激光测距的方法及原理

激光测距的方法及原理激光测距技术与一般光学测距技术相比具有操作方便、系统简单及白天和夜晚都可以工作的优点。与雷达测距相比，激光测距具有良好的抗干扰性和很高的精度，而且激光具有良好的抵抗电磁波干扰的能力。其在探测距离较长时，激光测距的优越性更为明显。光测距技术是指利用射向目标的激光脉冲或连续波激光束测量目标距离的距离测量技术。较常用的激光测距方法有三角法、脉冲法和相位法激光测距。1．三角法激光测距激光位移传感器的测量方法称为激光三角反射法，激光测距仪的精度是一定的，同样的测距仪测10米与100米的精度是一样的。而激光三角反射法测量精度是跟量程相关的，量程越大，精度越低。采用激光三角原理和回波分析原理进行非接触位置、位移测量的精密传感器。广泛应用于位置、位移、厚度、半径、形状、振动、距离等几何量的工业测量。半导体激光器1被镜片2聚焦到被测物体6。反射光被镜片3收集，投射到CCD阵列4上；信号处理器5通过三角函数计算阵列4上的光点位置得到距物体的距离。图1.激光三角测量原理图激光发射器通过镜头将可见红色激光射向物体表面，经物体反射的激光通过接受器镜头，被内部的CCD线性相机接受，根据不同的距离，CCD线性相机可以在不同的角度下“看见”这个光点。根据这个角度即知的激光和相机之间的距离，数字信号处理器就能计算出传感器和被测物之间的距离。同时，光束在接收元件的位置通过模拟和数字电路处理，并通过微处理器分析，计算出相应的输出值，并在用户设定的模拟量窗口内，按比例输出标准数据信号。如果使用开关量输出，则在设定的窗口内导通，窗口之外截止。另外，模拟量与开关量输出可设置独立检测窗口。常用在铁轨、产品厚度、平整度、尺寸等方面。2．脉冲法激光测距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。另外，此类测距仪的测量盲区一般是15米左右。随着光电子技术的发展，精度在不断提高，盲区也在不断的缩小。该方法主要用于地形测量，战术前沿测距，导弹运行轨道跟踪，激光雷达测距，以及人造卫星、地月距离测量等。图2.脉冲法测量原理图其原理是由激光发射系统发出一个持续时间极短的脉冲激光，经过待测距离L之后，被目标物体反射，发射脉冲激光信号被激光接收系统中的光电探测器接收，时间间隔电路通过计算激光发射和回波信号到达之间的时间t，得出目标物体与发射出的距离L。其精度取决于：激光脉冲的上升沿、接收通道带宽、探测器信噪比和时间间隔精确度。3．相位式激光测距仪相位式激光测距仪是用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离。即用间接方法测定出光经往返测线所需的时间，如图3所示。图3.相位式激光测距原理其中蓝色是发射光，红色是反射光，从图中可以很清楚的看到，当发射光遇到了墙之后发生发射，其反射的波形实际上是没有遇到墙之后波形的镜像，因此其相位差的大小与光速没有关系，而和发射光在何时遇到障碍物有关。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。4．干涉测距法干涉测距法是基于光波的干涉原理，利用各种干涉仪测距的方法。激光的出现，使干涉测距法的应用范围更加广泛。激光干涉测距法的基本原理如图4所示：图4.干涉法测量原理图由激光器发出的光经分光镜分成两束，一束射向干涉仪的固定参考臂，经参考反射镜M1返回后形成参考光束；另一束射向干涉仪的测量臂，测量臂中的反射镜M2将随被测物体的位移而移动，这一束光从测量反射镜返回后形成测量光束；测量光束和参考光束的相互叠加干涉形成干涉信号。干涉信号的明暗变化次数直接对应于测量镜的位移，可表示为：L=Nλ/2，因此，由光电显微镜发出的对N的起始计数点，可以通过对N的计数得出被测位移L的值。