激光测距系统及方法

摘要

本发明提供一种激光测距系统及方法，包括：激光发射模块、发射接收共光路模块、激光接收模块和计算模块，发射接收共光路模块包括第一传输通道和第二传输通道，发射接收共光路模块，用于根据激光发射模块发射的初始激光信号，获得宽谱光源，通过第一传输通道使宽谱光源照射到所述待测物体上，并通过第二传输通道接收宽谱光源照射到待测物体上后反射回来的反射激光信号；计算模块，用于计算待测物体与激光测距系统的距离。本发明利用光纤的纤细特点，同时利用同一光纤中两条激光传输通道，实现发射和接收共光路测距，而无需使用多根光纤，极大地压缩了激光测距系统的探头所占体积，使探头更灵活，且具有较好的隐秘性。

权利要求

1.一种激光测距系统，其特征在于，包括：激光发射模块、发射接收共光路模块、激光接收模块和计算模块，所述发射接收共光路模块包括第一传输通道和第二传输通道，所述发射接收共光路模块分别与所述激光发射模块、所述激光接收模块连接，所述计算模块分别与所述激光发射模块、所述激光接收模块连接；

所述发射接收共光路模块，用于根据所述激光发射模块发射的初始激光信号，获得宽谱光源，通过所述第一传输通道使所述宽谱光源照射到待测物体上，并通过所述第二传输通道接收所述宽谱光源照射到所述待测物体上后反射回来的反射激光信号，所述宽谱光源包括所述激光接收模块探测到的多种波长的激光信号；

所述计算模块，用于根据发射所述初始激光信号的发射时刻和接收所述反射激光信号的接收时刻之间的时间差，计算所述待测物体与所述激光测距系统的距离；

所述发射接收共光路模块具体包括：全光纤传输单元、第一准直耦合单元和第一色散单元，所述全光纤传输单元包括主光纤，所述主光纤包括所述第一传输通道和所述第二传输通道，所述第一准直耦合单元与所述全光纤传输单元隔开，所述第一色散单元与所述第一准直耦合单元隔开；

所述全光纤传输单元，用于根据所述初始激光信号，获得宽谱光源，通过所述第一传输通道使所述宽谱光源从所述主光纤射出，并通过所述第二传输通道接收所述宽谱光源照射到所述待测物体上后反射回来的反射激光信号；

所述第一准直耦合单元，用于对所述宽谱光源准直，并对反射激光信号进行耦合，以使得所述全光纤传输单元通过所述第二传输通道接收所述反射激光信号；

所述第一色散单元，用于使准直后的宽谱光源发散，以使得所述宽谱光源照射到所述待测物体上。

2.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述主光纤的材料中包括稀土元素。

3.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述主光纤还包括第一光栅组和/或第二光栅组，所述第一光栅组包括多个反射率不低于90％的光栅，所述第二光栅组包括多个反射率在1％～30％之间的光栅。

4.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述主光纤两端的端面为斜面。

5.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述宽谱光源-3dB处的光谱宽度不小于5nm。

6.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述激光发射模块具体包括：970nm～980nm波长的半导体激光器。

7.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述激光接收模块具体包括：第二准直耦合单元、第二色散单元和探测单元；

所述第二准直耦合单元，用于对所述反射激光信号进行准直；

所述第二色散单元，用于对准直后的反射激光信号进行发散；

所述探测单元，用于对发散后的反射激光信号进行接收。

8.一种权利要求1～7任一所述激光测距系统的激光测距方法，其特征在于，包括：通过所述发射接收共光路模块根据所述激光发射模块发射的初始激光信号，获得宽谱光源，通过所述第一传输通道使所述宽谱光源照射到所述待测物体上，并通过所述第二传输通道接收所述宽谱光源照射到所述待测物体上后反射回来的反射激光信号，所述宽谱光源包括所述激光接收模块探测到的多种波长的激光信号；

通过所述计算模块根据发射所述初始激光信号的发射时刻和接收所述反射激光信号的接收时刻之间的时间差，计算所述待测物体与所述激光测距系统的距离。

说明书

激光测距系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及激光测距领域，更具体地，涉及一种激光测距系统及方法。

背景技术

[0002] 目前，激光测距需要测量发出的激光信号与接收到物体返回的信号的时间差，通过时间差计算待测物体与激光测距仪的距离。目前的激光测距系统中，至少包含了一个激光发射探头和一个激光接收探头，激光发射探头和激光接收探头统称为探头，激光发射探头用来发射激光信号，激光接收探头用来接收物体返回的激光信号。为了使探测到的信号足够强，接收探头通常还需要占用较大体积。例如某些需要进行标定的激光测距仪，都具有分离的发射端和接收端，这样的系统中光路空间布局多余重复；同时，为了实现对激光发射和接收端的控制，通常需要将信号处理模块等部件也安装在发射端和/或者接收端的附近，这些特点导致整个激光测距系统布局摆放不自由，浪费了空间资源，限制了激光测距系统在复杂、拥挤或者恶劣的工作环境下的测距应用。

[0003] 为了增加激光测距系统的自由度和灵活性，其关键在于使激光测距系统的探头具有微小、灵活的特性。光纤具有良好的传导光的能力，可弯曲，且占用空间体积小，通过经受多种物理和化学处理以实现颜色、表面平整度、肉眼不易察觉等需求。生活中接触的光纤由于带有线缆套，看起来较粗，但实际上有使用价值的部分，是剥去线缆套和塑料纤维后剩余的那一部分，直径通常在0.1mm数量级左右，在环境中几乎是“隐身的”。由此，可以使用光纤来增加激光测距系统的自由度和灵活性。

[0004] 有一些激光测距系统虽然使用了光纤，但依然具有分离的激光信号发射端和接收端，例如一种医用光纤探头激光定位器中使用了两根光纤将激光信号的发射探头和接收探头从测距系统的仪器主体部分分离出来，但为了保证能接收到待测对象的返回激光信号，还需要将多根光纤包裹在粗大的线缆套中，导致探头体积庞大；又如一种高耐久长标距光纤光栅传感器公开的光纤测距方案中，使用了一路发射光纤和多路接收光纤，整个发射和接收探头部分的体积庞大。

[0005] 类似上述使用光纤作为探头的设计不能达到明显缩小探头所占空间体积的目的，更远远无法实现激光测距系统在环境中的“隐身”，不满足实用要求、美观或者保密需求，不具有竞争优势。

发明内容

[0006] 本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种激光测距系统及方法。

[0007] 根据本发明的一个方面，提供一种激光测距系统，包括：激光发射模块、发射接收共光路模块、激光接收模块和计算模块，所述发射接收共光路模块包括第一传输通道和第二传输通道，所述发射接收共光路模块分别与所述激光发射模块、所述激光接收模块连接，所述计算模块分别与所述激光发射模块、所述激光接收模块连接；所述发射接收共光路模块，用于根据所述激光发射模块发射的初始激光信号，获得宽谱光源，通过所述第一传输通道使所述宽谱光源照射到所述待测物体上，并通过所述第二传输通道接收所述宽谱光源照射到所述待测物体上后反射回来的反射激光信号，所述宽谱光源包括所述激光接收模块探测到的多种波长的激光信号；所述计算模块，用于根据发射所述初始激光信号的发射时刻和接收所述反射激光信号的接收时刻之间的时间差，计算所述待测物体与所述激光测距系统的距离。

[0008] 优选地，所述发射接收共光路模块具体包括：全光纤传输单元、第一准直耦合单元和第一色散单元，所述全光纤传输单元包括主光纤，所述主光纤包括所述第一传输通道和所述第二传输通道，所述第一准直耦合单元与所述全光纤传输单元隔开，所述第一色散单元与所述第一准直耦合单元隔开；所述全光纤传输单元，用于根据所述初始激光信号，获得宽谱光源，通过所述第一传输通道使所述宽谱光源从所述主光纤射出，并通过所述第二传输通道接收所述宽谱光源照射到所述待测物体上后反射回来的反射激光信号；所述第一准直耦合单元，用于对所述宽谱光源准直，并对反射激光信号进行耦合，以使得所述全光纤传输单元通过所述第二传输通道接收所述反射激光信号；所述第一色散单元，用于使准直后的宽谱光源发散，以使得所述宽谱光源照射到所述待测物体上。

[0009] 优选地，所述主光纤的材料中包括稀土元素。

[0010] 优选地，所述主光纤还包括第一光栅组和/或第二光栅组，所述第一光栅组包括多个反射率不低于90％的光栅，所述第二光栅组包括多个反射率在1％～30％之间的光栅。

[0011] 优选地，所述主光纤两端的端面为斜面。

[0012] 优选地，所述宽谱光源-3dB处的光谱宽度不小于5nm。

[0013] 优选地，所述激光发射模块具体包括：970nm～980nm波长的半导体激光器。

[0014] 优选地，所述激光接收模块具体包括：第二准直耦合单元、第二色散单元和探测单元；所述第二准直耦合单元，用于对所述反射激光信号进行准直；所述第二色散单元，用于对准直后的反射激光信号进行发散；所述探测单元，用于对发散后的反射激光信号进行接收。

[0015] 根据本发明的另一个方面，提供一种激光测距方法，包括：

[0016] 通过所述发射接收共光路模块根据所述激光发射模块2发射的初始激光信号，获得宽谱光源，通过所述第一传输通道使所述宽谱光源照射到所述待测物体上，并通过所述第二传输通道接收所述宽谱光源照射到所述待测物体上后反射回来的反射激光信号，所述宽谱光源包括所述激光接收模块探测到的多种波长的激光信号；通过所述计算模块根据发射所述初始激光信号的发射时刻和接收所述反射激光信号的接收时刻之间的时间差，计算所述待测物体与所述激光测距系统的距离。

[0017] 本发明提出一种激光测距系统及方法，利用光纤的纤细特点，同时利用光纤第一传输通道和第二传输通道提供的两条激光传输通道，实现发射和接收共光路测距，而无需使用多根光纤，极大地压缩了激光测距系统的探头所占体积，使探头更灵活，且具有较好的隐秘性；利用光纤可弯曲、可配置长度的特点，可以实现激光测距系统的其他部分与发射探头、接受探头适当地远离，从而提升激光测距系统的空间布局自由度，使探测的方向、姿势、角度更灵活，不受激光测距系统其他部分臃肿体积的影响，并且使得探头能工作在狭窄、凹凸不平、反复折弯、遮挡、潮湿、浸没、密封、电磁干扰、辐射等复杂或者恶劣工作条件下，而将激光测距系统其他部分置于安全位置，无需考虑系统电路的防护措施或者供电牵线等问题；同时利用本激光测距系统的光源的宽光谱特性，在同一时刻实现对空间单线上的点的快速测距，而无需在该点列的维度上机械旋转探头来实现空间扫描，既提高了空间三维结构或者面型的测量速度，又因为避免了过多依赖机械驱动部件而极大地节约了探头体积，提升了探头布局的自由度和灵活性，且减少了机械振动等带来的测量精度、准确度下降问题。

附图说明

[0018] 图1为本发明实施例一种激光测距系统的结构示意图；

[0019] 图2为本发明实施例一种激光测距系统的激光发射光路的示意图；

[0020] 图3为本发明实施例一种激光测距系统的激光接收光路的示意图；

[0021] 图4为本发明实施例一种接收发射共光路激光测距系统的初始激光信号在主光纤中传输过程示意图；

[0022] 图5为本发明实施例一种接收发射共光路激光测距系统的反射激光信号在主光纤中传输过程示意图；

[0023] 图6为本发明实施例一种激光测距系统的光栅设置示意图。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

[0025] 光纤激光器是一种常用的激光器，通过用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来：在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，当适当加入正反馈回路便可形成激光振荡输出。

[0026] 在光纤激光器中常用的包层泵浦技术，就是将光纤激光器所需的泵浦光注入到光纤的第二传输通道，这些泵浦光越过第一传输通道和第二传输通道之间的界面而进入第一传输通道，同时激发增益介质发出激光，但是增益介质激发的激光因为第一传输通道和第二传输通道之间的界面束缚而不能进入包层，这一技术实际上提示了，在同一根光纤中可以传输“两束光”。

[0027] 图1为本发明实施例一种激光测距系统的结构示意图，如图1所示，该激光测距系统包括：激光发射模块2、发射接收共光路模块、激光接收模块3和计算模块4，所述发射接收共光路模块包括第一传输通道和第二传输通道，所述发射接收共光路模块分别与所述激光发射模块、所述激光接收模块3连接，所述计算模块4分别与所述激光发射模块、所述激光接收模块3连接；所述发射接收共光路模块，用于根据所述激光发射模块发射的初始激光信号，获得宽谱光源，通过所述第一传输通道使所述宽谱光源照射到所述待测物体上，并通过所述第二传输通道接收所述宽谱光源照射到所述待测物体上后反射回来的反射激光信号，所述宽谱光源包括所述激光接收模块3探测到的多种波长的激光信号；所述计算模块4，用于根据发射所述初始激光信号的发射时刻和接收所述反射激光信号的接收时刻之间的时间差，计算所述待测物体与所述激光测距系统的距离。

[0028] 发射接收共光路模块包括一路主光纤10，主光纤10包括第一传输通道12和第二传输通道13，激光发射模块2通过第一光纤15与发射接收共光路模块连接，激光接收模块3通过第二光纤16与发射接收共光路模块连接，计算模块4分别与激光发射模块2、激光接收模块3的两端连接。

[0029] 在激光测距系统工作过程中，激光发射模块2发射初始激光信号，初始激光信号也就是上面所说的泵浦光，经过第一光纤15传输至主光纤10中，第一光纤15与主光纤10的第二传输通道13耦合，初始激光通过第一光纤15进入主光纤10的第二传输通道13，通过第二传输通道13和第一传输通道12之间的界面，进入第一传输通道12，激发主光纤10中的增益介质发出激光，但是增益介质激发的激光因为第一传输通道12和第二传输通道13之间的界面束缚而不能进入第二传输通道13，增益介质激发的激光在通过主光纤10的第一传输通道12时得到放大，然后在主光纤10的末端出射，得到宽谱光源，该宽谱光源包括多个中心波长不同的激光，出射宽谱脉冲激光信号具有比激光二极管(LD)更高的光束质量。

[0030] 需要说明的是，所谓的增益介质，根据激光测距系统需要的中心波长和所使用的泵浦源，可以是镱、铒、铥、钬、镨等稀土元素，或者其他物质组合。

[0031] 由待测物体返回的反射激光信号，反射激光信号的数值孔径通常大于主光纤10的第一传输通道12的数值孔径，故几乎不能进入主光纤10的第一传输通道12，如果此时由主光纤10的第一传输通道12接收返回光信号，则接收效率非常低。因此，反射激光信号主要在主光纤10的第二传输通道13中传输。

[0032] 第二光纤16也与主光纤10的第二传输通道13耦合，反射激光信号通过第二光纤16由激光接收模块3接收，计算模块4根据激光发射模块2发射初始激光信号与激光接收模块3接收到反射激光信号的时间差，计算出待测物体距激光测距系统的距离。

[0033] 例如，激光测距系统与待测物体之间的环境折射率为n，光纤在光路中的等效光程为l，真空光速为c，可得待测物体与激光测距系统之间的距离s为：

[0034]

[0035] 需要说明的是，第一光纤15与主光纤10的第二传输通道13耦合和第二光纤16也与主光纤10的第二传输通道13耦合的位置、方向没有必须的要求，以适应实际使用环境下的系统结构和实现测距效果为准。

[0036] 还需要说明的是，具有第一传输通道和多个第二传输通道的光纤，或者横向折射率分布连续变化的光纤，任何等效于光纤的第一传输通道和第二传输通道的、可供初始激光信号和反射激光信号使用的两个传输通道的物体，都可以作为主光纤使用，其传输初始激光信号的通道就等效地成为本发明所称的第一传输通道，传输反射激光信号的通道就等效地成为本发明所称的第二传输通道。

[0037] 本发明利用光纤的纤细特点，同时利用光纤第一传输通道和第二传输通道提供的两条光传输通道，实现发射和接收共光路测距，而无需使用多根光纤，极大地压缩了激光测距系统的探头所占体积，使探头更灵活，且具有较好的隐秘性；利用光纤可弯曲、可配置长度的特点，可以实现激光测距系统的其他部分与发射和接受探头适当地远离，从而提升系统的空间布局自由度，使探测的方向、姿势、角度更灵活，不受激光测距系统其他部分臃肿体积的影响，并且使得探头能工作在狭窄、凹凸不平、反复折弯、遮挡、潮湿、浸没、密封、电磁干扰、辐射等复杂或者恶劣工作条件下，而将系统其他部分置于安全位置，无需考虑系统电路的防护措施或者供电牵线等问题；同时利用本激光测距系统的光源的宽光谱特性，在同一时刻实现对空间单线上的点的快速测距，而无需在该点列的维度上机械旋转探头来实现空间扫描，既提高了空间三维结构或者面型的测量速度，又因为避免了过多依赖机械驱动部件而极大地节约了探头体积，提升了探头布局的自由度和灵活性，且减少了机械振动等带来的测量精度、准确度下降问题。

[0038] 在上述实施例的基础上，优选地，所述发射接收共光路模块具体包括：全光纤传输单元1、第一准直耦合单元5和第一色散单元6，所述全光纤传输单元1包括主光纤10，所述主光纤10包括所述第一传输通道12和所述第二传输通道13，所述第一准直耦合单元5与所述全光纤传输单元1隔开，所述第一色散单元6与所述第一准直耦合单元5隔开；所述全光纤传输单元1，用于根据所述初始激光信号，获得宽谱光源，通过所述第一传输通道12使所述宽谱光源从所述主光纤10射出，并通过所述第二传输通道13接收所述宽谱光源照射到所述待测物体上后反射回来的反射激光信号；所述第一准直耦合单元5，用于对所述宽谱光源准直，并对反射激光信号进行耦合，以使得所述全光纤传输单元1通过所述第二传输通道13接收所述反射激光信号；所述第一色散单元6，用于使准直后的宽谱光源发散，以使得所述宽谱光源照射到所述待测物体上。

[0039] 发射接收共光路模块具体可以包括以下几个模块：全光纤传输单元1、准直耦合单元5和第一色散单元6。

[0040] 全光纤传输单元1的端口包括至少1个泵浦起始端151；至少一个探测末端169；至少1个主光纤末端19。从泵浦起始端151沿光纤出发到达第一个光纤耦合点的部分称为第一光纤15；从探测末端169沿光纤出发到达第一个光纤耦合点的部分称为第二光纤16。

[0041] 全光纤传输单元1中包括主光纤10、第一光纤15和第二光纤16，其中，主光纤10为掺杂了稀土元素的双包层光纤，稀土元素是指镱、铒、铥、钬、镨等，主光纤10分为第一传输通道12和第二传输通道13两层。

[0042] 准直耦合单元5与全光纤传输单元1以一定间距隔开，准直耦合单元5用于将主光纤10出射的激光信号的光束进行准直，同时将待测物体的反射激光信号进行压缩，使其更易于耦合到主光纤10的第二传输通道13中。

[0043] 第一色散单元6可以经过准直耦合单元5后的准直激光信号分散到不同的方向，每个方向上激光走过的距离就是待测目标与激光测距系统的距离。

[0044] 在激光测距系统使用过程中，图2为本发明实施例一种激光测距系统的激光发射光路的示意图，如图2所示，图中的箭头表示初始激光信号的传输方向，激光发射模块2发射初始激光信号，经过第一光纤15，传输到主光纤10的第一传输通道12中，激发第一传输通道12中激光增益介质发出激光，该激光为一个放大自发辐射宽谱光源，然后经过准直耦合单元5后，变成准直激光，然后进入第一色散单元6，第一色散单元6对准直激光分散到不同的方向，分散后的激光照射到待测物体上。

[0045] 图3为本发明实施例一种激光测距系统的激光接收光路的示意图，如图3所示，图中的箭头表示反射激光信号的传输方向，待测目标对分散后不同方向的激光进行反射，反射激光信号经过第一色散单元6后，再经过准直耦合单元5，准直耦合单元5对发散的反射激光信号进行准直，使反射激光信号更易于耦合到光纤10的第二传输通道13中。反射激光信号在光纤10的第二传输通道13中传输，经过第二光纤16达到激光接收模块3中。计算模块4根据激光发射模块2发射初始激光信号与激光接收模块3接收到反射激光信号的时间差，计算出待测物体距激光测距系统的距离。

[0046] 本发明通过合理设置系统结构及参数，使得返回光信号可以耦合进入主光纤第二传输通道传输，这样就增加了主光纤的接收能力。进入主光纤第二传输通道的反射激光信号经过第二光纤，被激光接收模块探测到。激光发生模块和激光接收模块都与计算模块连接，当计算模块测得整个系统发出初始激光信号到接收反射激光信号的时间差时，便可结合其他数据计算出待测物体距离激光测距系统的距离。

[0047] 在上述实施例的基础上，优选地，所述主光纤两端的端面为斜面。

[0048] 在主光纤10的末端19以及主光纤10的闲置端11上切出斜角，以抑制光纤内端面反射形成谐振腔，控制脉冲时域宽度。在主光纤10的端口上，应进行减反处理，这样可以降低主光纤10中的光在末端内侧的反射，抑制主光纤中的谐振腔效应，这种处理可以是将主光纤末端做成斜角。

[0049] 在上述实施例的基础上，优选地，所述主光纤的材料中包括稀土元素。

[0050] 在上述实施例的基础上，具体地，在主光纤末端19后方是准直耦合单元5，耦合准直单元5包括但不限于凸透镜，本实施例以凸透镜组成的准直耦合单元5为例。准直耦合单元5包括第一凸透镜51和第二凸透镜52，若第一凸透镜51的焦距为f1，第二凸透镜52的焦距为f2，利用光路计算的公式可知，第一凸透镜51和第二凸透镜52之间的间距应大于或等于f1+f2，且第一凸透镜51与主光纤10距离应该典型地固定在这样的值，这样的值使得此时由通过第一凸透镜51后的激光光束的光腰落在第二凸透镜52的前焦面上，这样，从主光纤10出射的放大后的初始激光信号可获得最好的准直效果。同时，又能使反射激光信号更容易耦合到主光纤10的第二传输通道13中。

[0051] 使用透镜系统，最简单地，使用一枚凸透镜，调节其焦距和位置，使得其对于主光纤中的第一传输通道出射的激光信号光束实现准直，并且使得反射激光信号能够通过透镜系统得到相对地会聚，提高返回光耦合进入主光纤中第二传输通道的效率。另外，除了采用与主光纤分离的透镜系统，也可以采用在主光纤末端灼烧、腐蚀、磨抛、粘贴形成光纤微透镜，或者连接扩束光纤、自聚焦光纤等手段，实现准直与耦合的功能。

[0052] 需要说明的是，使用单透镜、其他透镜组或者使用在主光纤末端灼烧、腐蚀、磨抛、粘贴形成的光纤微透镜、扩束光纤等方法形成准直与耦合系统，也是可以的。

[0053] 在上述实施例的基础上，具体地，在准直耦合单元5的后方设置色散单元6，色散单元6包括一组相同距离设置的一个棱镜组61，该棱镜组61包括但不限于直视棱镜，本实施例以直视棱镜为例，选择1064nm左右作为直视棱镜的中心波长，并且使角色散率达到0.05°/nm，这样，对于如上典型使用的20nm光谱宽度，可以在100米以外获得约1.74m长度的单线上的各点距离信息。

[0054] 在上述实施例的基础上，具体地，激光发射模块具体为脉冲式半导体激光器21，通过第一光纤15与发射接收共光路模块连接。将第一光纤15典型地与976nm左右的脉冲半导体激光器21连接。

[0055] 在上述实施例的基础上，具体地，所述激光接收模块3具体包括：第二准直耦合单元31、第二色散单元32和探测单元33；所述第二准直耦合单元31，用于对所述反射激光信号进行准直；所述第二色散单元32，用于对准直后的反射激光信号进行发散；所述探测单元33，用于对发散后的反射激光信号进行接收。

[0056] 激光接收模块3包括第二准直耦合单元31、第二色散单元32和线阵光探测单元33。具体地，在第二光纤16的探测末端169后，设置第二准直耦合单元31，该第二准直耦合单元
31包括但不限于为一组透镜；在第二准直耦合单元31的后方设置第二色散单元32，第二色散单元32优选为一组棱镜，并在第二色散单元32的后方，沿棱镜的分光面设置线阵光探测单元33，线阵光探测单元33为一列线阵光探测器，该线阵光探测器用于接收或探测反射激光信号。

[0057] 若线阵光探测器可以分辨m个点的脉冲信号，每个点都对应于棱镜组61后方的一个方向，这样，当这m个点分别接收到返回光信号时，由计算模块4测出每一路反射激光信号与脉冲半导体激光器21发出初始激光信号的时间差。根据下式计算出每个方向上的待测物体的距离si为：

[0058]

[0059] 其中，i＝1,2,…,m。

[0060] 在上述实施例的基础上，优选地，计算模块4典型地包括计算机或者其它设备，并与激光发射模块2、激光接收模块3连接。当脉冲半导体激光器21发出一个脉冲时，便会在主光纤末端19激发出一个中心波长为1064nm左右，谱宽大于20nm的宽谱光源。

[0061] 在上述实施例的基础上，优选地，所述宽谱光源-3dB处的光谱宽度不小于5nm。

[0062] 图4为本发明实施例一种接收发射共光路激光测距系统的初始激光信号在主光纤中传输过程示意图，如图4所示，主光纤末端19的端面切成斜角，初始激光信号在主光纤第一传输通道12中传输，由于第一传输通道12和第二传输通道13之间的界面阻隔，初始激光信号不会进入到第二传输通道13中，第二传输通道外13包裹有外包层，该外包层也叫涂覆层，全光纤传输单元1典型地没有其它的焊点，以降低传输损耗。

[0063] 图5为本发明实施例一种接收发射共光路激光测距系统的反射激光信号在主光纤中传输过程示意图，如图5所示，待测物体反射回来的反射激光信号在第二传输通道中传输，第二传输通道外13包裹有外包层，该外包层也叫涂覆层。

[0064] 一般情况下，激光测距系统发出的宽谱光源中不同波长成分被分解后的各波长的激光光束通常都在同一平面内，此时测得的就是待测物体上与该平面相交的那条线的线型。此时，侧向旋转探头，或者以主光纤第一传输通道出射激光信号光束方向为轴旋转色散系统，使得该线扫过一个空间，则可测得待测物体在这个空间内的面形。由于各个方向上的距离不同，当这些不同波长的光返回时将不再同时到达返回光信号探测模块，而是有先有后，这样，通过测出每种波长的光到达激光接收模块与发射初始激光信号之间的时间差，就可以分别得知待测物体在该波长指向方向上的距离，从而得知待测物体的三维空间结构或者面形。

[0065] 激光接收模块可以通过记录每种波长成分的激光到达的时间来测出该方向上的光所走的时间，为了实现这一步，可以在全光纤传输单元的探测末端和激光接收模块之间也放置一色散元件，例如棱镜系统，然后对于激光接收模块，在每个要分辨的波长的方向上放置一个光探测单元，例如设置一列线阵光探测器，这样光探测器分辨单元的数量就代表了同一时刻激光测距系统可测得距离的方向数量。该色散元件也可以使用光栅等同样具有色散分光能力的元件。例如激光接收模块分辨出了10个不同的波长的返回光，每个波长的返回光与激光接收模块发射初始激光的时间差是ti，其中i＝1,2,…,10，则对于这10个方向上的待测对象，可一次性测出他们的距离si为：

[0066]

[0067] 其中，li是每个方向上的反射激光信号在从被激光发射模块产生到被激光接收模块探测到的过程中，在整个激光测距系统内走过的光程；ni是环境对于每个方向上的返回光信号的折射率。

[0068] 通过产生包括多个不同波长激光信号的宽谱光源，利用设计的色散分光特性将谱域上不同位置的激光转化为空间上不同方向的激光，从而实现对多点同时的距离测量。产生宽谱光源的方法可以是使用放大自发辐射(ASE)，也可以是通过使用在光纤两端设置的光栅对波长的选择特性，也可以是现有的产生宽谱脉冲的其他方法，也可以是现有的其他可行技术或者它们的组合。

[0069] 图6为本发明实施例一种激光测距系统的光栅设置示意图，如图6所示，在上述实施例的基础上，优选地，所述主光纤10还包括第一光栅组14和/或第二光栅组17，所述第一光栅组14包括多个反射率不低于90％的光栅，所述第二光栅组17包括多个反射率在1％～30％之间的光栅。

[0070] 在主光纤两端设置第一光栅组14和/或第二光栅组17，所述第一光栅组14包括多个反射率不低于90％的光栅，所述第二光栅组17包括多个反射率在1％～30％之间的光栅。

[0071] 在靠近主光纤闲置端11的主光纤中，插入一组中心波长在λ1～λm范围内的第一光栅组14，第一光栅组14中的每个光栅对各中心波长的光的反射率不低于99％；在靠近主光纤末端19的主光纤中，插入一组中心波长同样为λ1～λm的第二光栅组17，第二光栅组中的光栅的透射率较高，其对各中心波长的光的反射率在1％到20％之间。

[0072] 本发明实施例在工作过程中，脉冲半导体激光器21发射初始激光信号，初始激光信号进入主光纤10的第一传输通道12中，激发激光增益介质参数多种不同波长的激光信号，多种不同波长的激光信号经过第一通道12的放大，然后通过第二光栅组17中的多个透射率较高的光栅，该光栅可以使部分波长的激光信号通过，在主光纤末端19出获得宽谱光源。同理，通过第一光栅组14后的部分波长的激光信号，在主光纤闲置端11处，也可以获得宽谱光源。实际实施过程中，在主光纤末端19出获得宽谱光源更加普遍。

[0073] 光栅可以控制波长不同的激光的透过率，根据想要或者不想要的光谱，可以调整它的透过率来实现目的。

[0074] 第一光栅组14和第二光栅组17组合可使本系统输出m个不同的中心波长的激光所组成的宽谱光源。由于光纤光栅灵活可定制的波长选择，可以产生比一般的ASE光谱更为复杂的光谱特性。典型地，为了实现上述20nm的光谱宽度，如果测量者仅需要对空间上的k个方向实现距离测量，可设置k对不同中心波长的光栅，使得在结合第一色散单元6的特性之后，可以将k组不同波长的光分散到该k个方向上，并根据上述工作原理测得k个方向的距离。

[0075] 以上搭建方法将使得本发明可以用于同一时刻测量空间单线上的待测对象距离，如果测量的方向足够多，或者通过侧向旋转激光测距系统的整个探头，整个探头包括主光纤末端19、第一准直耦合单元5和第一色散单元6，或者沿主光纤末端19出射的宽谱光源的方向旋转第一色散单元6，使得色散分光的方向扫过一定的空间角，则可以通过计算机重建出待测对象在该一定空间角内的三维空间结构或者面型。如果去掉第一色散单元6，或者将激光接收模块3换成无光谱分辨能力的光探测器，则本系统将降级为单点测距系统。

[0076] 光栅在该激光测距系统中，它不是输出“宽谱脉冲”所必须的，而是用来调节这个宽谱脉冲的光谱形状，以满足特定应用的。

[0077] 本发明在全光纤单元中使用光栅，实现在输出激光光谱中产生多个波长峰值，这些峰值波长的范围可以在几个nm到几十个nm不等，从而实现宽谱光源特性，而且这样的光栅还可以实现对激光测距系统内光信号的滤波，使激光测距系统内有用波长的激光信号更强，抑制无关噪声。光栅起到对输出脉冲的频谱的调制作用，它使得不具备所需宽谱特性的泵浦源输出的频谱得到调制，因此，它既可以用于本身就是ASE的光纤激光系统中，也可以用于还不满足宽谱特性的光纤激光系统中。

[0078] 本发明可以预期的应用包括但不限于：道路测速监控可以无需旋转信号发射探头，也无需通过庞大的监控视频文件进行测算，即可快速测出路面所有来车各自的位置和速度；或者，在潮湿密封的金属管网内监控有毒液体的水位、流量，却不需要破坏管网的密闭性，只需钻设亚毫米级的微孔，就可以将探头伸入，并轻易地用塑胶修补实现“无痕监测”，等等。这些功能，尤其是超快速、超灵活、隐秘、美观的特点，都远远不是目前的激光测距系统乃至任何测距系统能够实现的。

[0079] 本发明还提供一种接收发射共光路激光测距方法的流程图，该方法包括：通过所述发射接收共光路模块根据所述激光发射模块发射的初始激光信号，获得宽谱光源，通过所述第一传输通道使所述宽谱光源照射到所述待测物体上，并通过所述第二传输通道接收所述宽谱光源照射到所述待测物体上后反射回来的反射激光信号，所述宽谱光源包括所述激光接收模块探测到的多种波长的激光信号；通过所述计算模块根据发射所述初始激光信号的发射时刻和接收所述反射激光信号的接收时刻之间的时间差，计算所述待测物体与所述激光测距系统的距离。该方法实施例的执行过程与上述激光测距系统的实施例执行过程相同，详细过程请参考上述激光测距系统实施例，这里不再赘述。

[0080] 本发明通过创造性地应用材料和设计测距系统的结构，提出一种新的激光测距系统，能够实现基于光纤激光的共光路激光测距的功能同时，使得激光信号发射和接收端占用的空间体积显著缩小；激光测距系统的模块和光路布置、探测姿势和角度极大地自由化；具有在复杂、拥挤或者恶劣的环境下工作的能力。并且，这一激光测距系统在搭载并启用了色散系统的情况下，可以无需移动、旋转探头，实现多点测距，从而结合其他工具和算法而具有三维空间结构测量或者面形测量的功能。

[0081] 最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。