激光测距技术的基本原理
激光测距是利用激光的单色性和相干性好、方向性强等特点瞪】,以实现高精度的计量和检测,如测量长度、距离、速度、角度等等。激光测距在技术途径上可分为脉冲式激光测距和连续波相位式激光测距。脉冲式激光测距原理与雷达测距相似,测距仪向目标发射激光信号,碰到目标就要被反射回来,由于光的传播速度是已知的,所以只要记录下光信号的往返时间,用光速(30万千米/秒)乘以往返时间的二分之一,就是所要测量的距离。现在广泛使用的手持式和便携式测距仪,作用距离为数百米至数十千米,测量精度为五米左右。我国研制的对卫星测距的高精度测距仪,测量精度可达到几厘米。连续波相位式激光测距是用连续调制的激光波束照射被测目标,从测量光束往返中造成的相位变化,可换算出被测目标的距离。为了确保测量精度,一般要在被测目标上安装激光反射器。它测量的相对误差为百万分之一。激光测距仪与微波雷达结合,还可以发挥激光波速窄的特长,弥补微波雷达低仰角工作时受地面干扰的不足。激光测距与光学经纬仪、红外及电视跟踪系统相结合,组成光电跟踪测量系统,既可作为靶场试验的测量设备,又常用作武器的光电火力控制系统。这种激光测距仪已广泛用于地面火炮、坦克炮的火控系统,大大提高了命中率。
激光测距技术按照测程可以分为绝对距离测量法和微位移测量法。按照测距方法细分。绝对距离测距法主要有脉冲式激光测距和相位式激光测距,微位移测量法主要有三角法激光测距和干涉法激光测距。
脉冲激光测距的原理是:由脉冲激光器发出一持续时间极短的脉冲激光(主波),经过待测距离L后射到被测目标,有一部分能量会被反射回来,被反射回来的脉冲激光称为回波。回波返回测距仪。由光电探测器接收。根据主波信号和回波信号之间的间隔。即激光脉冲从激光器到被测目标之间的往返时间t,就可以算出待测目标的距离。
D=1/2ct式中c为光速。脉冲法精度一般在米量级。
相位激光测距的原理是:对发射的激光进行光强调制,利用激光空间传播时调制信号的相位变化量。根据调制波的波长,计算出该相位延迟所代表的距离。即用相位延迟测量的间接方法代替直接测量激光往返所需的时间,实现距离的测量。这种方法精度可达到毫米级。
三角法激光测距是由激光器发出的光线,经过会聚透镜聚焦后入射到被测物体表面上,接收透镜接收来自入射光点处的散射光,并将其成像在光电位置探测器敏感面上。当物体移动时,通过光点在成像面上的位移来计算出物体移动的相对距离。三角法激光测距的分辨率很高,可以达到微米数量级。
干涉法激光测距是通过移动被测目标并对相干光进行测量,经计数完成距离增量的测量,因此干涉法测量的灵敏度非常高,可以达到纳米级。固体激光器和半导体激光器技术的发展以及高功率、高亮度、高效率半导体激光二极管的出现。使得激光测距装置具有结构紧凑、质量轻、寿命长、效率高等特点,非常适合空间环境的应用。从20世纪80年代后期开始。除了美国之外,欧洲和日本也开始研究开发空间用激光测距装置。激光测距装置在空间任务中的运用越来越广泛。