激光测距原理及应用
激光测距原理及应用
作者:叶 云
激光诞生于 1960 年,由于激光在亮度、方向性、单色性以及相干性等方面都有不俗的特点,它一出现就吸引了众多科学工作者的目光,并被迅速地被应用在工业生产方面、国防军工方面、房地产业、各级科研机构、工程、防盗安全等各个行业各个领域。
激光器与普通光源有显著的区别,它利用受激发射原理的激光腔的滤波效应,使所发光束具有一系列新的特点:
(1) 激光有小的光束发散角,即所谓的方向性好或准直性好
(2) 激光的单色性好,或者说相干性好,普通灯源或太阳光都是非相干光。
(3) 激光的输出功能虽然有限,但光束细,所以功率密度很高,一般的激光亮度远比太阳表面的亮度大。
在测距领域,激光的作用更是不容忽视,可以这样说,激光测距是激光应用最早的领域(1960 年产生,1962 年即被应用于地球与月球间距离的测量)。测量的精确度和分辨率高、抗干扰能力强,体积小同时重量轻的激光测距仪受到了大多数有测距需求的企业、机构或个人的青睐,其市场需求空间大,应用领域广行业需求多,并且起着日益重要的作用。
一、激光测距原理
激光测距仪一般采用两种方式来测量距离:脉冲法和相位法。激光测距的两种方法中,脉冲式激光测距仪比较简单,而且容易操作,但是鉴于计数脉冲的频率限制,测量精度不高,只适用于一些对精读要求不太高的领域。相位式激光测距仪的原理较为复杂,计算起来也较激光式测距仪繁琐,但其测量精度很高。
(一)脉冲法激光测距原理
脉冲激光测距技术利用了激光脉冲持续时间极短,瞬时功率很大的特点,通过直接测量激光传播的往返时间来完成,关键是精确测定激光脉冲在往返距离的传播时间,脉冲激光测距多采用掺钕钇铝石榴石等大功率固体激光器。
脉冲法测距的过程是这样的:测距仪发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收,测距仪同时记录激光往返的时间。光速和往返时间的乘积的一半,就是测距仪和被测量物体之间的距离。脉冲法测量距离的精度是一般是在+/- 1 米左右。激光脉冲测距与雷达测距在原理上是完全相同的。在测距点激光发射机发射激光脉冲,光脉冲经过光纤到达接收端,并被测距机上的探测系统接收。通过测量光信号往返经过的时间,计算出目标的距离。
脉冲激光测距机能发出很强的激光。测距能力较强,即使对非合作目标,最大测距也能达到 30000m 以上。其测距精度一般为 5 米,最高的可达 0.15m。
(二)相位法激光测距原理
相位激光测距技术是通过对光的强度进行调制实现的,其精度高,可以达到毫米级别,一般应用于精密测距中。相位激光测距仪采用二氧化碳、氩离子等单色性和相干性好、频率和输出幅度很稳定的气体激光器。
与脉冲激光测距机相比,连续波激光测距机发射的(平均)功率较低,因而测远距离能力相对较差。相位式激光测距仪一般应用在精密测距中。由于其精度高,一般为毫米级,为了有效的反射信号,并使测定的目标限制在与仪器精度相称的某一特定点上,对这种测距仪都配置了被称为合作目标的反射镜。对非合作目标,相位法测距的最大测程只有 1-3km。
相位法激光测距技术,是采用无线电波段频率的激光,进行幅度调制并将正弦调制光往返测距仪与目标物间距离所产生的相位差测定,根据调制光的波长和频率,换算出激光飞行时间,再依次计算出待测距离。该方法一般需要在待测物处放置反射镜,将激光原路反射回激光测距仪,由接收模块的鉴波器进行接收处理。也就是说,该方法是一种有合作目标要求的被动式激光测距技术。
为了测得不足 的相角 ,可以通过不同的方法来进行测量,通常应用最多的是延迟测相和数字测相,目前短程激光测距仪均采用数字测相原理来求得 手持式激光测距仪是脉冲式激光测距仪中又一新型测距仪,采用数字测相脉冲展宽细分技术,无需合作目标即可达到毫米级精度,测程已经超过 ,且能快速准确地直接显示距离。是短程精度精密工程测量、房屋建筑面积测量中最新型的长度计量标准器具。
二、激光测距仪分类
(一)手持激光测距仪
测量距离一般在 200 米内,精度在 2mm 左右。这是目前使用范围最广的激光测距仪。在功能上除能测量距离外,一般还能计算测量物体的体积。
(二)望远镜式激光测距仪
测量距离一般在 600-3000 米左右,这类测距仪测量距离比较远,但精度相对较低,精度一般在 1 米左右。主要应用范围为野外长距离测量。
(三)工业激光测距仪
测量距离在 0.5-3000 米左右,精度在 50mm 以内,300 米外要加设反光板,部分产品还能在测距的同时测速。主要应用于位置控制(如车辆和船舶);定位起重机;装卸和搬运设备;飞机测量(测高仪);冶金过程控制;测量不宜接近的物体(如管灌装物、管道、集装箱),以及水位测量。典型的传感器有 LDM301、LDM4x。
三、激光测距应用举例
(一)汽车防撞探测器
一般来说,大多数现有汽车碰撞预防系统的激光测距传感器使用激光光束以不接触方式用于识别汽车在前或者在后形势的目标汽车之间的距离,当汽车间距小于预定安全距离时,汽车防碰撞系统对汽车进行紧急刹车,或者对司机发出报警,或者综合目标汽车速度、车距、汽车制动距离、响应时间等对汽车行驶进行即时的判断和响应,可以大量的减少行车事故。在高速公路上使用,其优点更加明显。
(二)车流量监控及车轮廓描画
这种使用方式一般固定到高速或者重要路口的龙门架上,激光发射和接收垂直地面向下,对准一条车道的中间位置,当有车辆通行时,激光测距传感器能实时输出所测得的距离值的改变,进而描绘出所测车的轮廓。这种测量方式一般使用的激光束发散角度较小,测距范围一般小于 30 米即可,且要求激光测距速率比较高,一般要求达到几百赫兹就可以了。这对于在重要路段监控可以达到很好的效果,能够区分各种车型,对车身扫描的采样率可以达到10 厘米一个点,且对车流限高,限长等都能实时输出结果。
在没有车辆到来时,激光测距传感器测出的是一个距离常量,也就是测距仪到地的距离,当有车辆从测距仪下面经过时,距离值改变,当距离值再次回到常量就认为有一辆车通过,根据这种方式我们可以对通过一些路段的车流量进行监控。现在常用的方法是对一段时间内的车流进行统计平均的方法,带有很大的估计成分,而视频统计的方法还有很多现实应用的困难,因此,激光测距统计方法为车流量统计提供了一种可行的方案。
(三)激光测速传感器
激光测距传感器是激光测距技术在交通管理领域最早的一种形式,因为其卓越的性能,在实际应用中逐渐得到普及。激光测距传感器是采用激光测距的原理,是对被测物体进行两次有特定时间间隔的激光测距,取得在此时间间隔内被测物体的距离变化,从而得到该被测物体的移动速度。激光测速仪分为固定式的和移动式两种,固定式的一般固定在路边或者龙以达到±1 公里/小时,测速范围可达 250 公里/小时,测距范围在此应用中不用太长,一般80 到 100 米即可。移动式激光测速仪对操作要求比较高,一般光束发散角度要大于 3 mrad,鉴于激光测速的原理,激光光束必须要瞄准垂直与激光光束的平面反射点,又由于车辆处于移动状态,车体平面不大,且测速需要一定时间,只能作为临时测速,取证应用。激光测距传感器由于光束发散角度较小,便于测速取证,不像雷达多普勒测速仪,在多车道测量时不能确知超速的具体车辆,且由于激光测速传感器发射的是近红外的光波,不能被雷达探测器、电子狗等探侧,且不易受市区雷达杂波干扰。鉴于激光测距传感器的上述优点,在智能交通中的应用将越来越普及。
四)保护液压成型冲模
机械手把一根预成型的管材放进液压成型机的下部冲模中,操作者必须保证每次放的位置准确。在上部冲模落下之前,一个发散型传感器测量出距离管子临界段的距离,这样可保证冲模闭合前处于正确位置。 如果使用云台可以测量一定角度范围的物体的距离,并且可以知道在那个角度有物体,其距离和相对速度。
四、市场前景
随着市场科技的发展,激光测距技术在日常生活以及科技创新领域有着广泛的作用,其精确的测量以及微小的误差给我们带来了极大的经济效益。在汽车测速、信号探测、森林探险等方面的应用已经为我们展现了激光测距技术的市场应用前景。
客观的讲,在现在各个领域,都可以见到激光技术的应用,由于在军工方向,激光技术更是显得尤为重要,毫不夸张的说激光测距技术已经渗透到生活的方方面面。
现有激光测距设备的改进,未来武器系统的发展及其命中精度的提高均赖于激光测距技术的发展。激光测距技术以其测程远,精度高等特点被用于各种测距机,对提高防空、海上作战,中近程精确打击及陆上武器的攻击的命中精度方面起关键作用。对提高侦察系统能力起更加突出的作用。激光测距技术在激光侦察设备中的应用,极大地减小了测距机的体积和重量并使激光测距精度得到很大提高。激光测距机与其他测距仪相比具有测距精度高、测距速度快(测距时间 1-2s)、轻小灵活、测量距离数字显示、操作简单、训练容易等优点。
未来激光测距技术必将在国民生活扮演更多的更重要的角色,它的发展前景一片光明,必将创造更大的经济价值!