鄭明杰 劉鑫
摘 要:激光是一種高度相干、能量集中以及方向性很強的光輻射,這些特點對于實現(xiàn)測量過程中的自動化、高效率及高精度是十分有益的。
關(guān)鍵詞:激光 測距技術(shù) 發(fā)展狀況 原理
中圖分類號:TN249 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2014)01(a)-0035-01
1 激光測距技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展狀況
國內(nèi)外在20世紀70年代初的一些測量儀器開始采用了激光技術(shù)。世界上第一臺激光器,是由美國休斯飛機公司的科學(xué)家梅曼于1960年,首先研制成功的,被稱作柯麗達1型。1971年,美國軍方率先配置了AN/GVS-3型紅寶石激光測距系統(tǒng)。自此,各國軍隊逐漸配備了用于偵查的激光測距機,各種型號的激光測距裝置相應(yīng)得到了應(yīng)用。20世紀70年代,美國、俄羅斯等國的著名公司開展合作研究,其產(chǎn)品涉及工業(yè)、航天、海洋等多個方面。經(jīng)過多年不斷探索,激光測距機更新了兩代,已經(jīng)研制更新到了第3代。第1代激光測距系統(tǒng)是光電倍增管探測器和紅外寶石激光器構(gòu)成的。但是由于占地面積廣、重量重、耗費電量多等缺點而被第2代測距系統(tǒng)取代。第2代激光測距系統(tǒng)采用近紅外釹激光器(主要是Nd:YAG激光器)和PIN光電二極管或者雪崩光電二極管。與第一代相比,第2代激光測距系統(tǒng)的耗電量和體積都小很多,因此得到了迅速發(fā)展。到20世紀70年代,YAG激光器技術(shù)趨于成熟,將這種激光器應(yīng)用于遠程、中程、短程的激光測距雷達以成為一種趨勢。但是由于其對全天候測距精度低、兼容性差及損傷人眼的缺點,伴隨著激光技術(shù)與電子技術(shù)的發(fā)展,逐漸被第3代激光測距系統(tǒng)所取代。第3代激光測距系統(tǒng)相較于前兩代而言有了十足的發(fā)展。其結(jié)構(gòu)采用對人眼安全的激光器,并用最新電子的技術(shù)。并且體積小、耗電量少而精度更高。西方國家開發(fā)出了用途不同的測距系統(tǒng),有單光束激光測距系統(tǒng)、二維激光掃描式測距系統(tǒng)等。其中,一維系統(tǒng)用于測量距離,二維系統(tǒng)用于掃描平面,監(jiān)控一片區(qū)域,三維測距系統(tǒng)用于對空間的定位與三維輪廓測量等應(yīng)用領(lǐng)域。由于激光測距系統(tǒng)的高精度、快速性及抗干擾性能強等優(yōu)點而備受推崇。國外的許多科研機構(gòu)和大學(xué)亦在此領(lǐng)域展開研究。
2008年,全球工業(yè)安全領(lǐng)域的專家邁賽展示了全新的LS30,能夠產(chǎn)生一個達到190度的不可見的非接觸的監(jiān)控平面,并且能夠用軟件來自由的控制監(jiān)控的區(qū)域,較易于滿足特殊的工業(yè)要求。近些年,勞意斯提出了系列的測距系統(tǒng),其分辨率達到30 mm,可通過PROFIBUS-DP接口或紅外接口與PLC等上位機實現(xiàn)通信。同時,萊卡公司亦推出了實用于不同場景的不同型號的激光測距系統(tǒng),由其測距的快速性及電磁干擾的不敏感性而廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域。
20世紀70年代,國內(nèi)激光器樣機的研究出現(xiàn)了。北京光學(xué)儀器廠,蘇州第一光學(xué)儀器廠先后研制成功了以氣體激光器作光源的經(jīng)緯儀。由于激光器體積大,使用壽命短,原則上每年都要更換,所以給以氣體激光器作為光源的激光經(jīng)緯儀帶來許多不足。有兩種結(jié)構(gòu)使激光光束引入望遠鏡。一種是剛性直接導(dǎo)人式,這種型式雖然簡單結(jié)構(gòu),光能損失小,但對儀器的使用并不利。由于激光器及其外殼較重,體積較大,橫軸支承不方便,又因為激光器偏離橫軸于一側(cè),所以望遠鏡做俯仰工作時重心不平衡。另外,由于需要聯(lián)接外接電源線,使得儀器的橫軸和豎軸都難以作360°旋轉(zhuǎn),給使用帶來不便。另一種是光導(dǎo)纖維導(dǎo)人式。采用了光導(dǎo)纖維管聯(lián)結(jié),這是一種撓性聯(lián)結(jié)。使用時儀器不裝載激光器和激光的電源,因此沒有不利于儀器橫軸支承,同時激光器產(chǎn)生的熱量引起望遠鏡視軸和激光束軸的變化也完全克服了,即光束發(fā)生漂移。光導(dǎo)纖維管聯(lián)結(jié)存在著結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、傳遞光束光能損失大等問題。另外儀器的橫軸和豎軸也難以作360°的旋轉(zhuǎn),給使用帶來不便。
可以說,在起步的階段,我國的激光技術(shù)迅速發(fā)展,在技術(shù)上都已接近國際先進水平。在激光測距方面的研究,我國于1972年成功的研制出了JCY-1型精密氣體激光測距機,第二年,推出了JCY-2型。1996年,上海光機所成功設(shè)計出了便攜式半導(dǎo)體激光測距機,測距精度為±0.5 m。接下來幾年里,體積小、精度高的便攜式測距機成為了研究的主題。在1999年,為提高測量精度,詳細的判別了誤差來源,認為測距的誤差主要是由于接收系統(tǒng)響應(yīng)時間和自量化時鐘的頻率穩(wěn)定度以及脈寬的影響。2005年,清華大學(xué)趙大龍、秦來貴等人對激光測距機的接受問題做了初步分析,并提出了自觸發(fā)測距的方案,減少了測距所帶來的誤差。2007年,中國科學(xué)院上海物理研究所采用了專用的時間間隔測量芯片TDC-GP1,不僅增加了測距范圍,提高了測量精度,還便于控制和使用。2008年,中科院成功研制出了基于時幅轉(zhuǎn)換的激光測距系統(tǒng),精度達到±5 mm,處于國際先進水平。
2 激光測距技術(shù)的基本原理
激光測距的常用方法有相位法、脈沖法。激光測距技術(shù)通常是對目標發(fā)射一個窄脈寬的激光脈沖或發(fā)射連續(xù)波激光束來測量目標距離的一種技術(shù)。下面將針對常用的下相位法及脈沖法做一些簡單介紹。
2.1 相位法
相位法是通過向目標發(fā)射連續(xù)的調(diào)制脈沖,并通過比對發(fā)射信號與接受信號之間的相位差來判斷目標的距離。但是,對于目標的距離大于測量距離時將會出現(xiàn)多重結(jié)果。僅當(dāng)相位差小于2π時有唯一值。并且僅當(dāng)脈沖頻率高時誤差才會降低,但相應(yīng)的測量距離就會下降,因此本方法有較大的局限性。
2.2 脈沖法
脈沖法通過計算發(fā)射脈沖與接受脈沖的時間差來計算目標距離的。因光波在空氣中的傳播速度為恒定值,因此只要得知光波從發(fā)出到接收的時間即可算出待測目標的距離為:
式中—目標與系統(tǒng)距離;
—脈沖往返于目標的時間間隔。
雖然測量精度較相位法要低,但是脈沖激光測距法卻有以下優(yōu)點:第一,在兩種方法的總平均功率相同的情況下,脈沖激光測距法可以產(chǎn)生瞬間的大功率,從而使得接收信號足夠強,相較而言測量距離就相應(yīng)的增大。第二,在一般情況下,脈沖測距法的測量速度快,而相位法由于需要比較信號之間的相位差,因此測量時間較長,不適合高頻率的測量。第三,脈沖式測距法安全性和隱蔽性好。
參考文獻
[1] 付寶臣.高精度激光測距儀硬件電路研究[M].南京理工大學(xué),2007.
[2] 趙大龍,秦來貴,霍玉晶.脈沖激光測距接收技術(shù)的研究[j].光電技術(shù)應(yīng)用,2005(3).endprint
摘 要:激光是一種高度相干、能量集中以及方向性很強的光輻射,這些特點對于實現(xiàn)測量過程中的自動化、高效率及高精度是十分有益的。
關(guān)鍵詞:激光 測距技術(shù) 發(fā)展狀況 原理
中圖分類號:TN249 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2014)01(a)-0035-01
1 激光測距技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展狀況
國內(nèi)外在20世紀70年代初的一些測量儀器開始采用了激光技術(shù)。世界上第一臺激光器,是由美國休斯飛機公司的科學(xué)家梅曼于1960年,首先研制成功的,被稱作柯麗達1型。1971年,美國軍方率先配置了AN/GVS-3型紅寶石激光測距系統(tǒng)。自此,各國軍隊逐漸配備了用于偵查的激光測距機,各種型號的激光測距裝置相應(yīng)得到了應(yīng)用。20世紀70年代,美國、俄羅斯等國的著名公司開展合作研究,其產(chǎn)品涉及工業(yè)、航天、海洋等多個方面。經(jīng)過多年不斷探索,激光測距機更新了兩代,已經(jīng)研制更新到了第3代。第1代激光測距系統(tǒng)是光電倍增管探測器和紅外寶石激光器構(gòu)成的。但是由于占地面積廣、重量重、耗費電量多等缺點而被第2代測距系統(tǒng)取代。第2代激光測距系統(tǒng)采用近紅外釹激光器(主要是Nd:YAG激光器)和PIN光電二極管或者雪崩光電二極管。與第一代相比,第2代激光測距系統(tǒng)的耗電量和體積都小很多,因此得到了迅速發(fā)展。到20世紀70年代,YAG激光器技術(shù)趨于成熟,將這種激光器應(yīng)用于遠程、中程、短程的激光測距雷達以成為一種趨勢。但是由于其對全天候測距精度低、兼容性差及損傷人眼的缺點,伴隨著激光技術(shù)與電子技術(shù)的發(fā)展,逐漸被第3代激光測距系統(tǒng)所取代。第3代激光測距系統(tǒng)相較于前兩代而言有了十足的發(fā)展。其結(jié)構(gòu)采用對人眼安全的激光器,并用最新電子的技術(shù)。并且體積小、耗電量少而精度更高。西方國家開發(fā)出了用途不同的測距系統(tǒng),有單光束激光測距系統(tǒng)、二維激光掃描式測距系統(tǒng)等。其中,一維系統(tǒng)用于測量距離,二維系統(tǒng)用于掃描平面,監(jiān)控一片區(qū)域,三維測距系統(tǒng)用于對空間的定位與三維輪廓測量等應(yīng)用領(lǐng)域。由于激光測距系統(tǒng)的高精度、快速性及抗干擾性能強等優(yōu)點而備受推崇。國外的許多科研機構(gòu)和大學(xué)亦在此領(lǐng)域展開研究。
2008年,全球工業(yè)安全領(lǐng)域的專家邁賽展示了全新的LS30,能夠產(chǎn)生一個達到190度的不可見的非接觸的監(jiān)控平面,并且能夠用軟件來自由的控制監(jiān)控的區(qū)域,較易于滿足特殊的工業(yè)要求。近些年,勞意斯提出了系列的測距系統(tǒng),其分辨率達到30 mm,可通過PROFIBUS-DP接口或紅外接口與PLC等上位機實現(xiàn)通信。同時,萊卡公司亦推出了實用于不同場景的不同型號的激光測距系統(tǒng),由其測距的快速性及電磁干擾的不敏感性而廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域。
20世紀70年代,國內(nèi)激光器樣機的研究出現(xiàn)了。北京光學(xué)儀器廠,蘇州第一光學(xué)儀器廠先后研制成功了以氣體激光器作光源的經(jīng)緯儀。由于激光器體積大,使用壽命短,原則上每年都要更換,所以給以氣體激光器作為光源的激光經(jīng)緯儀帶來許多不足。有兩種結(jié)構(gòu)使激光光束引入望遠鏡。一種是剛性直接導(dǎo)人式,這種型式雖然簡單結(jié)構(gòu),光能損失小,但對儀器的使用并不利。由于激光器及其外殼較重,體積較大,橫軸支承不方便,又因為激光器偏離橫軸于一側(cè),所以望遠鏡做俯仰工作時重心不平衡。另外,由于需要聯(lián)接外接電源線,使得儀器的橫軸和豎軸都難以作360°旋轉(zhuǎn),給使用帶來不便。另一種是光導(dǎo)纖維導(dǎo)人式。采用了光導(dǎo)纖維管聯(lián)結(jié),這是一種撓性聯(lián)結(jié)。使用時儀器不裝載激光器和激光的電源,因此沒有不利于儀器橫軸支承,同時激光器產(chǎn)生的熱量引起望遠鏡視軸和激光束軸的變化也完全克服了,即光束發(fā)生漂移。光導(dǎo)纖維管聯(lián)結(jié)存在著結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、傳遞光束光能損失大等問題。另外儀器的橫軸和豎軸也難以作360°的旋轉(zhuǎn),給使用帶來不便。
可以說,在起步的階段,我國的激光技術(shù)迅速發(fā)展,在技術(shù)上都已接近國際先進水平。在激光測距方面的研究,我國于1972年成功的研制出了JCY-1型精密氣體激光測距機,第二年,推出了JCY-2型。1996年,上海光機所成功設(shè)計出了便攜式半導(dǎo)體激光測距機,測距精度為±0.5 m。接下來幾年里,體積小、精度高的便攜式測距機成為了研究的主題。在1999年,為提高測量精度,詳細的判別了誤差來源,認為測距的誤差主要是由于接收系統(tǒng)響應(yīng)時間和自量化時鐘的頻率穩(wěn)定度以及脈寬的影響。2005年,清華大學(xué)趙大龍、秦來貴等人對激光測距機的接受問題做了初步分析,并提出了自觸發(fā)測距的方案,減少了測距所帶來的誤差。2007年,中國科學(xué)院上海物理研究所采用了專用的時間間隔測量芯片TDC-GP1,不僅增加了測距范圍,提高了測量精度,還便于控制和使用。2008年,中科院成功研制出了基于時幅轉(zhuǎn)換的激光測距系統(tǒng),精度達到±5 mm,處于國際先進水平。
2 激光測距技術(shù)的基本原理
激光測距的常用方法有相位法、脈沖法。激光測距技術(shù)通常是對目標發(fā)射一個窄脈寬的激光脈沖或發(fā)射連續(xù)波激光束來測量目標距離的一種技術(shù)。下面將針對常用的下相位法及脈沖法做一些簡單介紹。
2.1 相位法
相位法是通過向目標發(fā)射連續(xù)的調(diào)制脈沖,并通過比對發(fā)射信號與接受信號之間的相位差來判斷目標的距離。但是,對于目標的距離大于測量距離時將會出現(xiàn)多重結(jié)果。僅當(dāng)相位差小于2π時有唯一值。并且僅當(dāng)脈沖頻率高時誤差才會降低,但相應(yīng)的測量距離就會下降,因此本方法有較大的局限性。
2.2 脈沖法
脈沖法通過計算發(fā)射脈沖與接受脈沖的時間差來計算目標距離的。因光波在空氣中的傳播速度為恒定值,因此只要得知光波從發(fā)出到接收的時間即可算出待測目標的距離為:
式中—目標與系統(tǒng)距離;
—脈沖往返于目標的時間間隔。
雖然測量精度較相位法要低,但是脈沖激光測距法卻有以下優(yōu)點:第一,在兩種方法的總平均功率相同的情況下,脈沖激光測距法可以產(chǎn)生瞬間的大功率,從而使得接收信號足夠強,相較而言測量距離就相應(yīng)的增大。第二,在一般情況下,脈沖測距法的測量速度快,而相位法由于需要比較信號之間的相位差,因此測量時間較長,不適合高頻率的測量。第三,脈沖式測距法安全性和隱蔽性好。
參考文獻
[1] 付寶臣.高精度激光測距儀硬件電路研究[M].南京理工大學(xué),2007.
[2] 趙大龍,秦來貴,霍玉晶.脈沖激光測距接收技術(shù)的研究[j].光電技術(shù)應(yīng)用,2005(3).endprint
摘 要:激光是一種高度相干、能量集中以及方向性很強的光輻射,這些特點對于實現(xiàn)測量過程中的自動化、高效率及高精度是十分有益的。
關(guān)鍵詞:激光 測距技術(shù) 發(fā)展狀況 原理
中圖分類號:TN249 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2014)01(a)-0035-01
1 激光測距技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展狀況
國內(nèi)外在20世紀70年代初的一些測量儀器開始采用了激光技術(shù)。世界上第一臺激光器,是由美國休斯飛機公司的科學(xué)家梅曼于1960年,首先研制成功的,被稱作柯麗達1型。1971年,美國軍方率先配置了AN/GVS-3型紅寶石激光測距系統(tǒng)。自此,各國軍隊逐漸配備了用于偵查的激光測距機,各種型號的激光測距裝置相應(yīng)得到了應(yīng)用。20世紀70年代,美國、俄羅斯等國的著名公司開展合作研究,其產(chǎn)品涉及工業(yè)、航天、海洋等多個方面。經(jīng)過多年不斷探索,激光測距機更新了兩代,已經(jīng)研制更新到了第3代。第1代激光測距系統(tǒng)是光電倍增管探測器和紅外寶石激光器構(gòu)成的。但是由于占地面積廣、重量重、耗費電量多等缺點而被第2代測距系統(tǒng)取代。第2代激光測距系統(tǒng)采用近紅外釹激光器(主要是Nd:YAG激光器)和PIN光電二極管或者雪崩光電二極管。與第一代相比,第2代激光測距系統(tǒng)的耗電量和體積都小很多,因此得到了迅速發(fā)展。到20世紀70年代,YAG激光器技術(shù)趨于成熟,將這種激光器應(yīng)用于遠程、中程、短程的激光測距雷達以成為一種趨勢。但是由于其對全天候測距精度低、兼容性差及損傷人眼的缺點,伴隨著激光技術(shù)與電子技術(shù)的發(fā)展,逐漸被第3代激光測距系統(tǒng)所取代。第3代激光測距系統(tǒng)相較于前兩代而言有了十足的發(fā)展。其結(jié)構(gòu)采用對人眼安全的激光器,并用最新電子的技術(shù)。并且體積小、耗電量少而精度更高。西方國家開發(fā)出了用途不同的測距系統(tǒng),有單光束激光測距系統(tǒng)、二維激光掃描式測距系統(tǒng)等。其中,一維系統(tǒng)用于測量距離,二維系統(tǒng)用于掃描平面,監(jiān)控一片區(qū)域,三維測距系統(tǒng)用于對空間的定位與三維輪廓測量等應(yīng)用領(lǐng)域。由于激光測距系統(tǒng)的高精度、快速性及抗干擾性能強等優(yōu)點而備受推崇。國外的許多科研機構(gòu)和大學(xué)亦在此領(lǐng)域展開研究。
2008年,全球工業(yè)安全領(lǐng)域的專家邁賽展示了全新的LS30,能夠產(chǎn)生一個達到190度的不可見的非接觸的監(jiān)控平面,并且能夠用軟件來自由的控制監(jiān)控的區(qū)域,較易于滿足特殊的工業(yè)要求。近些年,勞意斯提出了系列的測距系統(tǒng),其分辨率達到30 mm,可通過PROFIBUS-DP接口或紅外接口與PLC等上位機實現(xiàn)通信。同時,萊卡公司亦推出了實用于不同場景的不同型號的激光測距系統(tǒng),由其測距的快速性及電磁干擾的不敏感性而廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域。
20世紀70年代,國內(nèi)激光器樣機的研究出現(xiàn)了。北京光學(xué)儀器廠,蘇州第一光學(xué)儀器廠先后研制成功了以氣體激光器作光源的經(jīng)緯儀。由于激光器體積大,使用壽命短,原則上每年都要更換,所以給以氣體激光器作為光源的激光經(jīng)緯儀帶來許多不足。有兩種結(jié)構(gòu)使激光光束引入望遠鏡。一種是剛性直接導(dǎo)人式,這種型式雖然簡單結(jié)構(gòu),光能損失小,但對儀器的使用并不利。由于激光器及其外殼較重,體積較大,橫軸支承不方便,又因為激光器偏離橫軸于一側(cè),所以望遠鏡做俯仰工作時重心不平衡。另外,由于需要聯(lián)接外接電源線,使得儀器的橫軸和豎軸都難以作360°旋轉(zhuǎn),給使用帶來不便。另一種是光導(dǎo)纖維導(dǎo)人式。采用了光導(dǎo)纖維管聯(lián)結(jié),這是一種撓性聯(lián)結(jié)。使用時儀器不裝載激光器和激光的電源,因此沒有不利于儀器橫軸支承,同時激光器產(chǎn)生的熱量引起望遠鏡視軸和激光束軸的變化也完全克服了,即光束發(fā)生漂移。光導(dǎo)纖維管聯(lián)結(jié)存在著結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、傳遞光束光能損失大等問題。另外儀器的橫軸和豎軸也難以作360°的旋轉(zhuǎn),給使用帶來不便。
可以說,在起步的階段,我國的激光技術(shù)迅速發(fā)展,在技術(shù)上都已接近國際先進水平。在激光測距方面的研究,我國于1972年成功的研制出了JCY-1型精密氣體激光測距機,第二年,推出了JCY-2型。1996年,上海光機所成功設(shè)計出了便攜式半導(dǎo)體激光測距機,測距精度為±0.5 m。接下來幾年里,體積小、精度高的便攜式測距機成為了研究的主題。在1999年,為提高測量精度,詳細的判別了誤差來源,認為測距的誤差主要是由于接收系統(tǒng)響應(yīng)時間和自量化時鐘的頻率穩(wěn)定度以及脈寬的影響。2005年,清華大學(xué)趙大龍、秦來貴等人對激光測距機的接受問題做了初步分析,并提出了自觸發(fā)測距的方案,減少了測距所帶來的誤差。2007年,中國科學(xué)院上海物理研究所采用了專用的時間間隔測量芯片TDC-GP1,不僅增加了測距范圍,提高了測量精度,還便于控制和使用。2008年,中科院成功研制出了基于時幅轉(zhuǎn)換的激光測距系統(tǒng),精度達到±5 mm,處于國際先進水平。
2 激光測距技術(shù)的基本原理
激光測距的常用方法有相位法、脈沖法。激光測距技術(shù)通常是對目標發(fā)射一個窄脈寬的激光脈沖或發(fā)射連續(xù)波激光束來測量目標距離的一種技術(shù)。下面將針對常用的下相位法及脈沖法做一些簡單介紹。
2.1 相位法
相位法是通過向目標發(fā)射連續(xù)的調(diào)制脈沖,并通過比對發(fā)射信號與接受信號之間的相位差來判斷目標的距離。但是,對于目標的距離大于測量距離時將會出現(xiàn)多重結(jié)果。僅當(dāng)相位差小于2π時有唯一值。并且僅當(dāng)脈沖頻率高時誤差才會降低,但相應(yīng)的測量距離就會下降,因此本方法有較大的局限性。
2.2 脈沖法
脈沖法通過計算發(fā)射脈沖與接受脈沖的時間差來計算目標距離的。因光波在空氣中的傳播速度為恒定值,因此只要得知光波從發(fā)出到接收的時間即可算出待測目標的距離為:
式中—目標與系統(tǒng)距離;
—脈沖往返于目標的時間間隔。
雖然測量精度較相位法要低,但是脈沖激光測距法卻有以下優(yōu)點:第一,在兩種方法的總平均功率相同的情況下,脈沖激光測距法可以產(chǎn)生瞬間的大功率,從而使得接收信號足夠強,相較而言測量距離就相應(yīng)的增大。第二,在一般情況下,脈沖測距法的測量速度快,而相位法由于需要比較信號之間的相位差,因此測量時間較長,不適合高頻率的測量。第三,脈沖式測距法安全性和隱蔽性好。
參考文獻
[1] 付寶臣.高精度激光測距儀硬件電路研究[M].南京理工大學(xué),2007.
[2] 趙大龍,秦來貴,霍玉晶.脈沖激光測距接收技術(shù)的研究[j].光電技術(shù)應(yīng)用,2005(3).endprint