[信息與通信]第五章激光探測(cè)技術(shù)(已修改)
2025-04-03 06:56 本頁(yè)面
【正文】 中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第五章、激光探測(cè)技術(shù) 本章學(xué)習(xí)要求： 1. 理解激光產(chǎn)生的基本原理 2. 熟練掌握激光的定距及測(cè)距原理 3. 了解激光雷達(dá)的基本原理 4. 掌握激光探測(cè)的抗干擾措施 探測(cè)與識(shí)別技術(shù) 中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第五章 激光探測(cè)技術(shù) 典型應(yīng)用之一 — 激光測(cè)距儀 Leica DISTO A２激光測(cè)距儀性能指標(biāo)： 典型測(cè)量精度 : +/ mm 測(cè)量范圍 : 60m 測(cè)量單位 : 1mm 每電池組可測(cè)量 : 至 5， 000次 電池 : 9V復(fù)合電池 防雨 /防塵 : IP54 尺寸 : 124 55 35mm 連同電池的重量 : 152g 功能：面積 ,體積測(cè)量；跟蹤測(cè)量；加 /減功能；放樣 功能；顯示屏照明功能 溫度范圍 用途：適合進(jìn)行室內(nèi)設(shè)計(jì) ,施工等工作的專業(yè)人士使用 Leica DISTO A２ 激光測(cè)距儀 中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 典型應(yīng)用之二 — 激光探測(cè)系統(tǒng) 2022年年底，在美國(guó)國(guó)防部的 Grand Challenge無(wú)人駕駛挑戰(zhàn)賽中，幾乎所有參賽車輛都使用了激光探測(cè)系統(tǒng)（ LMS）作為它們的“眼睛”。 LMS 291安裝在這輛車的車頂上， 主要作用是在 XY平面上描繪出車輛前方道路，然后利用機(jī)載電腦繪制出車輛行駛前方的 3維圖像（在 Z平面上）。繪制出車輛前方的地形，其次是探測(cè)越野路線兩旁的石頭、碎片等障礙物。 LMS 291的最大探測(cè)距離為 80米，分辨率為 10毫米。 第五章 激光探測(cè)技術(shù) Sick公司的 LMS 291激光探測(cè)系統(tǒng) 中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 激光的產(chǎn)生 ? 基態(tài) 按量子力學(xué)原理，任何原子、離子或分子只能穩(wěn)定地存在于 一系列能量不連續(xù)的定態(tài)中 （或存在于一系列分立的能級(jí)狀態(tài)中）。其中原子的 最低 能級(jí)。（ 穩(wěn)定 ） ? 激發(fā)態(tài) 處于基態(tài)以上的能級(jí)。（ 不穩(wěn)定 ） 第五章 激光探測(cè)技術(shù) 相關(guān)概念 ? 躍遷 原子能量的變化。躍遷的形式包括： 吸收 和 輻射 。 中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 吸收 兩能級(jí)之差的能量，由 基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài) 的過(guò)程。 ? 原子吸收 ? 自發(fā)輻射 處于激發(fā)態(tài)的原子釋放光子返回基態(tài)的過(guò)程。 ? 受激輻射 在發(fā)生自發(fā)輻射前，受到外來(lái)關(guān)子作用的兩能級(jí)之差的能量，由 激發(fā)態(tài)躍遷至基態(tài) ，同時(shí) 釋放一相同狀態(tài)的光子 。 受激輻射示意圖 中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 激光的全稱“ 受激輻射的光放大 ”。 光放大示意圖 產(chǎn)生激光的條件 粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 熱平衡狀態(tài)下，粒子數(shù)滿足波爾茲曼分布，低能態(tài)粒子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高能態(tài)原子數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)光放大，必須選用適當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)，采用特殊的手段 破壞粒子數(shù)平衡 ，使得 高能態(tài)原子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于低能態(tài)原子數(shù) 。 中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 外界供給系統(tǒng)一合適的能量，使工作物質(zhì)的原子一次躍遷至激發(fā)態(tài) E4，而后通過(guò)無(wú)輻射躍遷很快地躍遷至亞穩(wěn)態(tài) E3 ，在此態(tài)停留一段時(shí)間（約為 103s），之后躍遷至激發(fā)態(tài) E2，很快地又從 E2態(tài)返回 E1。由于 E2態(tài)的壽命極短，所以 E2態(tài)上存在的原子數(shù)總是接近于零。這樣就很容易地在 E3與 E2間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 。 能級(jí)結(jié)構(gòu) 中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 光學(xué)諧振腔 兩反射鏡保持嚴(yán)格的平行。當(dāng)光線在其間反射時(shí)，只有平行于鏡面法線的光線保留下來(lái)其他方向的光線經(jīng)過(guò)多次反射后逸出腔外，平行于法線的光線在平行腔內(nèi)不斷振蕩同時(shí)激發(fā)新的受激輻射而使這一組平行光不斷增強(qiáng)，最后從窗口 M2射出。 光學(xué)諧振腔組成原理 激 光 工 作 物 質(zhì)泵 浦全 反 射 鏡部 分 反 射 鏡中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 另外，適當(dāng)選擇諧振腔的長(zhǎng)度，使其滿足穩(wěn)定駐波的振蕩條件，即： 從而可以對(duì)激光器所發(fā)激光的頻率加以選擇。 2?kL ?閾值條件 外部環(huán)境必須滿足一定的閾值條件，包括 減少損失 ，加快抽運(yùn)速度 ， 促進(jìn)反轉(zhuǎn) 等。 激光的特性 ? 單向性好 激光沿一條直線傳播，能量集中在傳播方向上，發(fā)散角小。一般為 105～ 108球面度。激光束射向幾千米以外，光束直徑僅擴(kuò)展幾個(gè)厘米。 中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 ? 單色性好 普通光源如鈉燈、汞燈等得到單色光的譜線寬度為 102納米，激光的譜線寬度為 109納米。 ? 兩度高 ? 相干性好 中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 激光的定距原理 激光近炸引信 激光近炸引信是 導(dǎo)彈的重要組成部分，可在 近場(chǎng)區(qū)域內(nèi)對(duì)目標(biāo)探測(cè)和定距 ，并且在動(dòng)態(tài)條件下輸出適時(shí)引爆信號(hào)。該產(chǎn)品可以 感知導(dǎo)彈距地面的高度 ，根據(jù)預(yù)先裝定，在導(dǎo)彈越過(guò)目標(biāo)或未及目標(biāo)時(shí)引出爆彈頭，使彈頭碎片取得最大的殺傷效果。 第五章 激光探測(cè)技術(shù) 中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 幾何截?cái)喽ň啵ㄈ嵌ň喾ǎ? 原理 將 4～ 6組激光發(fā)射器和接收器在彈體周向均勻排列形成360176。 的發(fā)射接受視場(chǎng)。安裝時(shí) 發(fā)射器與接受器存在一定傾角 ，這樣使發(fā)射視場(chǎng)與接受視場(chǎng)在前方某一區(qū)域重合， 發(fā)射光束軸線與接受光束軸線交與一點(diǎn)，其底邊高即為作用距離。 脈 沖 調(diào) 制 器點(diǎn) 火 電 路激 光 器信 號(hào) 處 理光 敏 管發(fā) 射 光學(xué) 系 統(tǒng)接 收 光學(xué) 系 統(tǒng)目標(biāo)作用區(qū) 接收視場(chǎng) 中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 由于半導(dǎo)體激光器發(fā)出激光通常具有較大的束散角，所以采用 凸透鏡或透鏡組 對(duì)激光器發(fā)出的激光 進(jìn)行準(zhǔn)直 ，并采用 柱鏡或反射光錐 在彈體徑向 進(jìn)行擴(kuò)束 。 組成 ? 發(fā)射光學(xué)系統(tǒng) ? 接受光學(xué)系統(tǒng) 將目標(biāo)發(fā)射光能量收集并聚到光電探測(cè)器上。一般 單個(gè)透鏡 ，并將光電探測(cè)器 放在透鏡焦平面 上。 系統(tǒng)的半場(chǎng)視角為：
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