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激光測(cè)距技術(shù)知識(shí)

2010-09-02

激光測(cè)距技術(shù)原理：

一、概述：

     1960年一種神奇的光誕生了，它就是激光。激光的英文名稱是 Laser，取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各單詞的頭一個(gè)字母組成的縮寫詞。意思是“受激輻射的光放大”。由于激光在亮度、方向性、單色性以及相干性等方面都有不俗的特點(diǎn)，它一出現(xiàn)就吸引了眾多科學(xué)工作者的目光，并被迅速地被應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)方面、國(guó)防軍工方面、房地產(chǎn)業(yè)、各級(jí)科研機(jī)構(gòu)、工程、防盜安全等各個(gè)行業(yè)各個(gè)領(lǐng)域：激光焊接、激光切割、激光打孔（包括斜孔、異孔、膏藥打孔、水松紙打孔、鋼板打孔、包裝印刷打孔等）、激光淬火、激光熱處理、激光打標(biāo)、玻璃內(nèi)雕、激光微調(diào)、激光光刻、激光制膜、激光薄膜加工、激光封裝、激光修復(fù)電路、激光布線技術(shù)、激光清洗等。有關(guān)于激光的研究與生產(chǎn)制造也如火如荼地開展了起來。
激光與普通光源所發(fā)出的光相比，有顯著的區(qū)別，形成差別的主要原因在于激光是利用受激輻射原理和激光腔濾波效應(yīng)。而這些本質(zhì)性的成因使激光具有一些獨(dú)特的特點(diǎn)：
     1.激光的亮度高。固體激光器的亮度更可高達(dá)1011W／cm2Sr這是因?yàn)榧す怆m然功率有限，但是由于光束極小，于是具有極高的功率密度，所以激光的亮度一般都大于我們所見所有光（包括可見光中的強(qiáng)者：太陽光），這也是激光可用于星際測(cè)量的根本原因所在；
     2.激光的單色性好。這是因?yàn)榧す獾墓庾V頻率組成單一。
     3.激光的方向性好。激光具有非常小的光束發(fā)散角，經(jīng)過長(zhǎng)距離的飛行以后仍然能夠保持直線傳輸；
     4.激光的相干性好。我們通常所見到的可見光是非相干光，激光可以做到他們都做不到的事情，比如說切割鋼材。
在測(cè)距領(lǐng)域，激光的作用更是不容忽視，可以這樣說，激光測(cè)距是激光應(yīng)用早的領(lǐng)域（1960年產(chǎn)生，1962年即被應(yīng)用于地球與月球間距離的測(cè)量）。測(cè)量的精確度和分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)，體積小同時(shí)重量輕的激光測(cè)距儀受到了大多數(shù)有測(cè)距需求的企業(yè)、機(jī)構(gòu)或個(gè)人的青睞，其市場(chǎng)需求空間大，應(yīng)用領(lǐng)域廣行業(yè)需求多，并且起著日益重要的作用。

二、相位法激光測(cè)距技術(shù)原理：

     當(dāng)今市場(chǎng)上主流的激光測(cè)距儀是基于相位法的激光測(cè)距儀。這是因?yàn)榛谙辔环ǖ募す鉁y(cè)距儀輕易地就可以克服超聲波測(cè)距的一大缺陷：誤差過大，使測(cè)量精度達(dá)到毫米級(jí)別。而基于此法的激光測(cè)距儀主要的缺點(diǎn)在于電路復(fù)雜、作用距離較短（一百米左右，經(jīng)過眾多科學(xué)工作者的努力，現(xiàn)在也有作用距離在幾百米的相位法激光測(cè)距儀）。
相位法激光測(cè)距技術(shù)，是采用無線電波段頻率的激光，進(jìn)行幅度調(diào)制并將正弦調(diào)制光往返測(cè)距儀與目標(biāo)物間距離所產(chǎn)生的相位差測(cè)定，根據(jù)調(diào)制光的波長(zhǎng)和頻率，換算出激光飛行時(shí)間，再依次計(jì)算出待測(cè)距離。該方法一般需要在待測(cè)物處放置反射鏡，將激光原路反射回激光測(cè)距儀，由接收模塊的鑒波器進(jìn)行接收處理。也就是說，該方法是一種有合作目標(biāo)要求的被動(dòng)式激光測(cè)距技術(shù)。如下圖所示：

由圖所顯示的關(guān)系，我們可以知道，用正弦信號(hào)調(diào)制發(fā)射信號(hào)的幅度，通過檢測(cè)從目標(biāo)反射的回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)之間的相移φ，通過計(jì)算即可以得到待測(cè)距離。Δ
D=ct/2 ①
t=φ/ω ②
又有ω=2nf ③  φ=N+Δφ ④
即D=（N+Δφ） *c/(4nf)  ⑤
  其中，D是待測(cè)距離，也即測(cè)距儀與目標(biāo)物間距離；
C是光速，等于299792458m/s（假設(shè)光速未受環(huán)境影響）；
t是往返測(cè)距儀與目標(biāo)物間距離一次的時(shí)間；
φ是激光光束往返一次后所形成的相位差；
Δφ是激光光束往返一次后所形成的相位差不足半波長(zhǎng)的部分；
N是相位差中半波長(zhǎng)的個(gè)數(shù)；
ω是調(diào)制信號(hào)的角頻率。
 由于N的個(gè)數(shù)在激光飛行之后并不能確定，所以這就導(dǎo)致了基于相位法的激光測(cè)距儀只能測(cè)定Δφ，相位差中不足半波長(zhǎng)的部分。這就形成了相位法的內(nèi)傷：長(zhǎng)作用距離固定，由調(diào)制光的波長(zhǎng)決定。但是從另一方面看，相位法激光測(cè)距儀可以準(zhǔn)確地測(cè)量半個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)的相位差，這也成就了相位法激光測(cè)距儀突出的優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量精度高，可達(dá)到毫米級(jí)別。
一、脈沖法激光測(cè)距技術(shù)原理：
    相位法與超聲波測(cè)速測(cè)距所用方法相類似，大測(cè)量距離通常為幾百米，能較容易達(dá)到毫米的數(shù)量級(jí)，但是按照該方法設(shè)計(jì)的測(cè)距儀的大測(cè)量距離是受到限制的，不可擴(kuò)展。該方法主要在國(guó)外應(yīng)用較廣。而脈沖法激光測(cè)距一般采用紅外激光，包括近紅外激光和中紅外激光。該波段激光有可見和非可見之分。且基于此技術(shù)的測(cè)距儀對(duì)相干性要求低、速度快、實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、峰值輸出功率高、重復(fù)頻率高且范圍大，所以此項(xiàng)目使用的是脈沖方法設(shè)計(jì)手持激光測(cè)距儀。脈沖法激光測(cè)距的原理是：

     如上圖，激光測(cè)距設(shè)備對(duì)準(zhǔn)測(cè)量目標(biāo)——Target，發(fā)送光脈沖，光脈沖在經(jīng)過光學(xué)鏡頭時(shí)，一束被透鏡前的平面鏡反射，進(jìn)入激光反饋計(jì)時(shí)模塊，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換及放大濾波整流后，電平信號(hào)送入時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片的開始計(jì)時(shí)端；另一束激光脈沖經(jīng)過透鏡壓縮發(fā)散角后，開始飛行，遇到目標(biāo)障礙物后發(fā)生漫反射，部分激光返回到激光接收處理電路，同樣地，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換及放大濾波整流后，所形成的電平信號(hào)送入時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片結(jié)束計(jì)時(shí)端，即完成整個(gè)測(cè)量過程。
其中，設(shè)D為待測(cè)距離，
T為往返測(cè)量點(diǎn)與待測(cè)物間距離所用時(shí)間，
C為激光在空氣中傳播的速度（假設(shè)已設(shè)置測(cè)量的環(huán)境參數(shù)），
n為測(cè)量時(shí)大氣折射率，那么，易得：
D=CT/2n
非常簡(jiǎn)單地，我們把對(duì)距離的測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)時(shí)間差的測(cè)量，所以，在脈沖式激光測(cè)距中，需要測(cè)量的只是發(fā)射與接收激光的時(shí)間間隔、受環(huán)境因素影響的大氣折射率、環(huán)境參數(shù)及激光傳播速度。這就是脈沖式測(cè)距的理論原理。