激光在精密測量中的應(yīng)用.ppt

1,第6章 激光在精密測量中的應(yīng)用（2）,6.3 激光測距 6.4 激光準(zhǔn)直及多自由度測量,2,6.3 激光測距,激光測距的特點(diǎn) 激光測距儀的分類 脈沖測距法 相位測距法,3,激光測距的特點(diǎn),激光測距儀與其它測距儀(如光電測距儀等)相比，具備的特點(diǎn)： 探測距離遠(yuǎn) 測距精度高 抗干擾性強(qiáng) 保密性好 體積小 重量輕,4,激光測距儀的分類,激光測距儀的分類：激光測距不同于激光測長，它的測量距離要大得多，按照測量距離可分為下述三類： 1、短程激光測距儀，它的測程僅在五公里以內(nèi)，適用于各種工程測量 2、中長程激光測距儀，測程為五至幾十公里，適用于大地控制測量和地震預(yù)報(bào)等 3、遠(yuǎn)程激光測距儀，它用于測量導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、月球等空間目標(biāo)的距離 激光測距是通過測量激光光束在待測距離上往返傳播的時間來換算出距離的，其換算公式為,5,測距方法分類,脈沖測距法：測距儀發(fā)出光脈沖，經(jīng)被測目標(biāo)反射后，光脈沖回到測距儀接收系統(tǒng)，測量其發(fā)射和接收光脈沖的時間間隔，即光脈沖在待測距離上的往返傳播時間t。脈沖法測距精度大多為米的量級 相位測距法：它是通過測量連續(xù)調(diào)制的光波在待測距離上往返傳播所發(fā)生的相位變化，間接測量時間t。這種方法測量精度較高，因而在大地和工程測量中得到了廣泛的應(yīng)用,6,脈沖測距,激光脈沖測距儀的簡化結(jié)構(gòu)如下圖所示,圖6-18 激光脈沖測距儀的簡化結(jié)構(gòu),7,測距儀對光脈沖的要求,光脈沖應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度 光脈沖的方向性要好 光脈沖的單色性要好 光脈沖的寬度要窄 用于激光測距的激光器：紅寶石激光器、釹玻璃激光器、二氧化碳激光器、半導(dǎo)體激光器,8,激光巨脈沖的產(chǎn)生和計(jì)時,激光巨脈沖的產(chǎn)生-調(diào)Q技術(shù) 測距時用的光脈沖功率是很大的，一般其峰值功率均在一兆瓦以上，脈沖寬度在幾十毫微秒以下。這樣的光脈沖通常叫做“巨脈沖”。但是，一般的激光脈沖并不是巨脈沖，它的寬度較大 (約1ms左右) ，同時脈沖功率也不夠大，所以不能滿足測距需求。對激光器采用“調(diào)Q技術(shù)”，就可使之滿足測距要求 計(jì)時：在脈沖測距中由于脈沖在測程上往返時間極短，所以通常是用記錄高頻振蕩的晶體的振動次數(shù)來進(jìn)行計(jì)時,圖6-19 脈沖計(jì)數(shù)原理方框圖,9,相位測距原理,相位測距:是對發(fā)射的激光強(qiáng)度進(jìn)行連續(xù)的調(diào)制，測定它在待測距離d上往返的相位變化，從而間接測量傳播時間t，進(jìn)而測量距離 與脈沖測距的區(qū)別： 調(diào)制方式不同，脈沖測距調(diào)制激光器產(chǎn)生巨脈沖，相位測距調(diào)制激光器產(chǎn)生強(qiáng)度成余弦變化的連續(xù)波 信號處理方式不同，脈沖測距用開關(guān)電路高頻脈沖計(jì)數(shù)，測量內(nèi)外光路產(chǎn)生的兩個脈沖之間相距的時間，相位測距比較主振信號與返回信號之間相位差，來計(jì)算光線從測距儀到被測點(diǎn)傳播往返的時間,10,相位測距的測尺,相位測距是對發(fā)射的激光強(qiáng)度進(jìn)行余弦型調(diào)制，光波每傳播一個調(diào)制周期，相位就變化2，相應(yīng)的傳播距離為 =cT。所以距離d、光波往返相位差和光波調(diào)制波長之間的關(guān)系為 應(yīng)當(dāng)注意到：此處的并不是光的波長，而是余弦型調(diào)制造成的光強(qiáng)變化對應(yīng)的強(qiáng)度“光波”的“波長”，該調(diào)制波長實(shí)際上是被測距離的度量單位，因此把該波長的一半稱作“測尺”，被測距離可以用該測尺表示為,11,相位測量和多測尺測距,當(dāng)被測距離大于一個波長時，相位超過 ，因此可以表示為 式中是不足2的相位移的尾數(shù)，N為相位移的整數(shù)部分。 任何測量交變信號相位移的比相方法都不能確定出相位移的整周期數(shù)，因而當(dāng)距離d大于測尺長Ls時，就需要更長的測尺來測定距離，但是長的測尺在相位差的測量精度一定的條件下距離的分辨率也會減小，因此既要保證測量精度又要擴(kuò)大測量的范圍就需要設(shè)置多個測尺，用大的測尺提高測量的范圍，用小的測尺提高測量精度,12,分散的直接測尺測距舉例,分散的直接測尺測距方法選定的測尺頻率是直接與測尺長度Ls相對應(yīng)的. 基本測尺長度Lsb(精測測尺，決定測量精度)和若干輔助測尺長度(粗測測尺，決定測量范圍)。 例如：選用兩把測尺 和 相應(yīng)的測尺頻率為 在測相精度為千分之一的情況下， 測距精度為 測距量程為,13,集中的間接測尺測距原理,假定用兩個調(diào)制頻率為s1和s2的光波分別測量同一距離d 由上兩式可得 令： 則： 上式中Ls可以認(rèn)定為一個新的測尺長度，其相應(yīng)的測尺頻率s是 上式中的正是用s1和s2的差額s s1 s2的光波測量距離d時所得到的相位尾數(shù)之差。通常把頻率s1和s2稱為間接測尺頻率，而把差頻頻率s s1 s2稱為相當(dāng)測尺頻率,14,集中的間接測尺舉例,間接測尺頻率 相當(dāng)測尺頻率 測尺長度 精度 s 15MHz 15MHz 10m 1cm 1 0.9 s 1.5MHz 100m 10cm 2 0.99 s 150KHz 1Km 1m 3 0.999 s 15KHz 10Km 10m 4 0.9999 s 1.5KHz 100Km 100m 集中的間接測尺的測尺頻率都集中在較為窄小的頻率范圍內(nèi)，可以使放大器和調(diào)制器有相近的增益和相位穩(wěn)定性，而且各頻率對應(yīng)的振蕩石英晶體也可以統(tǒng)一,15,相位差的測量,信號頻率越低，其相位變化2需要的時間就越長，這樣也就越便于相位的測量。所以中、低頻的相位測量精度總是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高頻信號的測相精度。因而高頻信號相位差的測量大都采用差額的方法。把高頻信號轉(zhuǎn)化為低頻信號進(jìn)行處理，這就是所謂的“差頻測相” 差頻測相的原理如右圖所示,16,差頻法測相位的數(shù)學(xué)模型,設(shè)主控振蕩信號 該信號被光電接收放大后變?yōu)?設(shè)本地振蕩信號 在混頻器的輸出端分別得到差頻參考信號er（ 和 混頻）和測距信號em （ 和 混頻） ，它們的表達(dá)示為 兩者通過相位計(jì)檢測得到相位差，從而可以計(jì)算出被測距離,17,6.4 激光準(zhǔn)直及多自由度測量,激光具有極好的方向性，經(jīng)過準(zhǔn)直的連續(xù)輸出的激光束可以認(rèn)為是一條直線； 可以利用激光光束作為空間基準(zhǔn)線，來測量平直度、平面度、平行度、垂直度，也可以作為三維測量的基準(zhǔn)； 可以廣泛用于開鑿隧道、鋪設(shè)管道、建筑造橋、修路開礦、大型設(shè)備安裝和定位等； 激光的單色性還可以用于制作衍射準(zhǔn)直儀提高對準(zhǔn)精度。,18,激光準(zhǔn)直儀的原理,激光束橫截面上的光強(qiáng)分布是“高斯分布”，光束的能量是大部分集中在有效半徑為z0的截面內(nèi)。由于中心光強(qiáng)最大，所以光束分布中心連線可以構(gòu)成一條理想的準(zhǔn)直基準(zhǔn)線,19,有效截面半徑z0和遠(yuǎn)場發(fā)散角2,TEM00光束有效截面半徑z0和遠(yuǎn)場發(fā)散角2的表達(dá)式為 波長為0.6328m 的He-Ne激光器輸出的激光， 光束腰部的截面半徑0 其光束有效截面半徑按下圖方式變化 當(dāng)z0較大時,20,激光準(zhǔn)直儀的結(jié)構(gòu)框圖,簡單的激光準(zhǔn)直儀可以直接用目測來對準(zhǔn)，為了便于控制和提高對準(zhǔn)精度，一般的激光準(zhǔn)直儀都采用光電探測器來對準(zhǔn)。 準(zhǔn)直儀的基本組成如圖示為 1）He-Ne激光器；2）發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)；3）光電目標(biāo)靶；4）指示及控制系統(tǒng),圖6-21 激光準(zhǔn)直儀的基本組成方框圖,21,發(fā)射光學(xué)系統(tǒng),激光準(zhǔn)直儀發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖所示，由目鏡L1、物鏡L2和光闌A組成。該望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)對普通光束的傾角壓縮比為 如果21，22 分別為高斯光束入射和出射該望遠(yuǎn)系統(tǒng)的光束發(fā)散角的話，則該望遠(yuǎn)系統(tǒng)對高斯光束的發(fā)散角壓縮比為 M和M的關(guān)系為：,圖6-22 激光準(zhǔn)直儀光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖,22,衍射效應(yīng)的影響,由于衍射效應(yīng)，出射光束發(fā)散角還與物鏡L2的孔徑大小有關(guān)。根據(jù)圓孔的夫瑯和費(fèi)衍射理論可知，一個直徑為D的圓孔所造成的衍射角(即光束發(fā)散角的一半）， 如下圖所示為 通常忽略物鏡L2的衍射效應(yīng)！,23,光電目標(biāo)靶,激光準(zhǔn)直儀的光電目標(biāo)靶，通常用的是四象限光探測器。如下圖所示，它是由上、下、左、右對稱裝置的四塊硅光電池組成。,圖6-23 四象限光電探測器原理圖,24,解決光電池對稱問題的平衡電阻方法,在四象限光電探測器中，要求每片光電池的靈敏度必須嚴(yán)格一致，它們之間的相對位置亦應(yīng)準(zhǔn)確，這在實(shí)際上是很難做到的，因?yàn)閮善怆娝霓D(zhuǎn)換效率往往相差很遠(yuǎn)，即使是將同一塊光電池刻劃分成四塊，每塊的轉(zhuǎn)換效率也仍然不一樣。 解決光電池的對稱問題，通常采用在光電池電路中串接可調(diào)節(jié)的平衡電阻的方法。如下圖所示，其中的兩個光電池是上、下或左、右的一對光電池。調(diào)節(jié)平衡電阻，就可以補(bǔ)償由于兩塊光電池的不對稱所引起的不平衡問題,25,激光準(zhǔn)直測量的應(yīng)用舉例,不直度的測量,圖6-24 機(jī)床導(dǎo)軌不直度的激光準(zhǔn)直測量原理示意圖,26,激光衍射準(zhǔn)直儀,利用激光的單色性，讓激光束通過一定圖案的波帶片，產(chǎn)生便于對準(zhǔn)的衍射圖像，從而提高精度。這種利用衍射原理的激光準(zhǔn)直儀叫激光衍射準(zhǔn)直儀。 波帶片是一塊具有一定遮光圖案的平玻璃片（圖