(jī)（9)、輸出接口（10)、控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、 數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和顯示模塊均由電源供電；所述第一激光測(cè)距模塊（4)、第二 激光測(cè)距模塊（3)、步進(jìn)電機(jī)（9)、數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊和輸出接口（10)均與控制模塊 相連；所述第一激光測(cè)距模塊（4)、第二激光測(cè)距模塊（3)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)處理模塊 均與數(shù)據(jù)采集模塊相連，所述數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊和輸出接口均與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊相連； 所述顯示模塊設(shè)有顯示窗口（11)，所述顯示窗口（11)嵌于密封箱（1)的上表面； 所述數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)時(shí)采集第一激光發(fā)射裝置（6)和第二激光發(fā)射裝置（13)的發(fā)射 激光頻率和發(fā)射激光相位、第一激光相位探測(cè)裝置（5)和第二激光相位探測(cè)裝置（12)所探 測(cè)的反射激光相位；將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊； 所述數(shù)據(jù)處理模塊分為激光測(cè)距距離計(jì)算模塊與激光測(cè)距距離矯正模塊；所述激光距 離計(jì)算模塊根據(jù)發(fā)射激光頻率、發(fā)射激光相位及激光相位探測(cè)模塊所測(cè)反射激光相位，計(jì) 算未經(jīng)矯正的距離數(shù)據(jù)，具體為：分別記4和1 2為兩次發(fā)射激光的頻率；為當(dāng)發(fā)射激 光頻率為4時(shí)，發(fā)射激光相位與相位探測(cè)模塊探得的反射激光相位的相位差；為當(dāng) 發(fā)射激光頻率為4時(shí)，發(fā)射激光相位與相位探測(cè)模塊探得的反射激光相位的相位差；c = 2. 9979Χ 108m/s為真空中光速，η = 1. 3333為純水中光的折射率，則激光測(cè)距儀所測(cè)距離 D ：
所述激光測(cè)距距離矯正模塊對(duì)前反射板（8)與第一激光發(fā)射裝置（6)之間的距離Xn 后反射板（7)與第一激光發(fā)射裝置（6)之間的距離X2作矩陣運(yùn)算，獲得矯正系數(shù)；矯正系 數(shù)計(jì)算公式如下：
其中，i為第一激光測(cè)距模塊（4)所測(cè)的第一激光測(cè)距模塊（4)到前反射板（8)的 距離，2為第一激光測(cè)距模塊（4)所測(cè)的第一激光測(cè)距模塊（4)到后反射板（7)的距離， X1為前反射板（8)與第一激光發(fā)射裝置（6)之間的距離，X2為后反射板（7)與第一激光發(fā) 射裝置（6)之間的距離，\和父 2均已知，a、b為矯正系數(shù)；對(duì)第二激光測(cè)距模塊⑶做距離 矯正的原理如下： L = a · L' +b (3) 其中L'為第二激光測(cè)距模塊（3)測(cè)得的距離，L為矯正后的距離，亦即實(shí)際距離。
2. -種利用權(quán)利要求1所述水下激光測(cè)距儀的激光測(cè)距方法，其特征在于，包括以下 步驟： (1) 控制模塊控制步進(jìn)電機(jī)（9)，將前反射板（8)旋轉(zhuǎn)至與激光方向垂直的位置，測(cè)量 第一激光測(cè)距模塊（4)到前反射板（8)之間的距離t 1;控制模塊控制步進(jìn)電機(jī)（9)，將前 反射板（8)旋轉(zhuǎn)至與激光方向平行的位置，測(cè)量第一激光測(cè)距模塊（4)到后反射板（7)之 間的距離t 2;距離D計(jì)算公式如下：
其中，fsl和fs2為兩次發(fā)射激光的頻率；為當(dāng)發(fā)射激光頻率為fsl時(shí)，發(fā)射激光相 位與相位探測(cè)模塊探得的反射激光相位的相位差；為當(dāng)發(fā)射激光頻率為4時(shí)，發(fā)射 激光相位與相位探測(cè)模塊探得的反射激光相位的相位差；c = 2. 9979X 108m/s為真空中光 速，η = 1. 3333為純水中光的折射率； (2) 將前反射板（8)與第一激光發(fā)射裝置（6)之間的距離X1、后反射板（7)與第一激光 發(fā)射裝置（6)之間的距離X 2作矩陣運(yùn)算，獲得矯正系數(shù)；矯正系數(shù)a、b的計(jì)算公式如下：
(3) 控制模塊控制第二激光測(cè)距模塊（3)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)物體，通過第二激光測(cè)距模塊（3)測(cè) 量第二激光測(cè)距模塊（3)到目標(biāo)物體的距離L'，距離計(jì)算公式同步驟（1); (4) 對(duì)步驟（3)測(cè)得的距離L'進(jìn)行矯正，得到實(shí)際距離L，矯正公式如下： L = a · L' +b (3)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種水下激光測(cè)距儀及測(cè)距方法，該測(cè)距儀包括密封箱、支架、第一激光測(cè)距模塊、第二激光測(cè)距模塊、前反射板、后反射板、步進(jìn)電機(jī)、輸出接口、電源、控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和顯示模塊；本發(fā)明激光測(cè)距儀使用第一激光測(cè)距模塊對(duì)兩塊距離已知的反射板測(cè)距，根據(jù)擬合算法獲取矯正系數(shù)，并根據(jù)矯正算法矯正第二激光發(fā)測(cè)距模塊對(duì)目標(biāo)物體所測(cè)距離數(shù)據(jù)，獲得高精度水下距離。本激光測(cè)距儀測(cè)量精度與水體折射率等光學(xué)特性無關(guān)，具有測(cè)量精度高、使用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。
【IPC分類】G01S17-08
【公開號(hào)】CN104656093
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510059785
【發(fā)明人】宋宏, 郭乙陸, 許振宇, 劉嘉冰, 遲悅, 詹舒越, 黃慧, 陳鷹, 冷建興
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)
【公開日】2015年5月27日
【申請(qǐng)日】2015年2月1日