【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 1995年以來(lái),國(guó)際上對(duì)人眼安全的半導(dǎo)體激光測(cè)距技術(shù)發(fā)展十分迅速,已開展了波長(zhǎng)在800一900nm范圍內(nèi)、峰值功率為10砰、脈沖寬度加一50ns、重復(fù)頻率1一10kHz、測(cè)量距離10m一Ikm無(wú)合作目標(biāo)的激光測(cè)距機(jī)研究[9]。測(cè)距儀在實(shí)際使用時(shí)，測(cè)量效果會(huì)由四方面因素決定：目標(biāo)大小、物體形狀、空氣質(zhì)量、陽(yáng)光強(qiáng)弱。相信大家都經(jīng)常聽到，有的使用者說(shuō)“這臺(tái)測(cè)距儀廠家標(biāo)1000米”但我們使用時(shí)為什么測(cè)不了這么遠(yuǎn)？這種問(wèn)題在測(cè)距儀行業(yè)是經(jīng)常會(huì)提到的一個(gè)問(wèn)題，其實(shí)這個(gè)問(wèn)題，主要由于使用者并不知道測(cè)距儀的原理，且廠家與使用者溝通不到位造成的。目標(biāo)物體越大，反射回來(lái)的光波越多，越容易被機(jī)器接受，效果越好；目標(biāo)表面越平，反射回來(lái)的光波越多，越容易被機(jī)器接受，效果越好；目標(biāo)顏色越淺對(duì)光波的反射效果越好，越容易被機(jī)器接受；空氣質(zhì)量越好對(duì)反射光波越好；陽(yáng)光強(qiáng)烈對(duì)反射光波會(huì)造成影響[10]。典型激光測(cè)距的方法有脈沖法、相位法、干涉法等，這些方法各有特點(diǎn)，分別應(yīng)用于不同的測(cè)量環(huán)境和測(cè)量領(lǐng)域。脈沖法的測(cè)量范圍從幾十米到上萬(wàn)千米，精度為米量級(jí)，主要應(yīng)用于科研與軍事領(lǐng)域，比如地月距離測(cè)量等；相位法的測(cè)量范圍從幾米到幾千米，精度達(dá)到毫米量級(jí)，主要應(yīng)用于大地測(cè)量與工程測(cè)量；干涉法一般測(cè)量厘米左右的距離，精度高達(dá)微米量級(jí)，主要應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)報(bào)。在實(shí)際測(cè)量工作中，要根據(jù)不同激光測(cè)距方法的測(cè)量范圍和精度，正確選擇合適的測(cè)量方法，以達(dá)到測(cè)量設(shè)計(jì)的基本要求[11]。激光脈沖測(cè)距與微波雷達(dá)測(cè)距在原理上是完全相同的:在測(cè)距點(diǎn)向被測(cè)目標(biāo)發(fā)射一束短而強(qiáng)的激光脈沖,光脈沖發(fā)射到目標(biāo)上后其中一小部分激光反射到測(cè)距點(diǎn)被接收器接收。假定光脈沖在發(fā)射點(diǎn)與目標(biāo)間來(lái)回一次所經(jīng)歷的時(shí)間為t,那么被測(cè)目標(biāo)的距離R為R=12ct式中,c為光速。當(dāng)不考慮大氣中光速的微小變化時(shí),測(cè)距精度主要是由測(cè)時(shí)精度確定[12]。 本文所介紹的激光測(cè)距機(jī)主要包括激光發(fā)射系統(tǒng)、激光接收系統(tǒng)和信息處理單元()。激光發(fā)射系統(tǒng)的任務(wù)是發(fā)射峰值功率高、光束發(fā)散角小的激光脈沖,使其經(jīng)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)一步準(zhǔn)直后射向目標(biāo)。接收系統(tǒng)是接收從被測(cè)目標(biāo)反射回來(lái)的微弱脈沖信號(hào),經(jīng)接收光學(xué)系統(tǒng)聚焦或縮小光束截面后，照在光電探測(cè)器的光敏面上,使光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)并經(jīng)放大器放大，送到時(shí)間測(cè)量單元。至于時(shí)間測(cè)量單元，其主要作用是測(cè)量激光脈沖從測(cè)距機(jī)到被測(cè)目標(biāo)往返一次的時(shí)間t，并計(jì)算出精確的距離[12][13]。 脈沖測(cè)距法原理圖 相位式激光測(cè)距是用測(cè)量相位延遲的間接測(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相位式激光測(cè)距儀，是利用固定頻率的高頻正弦信號(hào)，連續(xù)調(diào)制激光源的發(fā)光強(qiáng)度并測(cè)定調(diào)制激光往返一次所產(chǎn)生的相位延遲。通過(guò)相位延遲計(jì)算測(cè)量的距離。相位式測(cè)距是通過(guò)測(cè)量連續(xù)的幅度調(diào)制信號(hào)在待測(cè)距離上往返傳播所產(chǎn)生的相位延遲，間接地測(cè)定信號(hào)傳播時(shí)間，從而得到被測(cè)距離的。這種方法測(cè)量精度高，通常在毫米量級(jí)[14][15]，相位式激光測(cè)距原理(）所示。 相位法測(cè)距圖位法激光測(cè)距技術(shù)就是利用發(fā)射的調(diào)制光和被目標(biāo)反射的接收光之間光波的相位差所包含的距離信息來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)目標(biāo)距離量的測(cè)量。由于采用調(diào)制和差頻測(cè)相技術(shù)，具有測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于有合作目標(biāo)的精密測(cè)距場(chǎng)合?；驹砣缦耓16][17][18][19][20]:相位測(cè)距是測(cè)定連續(xù)的調(diào)制激光在待測(cè)距離上往返的相位差來(lái)間接測(cè)量傳播時(shí)間的。我們知道光波在傳播過(guò)程中位相是不斷變化的,每傳播波長(zhǎng)的一段距離,位相就變化，所以距離、光波往返位相差和光波波長(zhǎng)之間的關(guān)系為 或 。這里相當(dāng)于測(cè)尺的長(zhǎng)度Ls,相當(dāng)于d內(nèi)包含測(cè)尺長(zhǎng)度Ls的數(shù)目（）。若令,其中N為正整數(shù)或0,是中不足的尾數(shù),并考慮到,則關(guān)于d的公式可改寫為。需要指出,任何測(cè)量交變信號(hào)位相移的方法都不能確定出位相移的整周期數(shù),而只能測(cè)定其中不足2相位移的尾數(shù)。因此,式中N是不能確定的,這樣, d也就不能確定。換句話說(shuō),當(dāng)距離d大于測(cè)尺長(zhǎng)Ls時(shí),僅用一把光波測(cè)尺是無(wú)法測(cè)定距離的。但是,當(dāng)d小于Ls時(shí), N=0,于是上式變?yōu)?，此時(shí)d就完全可以通過(guò)測(cè)量而確定了[21]。 相位計(jì)算圖 調(diào)頻連續(xù)波激光測(cè)距主要是通過(guò)發(fā)射頻率連續(xù)可調(diào)的激光,測(cè)量接收到激光的頻率來(lái)推算距離。所發(fā)射的激光調(diào)制頻率為時(shí)間的函數(shù),這樣通過(guò)測(cè)量回波激光調(diào)制頻率和當(dāng)前發(fā)射激光調(diào)制頻率即可得到激光飛行時(shí)間,進(jìn)而得到目標(biāo)物距離。光子計(jì)數(shù)測(cè)距法是基于量子理論,發(fā)射和接收都建立在光子計(jì)數(shù)的基礎(chǔ)上,即把能量和功率變成某一段時(shí)間內(nèi)的光子數(shù)由于研究的對(duì)象是大量微觀粒子組成的光子系統(tǒng),或與光子相互作用的分子、原子系統(tǒng),即把激光發(fā)射看成發(fā)射光子團(tuán),接收回波信號(hào)看成在光子噪聲或背景光子噪聲限工作時(shí)的光子數(shù)光子計(jì)數(shù)測(cè)距法不是通過(guò)測(cè)量發(fā)射脈沖的飛行時(shí)間來(lái)測(cè)量距離,而是通過(guò)測(cè)量接收的光子數(shù)與距離的關(guān)系來(lái)測(cè)量目標(biāo)距離的,這也是光子計(jì)數(shù)測(cè)距與傳統(tǒng)激光測(cè)距法的區(qū)別所在[22]。目前，利用激光掃