第6章 激光測(cè)速與測(cè)距技術(shù)

1、12345678910111213141515波源的振動(dòng)頻率波源的振動(dòng)頻率觀察者測(cè)得的頻率觀察者測(cè)得的頻率一、波源和觀察者相對(duì)于介質(zhì)靜止一、波源和觀察者相對(duì)于介質(zhì)靜止兩個(gè)相鄰等相位面之間的距離是一個(gè)波長(zhǎng)觀察者所接收的觀察者所接收的頻率頻率取決于單位時(shí)間內(nèi)接收到波長(zhǎng)的個(gè)數(shù)取決于單位時(shí)間內(nèi)接收到波長(zhǎng)的個(gè)數(shù)u此時(shí)，此時(shí)，波的頻率即為波源的頻率波的頻率即為波源的頻率。1616二、二、 波源相對(duì)于介質(zhì)不動(dòng)，觀察者相對(duì)于介質(zhì)運(yùn)動(dòng)波源相對(duì)于介質(zhì)不動(dòng)，觀察者相對(duì)于介質(zhì)運(yùn)動(dòng)1. 觀察者向波源運(yùn)動(dòng)觀察者向波源運(yùn)動(dòng)波源的振動(dòng)頻率觀察者測(cè)得的頻率uVuuVuVuooo 由此可見(jiàn)，由此可見(jiàn)，觀察者所接收的頻率大于波源的

2、頻率觀察者所接收的頻率大于波源的頻率17172. 觀察者以觀察者以Vo離開(kāi)波源運(yùn)動(dòng)離開(kāi)波源運(yùn)動(dòng) 由此可見(jiàn)，由此可見(jiàn)，觀察者所接收的頻率小于波源的頻率觀察者所接收的頻率小于波源的頻率 uVuo總之，總之，波源靜止，觀察者以速率波源靜止，觀察者以速率Vo運(yùn)動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí) uVuuVuVuooo1818三、觀察者不動(dòng)，波源相對(duì)于介質(zhì)運(yùn)動(dòng)三、觀察者不動(dòng)，波源相對(duì)于介質(zhì)運(yùn)動(dòng)1. 波源向觀察者運(yùn)動(dòng)波源向觀察者運(yùn)動(dòng) 假定在假定在t時(shí)刻，波源處時(shí)刻，波源處于于S點(diǎn)處，經(jīng)一個(gè)周期點(diǎn)處，經(jīng)一個(gè)周期T后，波傳播到后，波傳播到D點(diǎn)，波源點(diǎn)，波源運(yùn)動(dòng)到運(yùn)動(dòng)到C點(diǎn)。點(diǎn)。CSDO0oV sV波源的振動(dòng)頻率觀察者測(cè)得的頻率191

3、9CSDO0oV sVsSCV T()ssSCuTV TuV T uuuVuuVss由此看見(jiàn)，由此看見(jiàn)，觀察者所接收到的頻率升高觀察者所接收到的頻率升高2. 波源背離觀察者運(yùn)動(dòng)波源背離觀察者運(yùn)動(dòng)SCDO0oV sVsSCV T()ssSCuTV TuV T2020ssVuuVuuu由此看見(jiàn)，由此看見(jiàn)，觀察者所接收到的頻率降低觀察者所接收到的頻率降低四、波源和觀察者都相對(duì)于介質(zhì)運(yùn)動(dòng)四、波源和觀察者都相對(duì)于介質(zhì)運(yùn)動(dòng)即即0,0soVV波源運(yùn)動(dòng)等效于波長(zhǎng)的變化波源運(yùn)動(dòng)等效于波長(zhǎng)的變化()()sssuVBCuTV TuV T觀察者運(yùn)動(dòng)等效于波速的變化觀察者運(yùn)動(dòng)等效于波速的變化ouuVSCDO0oV sV

4、()ssSCuTV TuV T2121()osossuVuVuuVuV波源和觀察者相向運(yùn)動(dòng)時(shí)，波源和觀察者相向運(yùn)動(dòng)時(shí)， 前取正號(hào)，前取正號(hào)， 前為負(fù)號(hào)；前為負(fù)號(hào)；oVsV波源和觀察者相反運(yùn)動(dòng)時(shí)，波源和觀察者相反運(yùn)動(dòng)時(shí)， 前取正號(hào)，前取正號(hào)， 前為負(fù)號(hào)前為負(fù)號(hào)oVsV 頻率改變的原因頻率改變的原因：在觀察者運(yùn)動(dòng)的情況下在觀察者運(yùn)動(dòng)的情況下，頻率頻率改變是由于觀察者觀測(cè)到的波數(shù)增加或減少改變是由于觀察者觀測(cè)到的波數(shù)增加或減少；在波源在波源運(yùn)動(dòng)的情況下運(yùn)動(dòng)的情況下，頻率改變是由于波長(zhǎng)的縮短或伸長(zhǎng)。頻率改變是由于波長(zhǎng)的縮短或伸長(zhǎng)。 22(1)vvvffv人波人測(cè)波波波(1)vvvffv人波人測(cè)波波波v

5、v ffv Tvv波波波測(cè)源源波波波vv ffv Tvv波波波測(cè)源源波波波232425262728285 5、靜止不動(dòng)的超聲波探測(cè)器能發(fā)射頻率為、靜止不動(dòng)的超聲波探測(cè)器能發(fā)射頻率為100 kHz的的超聲波。有一車(chē)輛迎面駛來(lái)，探測(cè)器接收到從車(chē)輛反超聲波。有一車(chē)輛迎面駛來(lái)，探測(cè)器接收到從車(chē)輛反射回的超聲波頻率為射回的超聲波頻率為112 kHz。如果空氣中的聲速為。如果空氣中的聲速為340 ms1 ，試求車(chē)輛的行駛速度。，試求車(chē)輛的行駛速度。 解：超聲波傳向車(chē)輛時(shí)解：超聲波傳向車(chē)輛時(shí)uVu超聲波反射回探測(cè)器時(shí)超聲波反射回探測(cè)器時(shí)Vuu 所以所以VuVu 解得解得1 -1 -sm219sm100112

6、100112340 .uV2929沖沖 擊擊 波波馬馬 赫赫 錐錐 前面在介紹波源相對(duì)于媒質(zhì)運(yùn)動(dòng)所引起的多普勒效應(yīng)時(shí)，討論了 波源速率 波速 的情況。若 ，波源就會(huì)沖出自身發(fā)出的波陣面 ，在 時(shí)間內(nèi)， 它所發(fā)出的波的一系列波面的包絡(luò)是一個(gè)圓錐體，稱(chēng)為 馬赫錐。這種波稱(chēng)為 沖擊波。馬赫錐的頂角 滿足稱(chēng)為馬赫數(shù)3030高速快艇在其兩側(cè)激起的舷波，高速快艇在其兩側(cè)激起的舷波， 超音速飛機(jī)飛行生成的聲波，超音速飛機(jī)飛行生成的聲波，高速子彈飛行激起的聲波等，都屬?zèng)_擊波高速子彈飛行激起的聲波等，都屬?zèng)_擊波。 沖擊波可使媒質(zhì)的密度、速度和溫度急劇變化，并產(chǎn)生高沖擊波可使媒質(zhì)的密度、速度和溫度急劇變化，并產(chǎn)生

7、高溫、高壓。溫、高壓。聲聲 暴暴當(dāng)波源的運(yùn)動(dòng)速率剛好等于波速時(shí)當(dāng)波源的運(yùn)動(dòng)速率剛好等于波速時(shí)，即即，馬赫錐的頂角馬赫錐的頂角 ，錐面變?yōu)槠矫?。，錐面變?yōu)槠矫?。p p波源在各時(shí)刻發(fā)射的波，幾乎與波源自身共處于同一平面，波源在各時(shí)刻發(fā)射的波，幾乎與波源自身共處于同一平面，這時(shí)沖擊波的能量非常集中、強(qiáng)度和破壞力極大，這種現(xiàn)這時(shí)沖擊波的能量非常集中、強(qiáng)度和破壞力極大，這種現(xiàn) 例如，當(dāng)飛機(jī)剛好以聲速飛行時(shí)，機(jī)體所產(chǎn)生的任一振動(dòng)例如，當(dāng)飛機(jī)剛好以聲速飛行時(shí)，機(jī)體所產(chǎn)生的任一振動(dòng)象稱(chēng)為象稱(chēng)為 “聲暴聲暴”。都將尾隨在機(jī)體附近，并引起機(jī)身的共振，給飛行帶來(lái)危險(xiǎn)都將尾隨在機(jī)體附近，并引起機(jī)身的共振，給飛行帶來(lái)危

8、險(xiǎn)。因此，超音速飛機(jī)在飛行時(shí)都要盡快越過(guò)這道音速的屏障。因此，超音速飛機(jī)在飛行時(shí)都要盡快越過(guò)這道音速的屏障。313132323333343435經(jīng)典多普勒效應(yīng)：經(jīng)典多普勒效應(yīng)：00 uusvv經(jīng)典多普勒效應(yīng)經(jīng)典多普勒效應(yīng)對(duì)光是不正確的對(duì)光是不正確的對(duì)于光波，有對(duì)于光波，有c 在相對(duì)論中，不同的慣性系中波長(zhǎng)和在相對(duì)論中，不同的慣性系中波長(zhǎng)和頻率將不同，但兩者的乘積恒為頻率將不同，但兩者的乘積恒為 c光的多普勒效應(yīng)光的多普勒效應(yīng)cucos1120 為觀察者實(shí)測(cè)到的光頻率為觀察者實(shí)測(cè)到的光頻率0 為光源的固有頻率為光源的固有頻率一一. 相對(duì)論多普勒頻移公式相對(duì)論多普勒頻移公式 與空間有關(guān)與空間有關(guān)

9、與時(shí)間有關(guān)與時(shí)間有關(guān)362222)*(ttcyx*推導(dǎo)推導(dǎo))d*d)(*(dd2ttttctxuxx22)*(yxttctcuyxxtd)1 (*d22tcu* t)dcos1 (d201ddtt201)cos1 (ddcut*t0*TTcucos11 200(x, y, z , t )(0, 0, 0, t* )yx 光源光源觀察者觀察者uO37l11001. 光的縱向多普勒效應(yīng)光的縱向多普勒效應(yīng)“紅移紅移”(1) 若光源離開(kāi)觀察者，上式中若光源離開(kāi)觀察者，上式中 取正號(hào)，這時(shí)取正號(hào)，這時(shí)l 0 ，實(shí)測(cè)實(shí)測(cè)頻率頻率 l 大于光源固有頻率大于光源固有頻率0 38例例解解求求一遙遠(yuǎn)的河外星系以很

10、高的速率離開(kāi)地球退行而去，其譜線一遙遠(yuǎn)的河外星系以很高的速率離開(kāi)地球退行而去，其譜線發(fā)生紅移。與固有頻率發(fā)生紅移。與固有頻率 0 相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為 0 = 434 nm 的譜的譜線，地面上觀測(cè)記錄的該譜線的波長(zhǎng)線，地面上觀測(cè)記錄的該譜線的波長(zhǎng) = 600 nm.此河外星系的退行速率。此河外星系的退行速率。以以v 表示本題所求的退行速率，以表示本題所求的退行速率，以 表示與波長(zhǎng)表示與波長(zhǎng) 對(duì)應(yīng)的頻率，對(duì)應(yīng)的頻率，則有則有0 = c/0 和和 = c/ ，代入縱向多普勒效應(yīng)式，有，代入縱向多普勒效應(yīng)式，有cc/1/1 0vvsm 1093. 031. 08cv代入題給數(shù)據(jù)，解得代入題給

11、數(shù)據(jù)，解得39散射物的多普勒頻移散射物的多普勒頻移 觀察者靜止位于一個(gè)坐標(biāo)原點(diǎn)為的坐標(biāo)系 中，在這個(gè)坐標(biāo)系中接收電磁輻射 波源靜止于另一個(gè)原點(diǎn)為O的坐標(biāo)系中,以光速C在參考系O中移動(dòng)的平面波為 O0cos2rEEv tc相對(duì)運(yùn)動(dòng)中參考系之間的坐標(biāo)變換 E 系統(tǒng)O中考察點(diǎn)P處的電場(chǎng)強(qiáng)度 頻率 r 波沿傳播方向的距離 是相位常數(shù) 波源是靜止時(shí)坐標(biāo)系中的平面波 波傳播方向和Z軸之間的夾角 cossinrOBBAxy（1）（2）40（2）代入 （1）中有0cossincos2xyEEv tc假設(shè)參考系O在x軸上以速度V相對(duì)于另一個(gè)參考系 作移動(dòng)，利用洛倫茲變換可以得到：O0cossincos2xyEE

12、vtc其中221cos1/vVvcVc cos/cos1(/ )cosV cV c （3）（4）（5）（6）v用表示 和的關(guān)系，則利用式(6)有 221/1 (/ )cosvVcvV c （7）41討論在光源和觀察者相對(duì)靜止的情況下，移動(dòng)物體所散射光的頻移 先從光源到移動(dòng)的物體，然后由物體到觀察者雙重多普勒頻移 考慮從光源S發(fā)出的頻率為的光被物體P散射，在Q處來(lái)觀察散射光 P所觀察到的頻率由（5）式得 1221cos1/vVvcVc 該頻率的光又被P重新發(fā)射出來(lái)，在Q處接收到的頻率為 由（7）得v（8）2221/1 (/ )cosvVcvV c （9）由于v C,因此12(coscos)vVv

13、vvc （10）2cossin2vVvc（11）散射角 12()122速度向量和PB之間的夾角 PB PS和PQ夾角的平分線 2cossin2Vv （12）426.2 激光多普勒測(cè)速技術(shù)激光多普勒測(cè)速技術(shù) 屬于非接觸測(cè)量，不影響流場(chǎng)分布，可測(cè)遠(yuǎn)距離的速度場(chǎng)分布 測(cè)速精度高，一般都可以達(dá)到0.5%1.0% 空間分辨率高，可測(cè)很小體積內(nèi)的流速 測(cè)速范圍廣，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快 具有良好的方向靈敏度，并可進(jìn)行多維測(cè)量 436.2.1 激光多普勒測(cè)速的基本原理光混頻技術(shù)：將兩束頻率不同的光混頻，獲取差頻信號(hào)。零差干涉 ：入射至物體前兩束光頻率相同 外差之分 ：入射至物體前兩束光頻率不相同 Al,A2兩束光在探測(cè)

14、器上的振幅 12分別為兩束光的初始相位 1f2f兩束散射方向不同的散射光的頻率 1111cos(2)EAf t2222cos(2)EAf t兩束光在探測(cè)器上混頻后，其合成的電場(chǎng)強(qiáng)度: 12111222cos(2)cos(2)EEEAf tAf t222121212121( )()()cos2()2I tk EEk AAkA Aff t兩束光初始相位差 1212()ff待測(cè)的多普勒頻移 零差不能判別運(yùn)動(dòng)方向，而且難以抑制直流噪聲 外差可判別運(yùn)動(dòng)方向，能夠抑制噪聲446.2.2 激光多普勒測(cè)速技術(shù)1. 差動(dòng)多普勒技術(shù) 差動(dòng)技術(shù)將兩束等強(qiáng)度光聚焦并相交在測(cè)量點(diǎn)處，從該點(diǎn)發(fā)出的散射光進(jìn)入光檢測(cè)器，差拍

15、后得到和兩個(gè)散射角相對(duì)應(yīng)的多普勒頻移。 (1)雙光束散射法 12散射體里粒子運(yùn)動(dòng)速度V與兩束入射光之間的夾角 3 V與觀測(cè)方向的夾角 兩散射光的多普勒頻移為： 13(coscos)/vvVc 23(coscos)/vvVc檢測(cè)器上的差頻f為： 12(coscos)sincos2vVVfvvc 21()兩束照射光之間的夾角 121()2運(yùn)動(dòng)方向與光束夾角平分 線的法線之間的夾角 45(2)單光束雙散射法 前向雙散射光路 后向雙散射光路 一束入射光直接聚焦于被測(cè)點(diǎn)上，光線被同一微粒在兩個(gè)方向上散射，兩路對(duì)稱(chēng)的散射光束在光電器件上混頻，得到差拍信號(hào)。46(3)多普勒技術(shù)的干涉解釋 多普勒技術(shù)的干涉解

16、釋 47干涉解釋中的多普勒信號(hào)情況 48當(dāng)場(chǎng)0E從kl方向與粒子撞擊，粒子的位移為r，由k0方向觀察可得 10i()0ekkrE在LDV測(cè)速儀中，有兩個(gè)照明場(chǎng)，k1和k2。所以由k0方向觀察可得1020i()i()00eekkrkkrEEE探測(cè)器得到的信號(hào)與場(chǎng)的模的平方成比例22001020201222cos()()21cos()IEEkkrkkrEkkr 借助右圖看出，12kk的差值與y軸平行，模數(shù)為122 sinkkk若粒子產(chǎn)生平行于y軸的面內(nèi)位移r，那么余弦函數(shù)的相位 12()2sinkkrkr2fdd2 (dd )sin2sin22tkrtVf可得 492. 參考光技術(shù) 參考光式光路

17、sin2Vf參考光和散射光以相同的光路入射到檢測(cè)器。光檢測(cè)器的輸出包含了兩種光束的差頻信號(hào) 是兩束照射光之間的夾角 503.多維速度測(cè)量與辨向技術(shù)多維速度測(cè)量與辨向技術(shù) 在差動(dòng)多普勒技術(shù)中，多普勒差頻是兩個(gè)頻率之差，故不可能知道哪一個(gè)頻率高哪一個(gè)頻率低，因此速度符號(hào)變化對(duì)產(chǎn)生的信號(hào)頻率無(wú)差別，即被測(cè)速度存在著方向上的180模糊問(wèn)題。通過(guò)引入頻移技術(shù)可以消除速度方向的模糊性問(wèn)題。如果其中一光束與另一束存在的頻差，則測(cè)量體內(nèi)形成的干涉條紋將以速度向一個(gè)方向移動(dòng)，如右圖所示，其移動(dòng)速度為 2sinsvufvfv 于是在照明區(qū)域中，一個(gè)靜止的粒子產(chǎn)生的信號(hào)將等于這個(gè)頻移頻率。假設(shè)，不存在光學(xué)頻移時(shí)，粒

18、子產(chǎn)生的多普勒頻移為，則當(dāng)示蹤粒子的速度方向與條紋運(yùn)動(dòng)方向相同時(shí)，粒子穿越條紋的速度將減慢，此時(shí)粒子散射光的頻率變?yōu)?，反之，當(dāng)粒子速度方向與條紋運(yùn)動(dòng)方向相反時(shí)，光感應(yīng)器得到的光波頻率為 ，依靠判別頻率的增加與降低就可以判斷出速度的方向。51(1) 二維激光測(cè)速光路頻率分離型二維光路 d2sinyyyVfk藍(lán)d2sinzzzVfk綠52(2) 六光束三維頻移激光測(cè)速光路六光束三維LDV光路布置 對(duì)稱(chēng)布置的軸向測(cè)量光路 cossinRUW122cosRRU122sinRRW12()4sin cosUffk12()4sin cosWffk534.多普勒信號(hào)處理技術(shù)多普勒信號(hào)處理技術(shù) (1) 激光多

19、普勒信號(hào)的特點(diǎn)信號(hào)頻率在一定范圍內(nèi)變化，是一個(gè)變頻信號(hào)。 多普勒信號(hào)特征圖 VVVDDDfff信號(hào)幅值按一定規(guī)律變化。 54信號(hào)是隨機(jī)的，斷續(xù)的 多普勒信號(hào)的隨機(jī)和斷續(xù)性 55(2) 激光多普勒信號(hào)處理方法頻譜分析方法 多普勒信號(hào)頻譜 56頻率跟蹤方法 頻率跟蹤器示意圖 57計(jì)數(shù)器處理技術(shù) 濾波器組分析法 光子相關(guān)技術(shù) 計(jì)算機(jī)處理技術(shù) 58處理技術(shù)得到瞬時(shí)速度接收間斷信號(hào)提取微弱信號(hào)能力典型不確定度可測(cè)信號(hào)頻率上限頻譜分析否可好(費(fèi)時(shí))1%1GHz頻率跟蹤可否好0.5%50MHz計(jì)數(shù)器處理可可較好0.5%200MHz濾波器組可可很好2%5%10MHz光子相關(guān)否可很好1%2%50MHz計(jì)算機(jī)處理

20、技術(shù)(FFT)可可很好0.5%150MHz596.2.3激光多普勒測(cè)速技術(shù)的進(jìn)展激光多普勒測(cè)速技術(shù)的進(jìn)展 1966年，F(xiàn)oreman、George、Lewis、Thornton、Felton和Watson等人首先撰寫(xiě)了廣泛論述激光風(fēng)速計(jì)的論文。 1975年在丹麥?zhǔn)锥几绫竟e行的“激光多普勒測(cè)速?lài)?guó)際討論會(huì)標(biāo)志著這一技術(shù)的成熟。 20世紀(jì)80年代，激光多普勒技術(shù)進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用的新階段 60使用兩個(gè)穩(wěn)定單模激光頻差的頻移激光多普勒測(cè)速儀 混頻器單元方框圖 61激光測(cè)距儀與其它測(cè)距儀激光測(cè)距儀與其它測(cè)距儀( (如光電測(cè)距儀等如光電測(cè)距儀等) )相比，具相比，具備的特點(diǎn)：備的特點(diǎn)： 探測(cè)距離遠(yuǎn)探測(cè)距離

21、遠(yuǎn) 測(cè)距精度高測(cè)距精度高 抗干擾性強(qiáng)抗干擾性強(qiáng) 保密性好保密性好 體積小體積小 重量輕重量輕6.3 激光測(cè)距技術(shù)激光測(cè)距技術(shù)62激光測(cè)距儀的分類(lèi)激光測(cè)距儀的分類(lèi)激光測(cè)距儀的分類(lèi)：激光測(cè)距不同于激光測(cè)長(zhǎng)，它的測(cè)量距離要大激光測(cè)距儀的分類(lèi)：激光測(cè)距不同于激光測(cè)長(zhǎng)，它的測(cè)量距離要大得多，按照測(cè)量距離可分為下述三類(lèi)：得多，按照測(cè)量距離可分為下述三類(lèi)：1 1、短程激光測(cè)距儀，它的測(cè)程僅在五公里以?xún)?nèi)，適用于各種工程測(cè)量、短程激光測(cè)距儀，它的測(cè)程僅在五公里以?xún)?nèi)，適用于各種工程測(cè)量2 2、中長(zhǎng)程激光測(cè)距儀，測(cè)程為五至幾十公里，適用于大地控制測(cè)量和、中長(zhǎng)程激光測(cè)距儀，測(cè)程為五至幾十公里，適用于大地控制測(cè)量和地震

22、預(yù)報(bào)等地震預(yù)報(bào)等3 3、遠(yuǎn)程激光測(cè)距儀，它用于測(cè)量導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、月球等空間目標(biāo)的、遠(yuǎn)程激光測(cè)距儀，它用于測(cè)量導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、月球等空間目標(biāo)的距離距離激光測(cè)距是通過(guò)測(cè)量激光光束在待測(cè)距離上往返傳播的時(shí)間來(lái)?yè)Q算激光測(cè)距是通過(guò)測(cè)量激光光束在待測(cè)距離上往返傳播的時(shí)間來(lái)?yè)Q算出距離的，其換算公式為出距離的，其換算公式為2ctd 63測(cè)距方法分類(lèi)測(cè)距方法分類(lèi)脈沖測(cè)距法：脈沖測(cè)距法：測(cè)距儀發(fā)出光脈沖，經(jīng)被測(cè)目標(biāo)反射后，光脈沖測(cè)距儀發(fā)出光脈沖，經(jīng)被測(cè)目標(biāo)反射后，光脈沖回到測(cè)距儀接收系統(tǒng)，測(cè)量其發(fā)射和接收光脈沖的時(shí)間間隔，回到測(cè)距儀接收系統(tǒng)，測(cè)量其發(fā)射和接收光脈沖的時(shí)間間隔，即光脈沖在待測(cè)距離上的往返傳播時(shí)間即

23、光脈沖在待測(cè)距離上的往返傳播時(shí)間t。脈沖法測(cè)距精度大多。脈沖法測(cè)距精度大多為米的量級(jí)為米的量級(jí)相位測(cè)距法：相位測(cè)距法：它是通過(guò)測(cè)量連續(xù)調(diào)制的光波在待測(cè)距離上往返它是通過(guò)測(cè)量連續(xù)調(diào)制的光波在待測(cè)距離上往返傳播所發(fā)生的相位變化，間接測(cè)量時(shí)間傳播所發(fā)生的相位變化，間接測(cè)量時(shí)間t。這種方法測(cè)量精度較。這種方法測(cè)量精度較高，因而在大地和工程測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用高，因而在大地和工程測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用644.3.1 脈沖激光測(cè)距1. 測(cè)量原理測(cè)量原理脈沖激光測(cè)距原理 由激光器發(fā)出持續(xù)時(shí)間極短的脈沖激光(稱(chēng)為主波)，經(jīng)過(guò)待測(cè)的距離L射向被測(cè)目標(biāo)。被反射的脈沖激光(回波信號(hào))返回測(cè)距儀，由光電探測(cè)器接收。

24、當(dāng)光速為c，激光脈沖從激光器到待測(cè)目標(biāo)之間往返時(shí)間為t，就可算出待測(cè)目標(biāo)的距離為2Lct652. 測(cè)量系統(tǒng)（1）組成：脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、門(mén)控電路、時(shí)鐘脈沖振蕩器以及計(jì)數(shù)顯示電路 脈沖激光測(cè)距系統(tǒng) （2）測(cè)量過(guò)程：首先對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，啟動(dòng)復(fù)位開(kāi)關(guān)K，復(fù)原電路給出復(fù)原信號(hào)，使整機(jī)復(fù)原，準(zhǔn)備進(jìn)行測(cè)量。同時(shí)觸發(fā)脈沖激光發(fā)生器，產(chǎn)生激光脈沖。該激光脈沖有一小部分能量由參考信號(hào)取樣器直接送到接收系統(tǒng)，作為計(jì)時(shí)的起始點(diǎn)，大部分光脈沖能量射向待測(cè)目標(biāo)。由目標(biāo)反射回測(cè)距儀處的光脈沖能量，被接收系統(tǒng)接收。參考信號(hào)(主波信號(hào))和回波信號(hào)先后由光電探測(cè)器變換為電脈沖，并加以放大和整形。整形后的參考信號(hào)使T觸發(fā)器翻

25、轉(zhuǎn)，控制計(jì)數(shù)器開(kāi)始對(duì)晶體振蕩器發(fā)出的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。整形后的回波信號(hào)使T觸發(fā)器的輸出翻轉(zhuǎn)無(wú)效，從而使計(jì)數(shù)器停止工作。根據(jù)計(jì)數(shù)器的輸出可計(jì)算出待測(cè)目標(biāo)的距離 2cNLf式中，N為計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)；f為計(jì)數(shù)脈沖的頻率。66（3）分辨率 系統(tǒng)的分辨率決定于計(jì)數(shù)脈沖的頻率。由于光速很快，計(jì)時(shí)基準(zhǔn)脈沖和計(jì)數(shù)器頻率的高低直接影響著所獲得的測(cè)距精度。 過(guò)高的時(shí)鐘脈沖不易獲得；普通電子元器件無(wú)法保證精度，但選用高速器件會(huì)增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度，成本大幅提高。（4）測(cè)距精度 12Lc t676.3.2相位激光測(cè)距 1、相位測(cè)距原理、相位測(cè)距原理f 調(diào)制頻率c 光速 光波從A點(diǎn)傳到B點(diǎn)的相移 ： 2 ()2mmm/2m

26、式中m是零或正整數(shù)；m是個(gè)小數(shù)，A，B兩點(diǎn)之間的距離L： ()2Lctfmmft 光由A點(diǎn)傳到B點(diǎn)所需時(shí)間 （1）波長(zhǎng)為： cf（2）（3）用“光尺”測(cè)量距離 波長(zhǎng)是相位式激光測(cè)距儀量度距離的一把尺子 68光波往返一次后的相位變化 光波經(jīng)2L距離后的相位變化 假設(shè)測(cè)距儀的接收系統(tǒng)置于A(實(shí)際上測(cè)距儀的發(fā)射和接收系統(tǒng)都是在點(diǎn) ) A,2ABBA AAL則有 2()Lmm()()2sLmmL mm相位測(cè)量技術(shù)只能測(cè)量出不足 的相位尾數(shù)，只能確定小數(shù)： 2的相位尾數(shù)的 2m當(dāng)距離LL即可確定距離L 缺點(diǎn)：由于測(cè)相系統(tǒng)存在的測(cè)相誤差，使得所選用的Ls愈大時(shí)測(cè)距誤差愈大 用一組(兩個(gè)或兩個(gè)以上)測(cè)尺一起對(duì)距離L進(jìn)行測(cè)量 優(yōu)點(diǎn)：解決了測(cè)距儀高精度和長(zhǎng)測(cè)程的矛盾，其中最短的測(cè)尺保證了必要的測(cè)距精度，最長(zhǎng)的測(cè)尺則保證了測(cè)距儀的測(cè)程。測(cè)尺頻率測(cè)尺頻率 /(2)ssfcL直接測(cè)尺頻率方式：直接測(cè)尺頻率方式：測(cè)尺頻率fs是直接和測(cè)尺長(zhǎng)度Ls相對(duì)應(yīng)的，即測(cè)尺長(zhǎng)度 直接由測(cè)尺頻率所決定 測(cè)程要求l00km，精確到0.01m ，如果采用相位測(cè)量系統(tǒng)的精度為1 ，（7）需要三把光尺，即Ls1=105m，Ls2=103m， Ls3=10m，相應(yīng)的光的調(diào)制頻率分別為fsl=1.5KHz， fs2 =150KHz， fs3 =