激光測(cè)距技術(shù)專(zhuān)利技術(shù)綜述

李哲 趙景煥 楊建坤 劉曉波 馬波

摘 要：文章立足于專(zhuān)利文獻(xiàn)，對(duì)國(guó)內(nèi)外涉及激光測(cè)距技術(shù)的專(zhuān)利申請(qǐng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，梳理了激光測(cè)距技術(shù)的發(fā)展線(xiàn)路，并對(duì)四種主要的激光測(cè)距技術(shù)進(jìn)行介紹和分析，并總結(jié)該專(zhuān)利技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，為相關(guān)領(lǐng)域的專(zhuān)利審查工作提供技術(shù)支持，并為企業(yè)、高校和科研院所了解專(zhuān)利申請(qǐng)的現(xiàn)狀提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：激光測(cè)距；專(zhuān)利分析；技術(shù)路線(xiàn)

1 激光測(cè)距技術(shù)的主要技術(shù)概述

由于激光的獨(dú)特特性，如方向性強(qiáng)、亮度高、單色性好、相干性好等優(yōu)點(diǎn)，因此激光常被用作光電測(cè)距的光源，激光測(cè)距技術(shù)（laser range measure）也就應(yīng)運(yùn)而生。激光測(cè)距是光學(xué)、激光技術(shù)、精密機(jī)械、電子學(xué)、微電子以及光電子學(xué)等多學(xué)科和技術(shù)的綜合應(yīng)用。隨著激光技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算技術(shù)和集成光學(xué)的發(fā)展，激光測(cè)距正朝著數(shù)字化、自動(dòng)化、低成本、小型輕便化的方向發(fā)展，測(cè)距的測(cè)程、精度也得到了極大提高。

激光測(cè)距技術(shù)在各種測(cè)量行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，無(wú)論是在軍事領(lǐng)域，還是在科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)建設(shè)方面，都起著重要的作用[1-2]。與一般的光學(xué)測(cè)距系統(tǒng)相比，激光測(cè)距具有測(cè)量精確度高、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)、體積小和重量輕等一系列的優(yōu)點(diǎn)。

為充分發(fā)揮激光測(cè)距技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，克服其存在的各種技術(shù)問(wèn)題，推動(dòng)激光測(cè)距技術(shù)的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外研究者一直在開(kāi)展多方面的研究和實(shí)驗(yàn)。文章通過(guò)專(zhuān)利文獻(xiàn)信息對(duì)激光測(cè)距技術(shù)進(jìn)行了梳理和分析。

2 激光測(cè)距技術(shù)專(zhuān)利申請(qǐng)整體狀況分析

2.1 全球?qū)＠暾?qǐng)分析

為了研究激光測(cè)距技術(shù)的發(fā)展情況，我們對(duì)激光測(cè)距技術(shù)的全球申請(qǐng)進(jìn)行了檢索并按照歷年的申請(qǐng)量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

2.2 國(guó)內(nèi)專(zhuān)利申請(qǐng)量分析

為了研究激光測(cè)距技術(shù)國(guó)內(nèi)專(zhuān)利申請(qǐng)量的趨勢(shì)，我們?cè)贑NABS數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行了檢索，并對(duì)檢索到的專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析：隨著我國(guó)光器件、光學(xué)系統(tǒng)以及信號(hào)處理等一系列關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)量急劇增長(zhǎng)，在短短數(shù)年內(nèi)增長(zhǎng)到數(shù)十倍，在2013年達(dá)到603件。這也說(shuō)明了我國(guó)激光測(cè)距技術(shù)雖然發(fā)展時(shí)間不是很長(zhǎng)，但是卻發(fā)展迅速，正處于技術(shù)發(fā)展期，未來(lái)還有較好的發(fā)展前景。

3 激光測(cè)距技術(shù)發(fā)展線(xiàn)路

激光測(cè)距技術(shù)主要分為四種方法：脈沖式激光測(cè)距、干涉法激光測(cè)距、三角法激光測(cè)距和相位式激光測(cè)距。

3.1 脈沖式激光測(cè)距

脈沖式激光測(cè)距原理基于光的傳播速度為恒量c，激光器發(fā)射的激光脈沖通過(guò)光學(xué)透鏡照射到待測(cè)目標(biāo)上，通過(guò)目標(biāo)的漫反射再由接光學(xué)透鏡接收，經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)并經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路后，再經(jīng)運(yùn)算直接測(cè)得光往返一次所需時(shí)間，然后計(jì)算出距離。脈沖式激光測(cè)距具有測(cè)量速度快、重復(fù)頻率高等優(yōu)點(diǎn)。但是脈沖法測(cè)距本質(zhì)上是測(cè)量由發(fā)射激光到收到反射回的激光的時(shí)間差，由于受到反射物表面的高低不平及時(shí)間測(cè)量技術(shù)等因素的限制，這種測(cè)距裝置的精度一般較低。脈沖式激光測(cè)距是激光測(cè)距的主流技術(shù)之一，主要應(yīng)用于對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)的距離測(cè)量。

3.2 干涉法激光測(cè)距

利用波的干涉進(jìn)行測(cè)距是精密測(cè)距方法中的經(jīng)典，干涉法激光測(cè)距的原理是激光器發(fā)射出的激光經(jīng)過(guò)分束器，分為相互垂直的兩束光，其中一束光射向了反射透鏡，另一束光則反射到了光電器件，經(jīng)過(guò)反射透鏡的光反射出一部分并透過(guò)一部分，透過(guò)的光又照射到反射鏡，該反射鏡反射回的光與反射透鏡反射的光相疊加。

干涉法激光測(cè)距系統(tǒng)中采用的激光波長(zhǎng)很短，又因激光具有很好的單色性，其波長(zhǎng)精度很高，所以此方法的分辨率最高可以達(dá)到半個(gè)波長(zhǎng)，精度可達(dá)微米級(jí)。干涉法激光測(cè)距的高精度是任何其他激光測(cè)距方法都無(wú)法比擬的。目前，干涉法激光測(cè)距以其具有的精度高的獨(dú)特性質(zhì)，在地殼變形的測(cè)繪、預(yù)報(bào)地震與火山以及地下爆炸的偵查中得到了實(shí)質(zhì)性的應(yīng)用，但是因?yàn)楦缮娣す鉁y(cè)距系統(tǒng)測(cè)出的距離僅為相對(duì)距離，所以該方法的應(yīng)用不是很廣泛。相關(guān)的專(zhuān)利申請(qǐng)主要有：JP2012013574 A （公開(kāi)日：2012年1月19日，申請(qǐng)人：KO COM KENKYUSHO KK；OPTICAL COMB INC，發(fā)明人：

；元伸）等。

3.3 三角法激光測(cè)距

三角法測(cè)距，是將被測(cè)物的發(fā)射面與發(fā)光源、光電接收系統(tǒng)擺放在三個(gè)點(diǎn)，構(gòu)成一個(gè)三角形光路，如果物面發(fā)生移動(dòng)，可根據(jù)三角形相似原理求出光敏面上光斑的移動(dòng)距離，反之如果知道光敏面上光斑的移動(dòng)量也可求出物面的移動(dòng)量。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，具有較強(qiáng)的應(yīng)用性，特別是在高亮度、單色性好、方向性強(qiáng)的激光的出現(xiàn)之后，加上新型光電掃描技術(shù)與陣列型光電探測(cè)器的發(fā)展，并采用微機(jī)控制與新的信息處理技術(shù)相結(jié)合的方式，使得傳統(tǒng)的三角測(cè)距方法又煥發(fā)出新的生命。三角法激光測(cè)距形式多樣，可使激光斜入射到物面上，也可以使激光正入照射到物面上，通過(guò)光電接收系統(tǒng)正接收或傾斜接收光電接收系統(tǒng)傾斜接收。光源與接收系統(tǒng)如何放置主要取決于測(cè)量系統(tǒng)所要測(cè)試的目標(biāo)，測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，測(cè)量系統(tǒng)其他輔助設(shè)備的設(shè)計(jì)等方面因素。

相關(guān)的專(zhuān)利申請(qǐng)主要有：JPH0712554A（公開(kāi)日：1995年1月17日，申請(qǐng)人：NISSAN MOTOR，發(fā)明人： 藤；元 ）。該申請(qǐng)要求保護(hù)一種三角激光測(cè)距裝置，其利用三角法測(cè)距原理，用半導(dǎo)體激光器和透鏡搭建激光測(cè)距系統(tǒng)，檢測(cè)被測(cè)物的距離信息，具有較高的精度。

3.4 相位式激光測(cè)距

相位式激光測(cè)距是通過(guò)測(cè)量相位延遲間接測(cè)量時(shí)間的方法代替直接測(cè)量激光往返所需的時(shí)間的高精度測(cè)量方法，即利用激光器發(fā)出的調(diào)制光波在被測(cè)距離上往返一次所產(chǎn)生的相位變化量，再結(jié)合調(diào)制光波的波長(zhǎng)，計(jì)算出該相位延遲所代表的距離[3]。相位式激光測(cè)距一般應(yīng)用在精密測(cè)距中，由于其精度高，一般為毫米級(jí)，為了有效地反射信號(hào)，使測(cè)定的目標(biāo)限制在與儀器精度相稱(chēng)的某一特定點(diǎn)上，對(duì)這種測(cè)距儀大多配置被稱(chēng)為合作目標(biāo)的反射鏡。

相位式激光測(cè)距也是激光測(cè)距的主流技術(shù)之一，相關(guān)的專(zhuān)利申請(qǐng)主要有： US5241360 A（公開(kāi)日：1993年8月31日，申請(qǐng)人：CUBIC AUTOMATIC REVENEU COLLECTION GROUP，發(fā)明人：Claiborne M.Key；Jeffrey S.Brumfield； Kevin R.Baker）、US6163372 A（公開(kāi)日：2000年12月19日，申請(qǐng)人：MARCONI AEROSPACE DEFENSE SYSTEMS INC，發(fā)明人：GOAN R；SALLEE B）、CN101813472A（公開(kāi)日：2010年8月25日，申請(qǐng)人：武漢大學(xué)，發(fā)明人：許賢澤；于濤）。上述專(zhuān)利申請(qǐng)都是運(yùn)用相位式激光測(cè)距原理，對(duì)各種待測(cè)目標(biāo)進(jìn)行距離檢測(cè)，并且取得了良好的技術(shù)效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)激光測(cè)距技術(shù)的研究取得了一定的發(fā)展，主要集中在脈沖式激光測(cè)距和相位式激光測(cè)距兩方面，而且預(yù)計(jì)未來(lái)專(zhuān)利申請(qǐng)量還將進(jìn)一步持續(xù)增長(zhǎng)。通過(guò)文章的激光測(cè)距專(zhuān)利技術(shù)綜述，有利于相關(guān)領(lǐng)域的審查員、我國(guó)企業(yè)和科研院所了解激光測(cè)距技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，也有利于我國(guó)企業(yè)和科研院所加強(qiáng)自主創(chuàng)新，促進(jìn)我國(guó)激光測(cè)距技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]王古常，孫斌，萬(wàn)強(qiáng)，等.軍用脈沖激光測(cè)距技術(shù)與研究現(xiàn)狀[J].光學(xué)與光電技術(shù)，2003，4.

[2]范滇元.激光測(cè)距技術(shù)的發(fā)展和展望[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2007，

3.

[3]汪濤.相位激光測(cè)距技術(shù)的研究[J].激光與紅外，2007，1.