激光測(cè)距實(shí)驗(yàn)

/6相位激光測(cè)距實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、學(xué)習(xí)激光測(cè)距機(jī)類型與應(yīng)用現(xiàn)狀2、掌握相位測(cè)距原理二、概述傳統(tǒng)的非接觸測(cè)距方法主要有超聲波測(cè)距、電磁波測(cè)距和光學(xué)測(cè)距等。激光技術(shù)誕生后，激光很快應(yīng)用于測(cè)距，尤其在探測(cè)距離較長(zhǎng)時(shí)，因采用測(cè)量激光往返目標(biāo)的飛行時(shí)間，測(cè)距不需要借助基線，因而優(yōu)越性更為明顯。激光測(cè)距獲得了廣泛的應(yīng)用?？梢杂糜跍y(cè)量長(zhǎng)度、距離、速度等。比較常用的激光測(cè)距方法有脈沖法和相位法等。第一代激光測(cè)距儀采用發(fā)射689.3nm紅外紅寶石激光器和光電倍增管探測(cè)器，其隱蔽性差、效率低、體積大、重量重、耗電多。第二代激光測(cè)距儀采用發(fā)射1.06|im近紅外釹激光器和硅光電二極管或硅雪崩光電二極管探測(cè)器。其隱蔽性好、效率高、輕小、耗電少，因此第二代激光測(cè)距儀的小型化研制進(jìn)展迅速。1977年美國(guó)研制成功稱之為AN/GVS-5型的第一個(gè)手持使用的小型Nd：YAG激光測(cè)距儀。第三代激光測(cè)距儀，即人眼安全的激光測(cè)距儀。20世紀(jì)70年代末國(guó)際上開(kāi)始研制第三代人眼安全激光測(cè)距儀。其中1.5?1.6|im激光成為人眼安全激光測(cè)距儀的主流。自1994年以來(lái)，美國(guó)Bigsky公司、美國(guó)Litton公司及以色列光電工業(yè)公司等先后研制出1.57|im人眼安全OPO測(cè)距儀，美國(guó)Lockheedsanders公司研制了二極管泵浦的全固體化1.57|im手持式人眼安全OPO激光測(cè)距儀。三、激光測(cè)距原理A點(diǎn)激光測(cè)距機(jī)A點(diǎn)激光測(cè)距機(jī)B點(diǎn)反射棱鏡圖1激光測(cè)距基本原理圖激光測(cè)距廣泛采用傳播時(shí)間法，飛行時(shí)間法是指測(cè)量光在測(cè)線上往返傳播所需的時(shí)間t來(lái)測(cè)量距離。即向被測(cè)物體發(fā)射激光，用探測(cè)器接收物體的反射光，記錄光發(fā)射和反射D時(shí)間差，來(lái)確定被測(cè)物體與測(cè)試點(diǎn)的距離。其基本原理如圖1所示。資料個(gè)人收集整理，勿做商業(yè)要測(cè)A、B兩點(diǎn)之間的距離D，可以分別在A、B兩點(diǎn)架設(shè)測(cè)儀機(jī)和反射器，測(cè)距儀發(fā)射一束激光，激光在被測(cè)距離A、B之間傳播，到達(dá)B點(diǎn)后，激光被反射器反射。反射回的激光被測(cè)距儀接收，如果激光測(cè)距儀能測(cè)出激光從發(fā)射到接收這一段時(shí)間，那么，在A、

B之間的距離就可以計(jì)算出來(lái)。根據(jù)光速c,則距離D為:ct―2d2發(fā)射1、脈沖法激光測(cè)距發(fā)射基準(zhǔn)基準(zhǔn)測(cè)距接收放大整形電子門接收放大整形電子門時(shí)標(biāo)脈沖計(jì)時(shí)脈沖圖2脈沖激光測(cè)距的原理圖2脈沖激光測(cè)距的原理圖3脈沖測(cè)距波形圖脈沖法測(cè)距的工作原理如圖2、圖3所示,當(dāng)儀器接通電源之后，按動(dòng)啟動(dòng)按鈕K時(shí)，激光器發(fā)出激光脈沖。有一部分發(fā)射激光經(jīng)取樣棱鏡直接到接收系統(tǒng),作為計(jì)數(shù)器的開(kāi)始信號(hào)。這時(shí)由時(shí)標(biāo)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)標(biāo)脈沖可以通過(guò)電子門進(jìn)入計(jì)數(shù)電路開(kāi)始計(jì)數(shù)。另外,該激光脈沖的主要能量經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)射向目標(biāo)。從目標(biāo)反射回來(lái)的光脈沖通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)到光電管上。光電管輸出電信號(hào),作為計(jì)數(shù)器結(jié)束信號(hào)。脈沖測(cè)距儀的原理和結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單,測(cè)程遠(yuǎn),功耗小，此類測(cè)距儀一般測(cè)量范圍10km、精度5m。資料個(gè)人收集整理，勿做商業(yè)用途2、相位激光測(cè)距原理相位式激光測(cè)距一般應(yīng)用在精密測(cè)距中，其精度為mm級(jí)，為了有效地反射信號(hào)，這種測(cè)距儀大多配置了被稱為合作目標(biāo)的反射鏡。相位測(cè)距原理如圖4所示。圖4圖4相位法測(cè)距基本原理圖相位法測(cè)距是用一調(diào)制信號(hào)對(duì)發(fā)射光波的光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制，利用測(cè)定“調(diào)制光波”往返于被測(cè)距離的相位差，間接求得待測(cè)距離D。其距離的計(jì)算公式為：資料個(gè)人收集整理，勿做商業(yè)用途222兀f22兀其中九為調(diào)制波的波長(zhǎng)，。為調(diào)制光在距離為2D上的相位差，C為調(diào)制光的傳播速度，t為調(diào)制光在待測(cè)距離往返所需要的時(shí)間，f為調(diào)制光的頻率。資料個(gè)人收集整理，勿做商業(yè)用途在圖5中，A表示調(diào)制光波的發(fā)射點(diǎn)，B表示安置反射器的地點(diǎn)，4表示所發(fā)出的調(diào)制光波經(jīng)反射器反射后的接收地點(diǎn)。A-A兩點(diǎn)間的距離就是光波所走過(guò)的路程2D。資料故：。=N2故：。=N2兀+A。=2兀（N其中AN=11A?！猧2兀+AN）11；式中N1表示相位。中包含的2兀的整數(shù)倍，A。表示不是整周期2兀的相位的尾數(shù)。令L—c（2f令L—c（2f）=v位測(cè)距方程為：圖5光波經(jīng)距離2D后的相位變化ctDcTV=cN（2f）+必。（4f兀）2,L定義為測(cè)距儀的電尺長(zhǎng)度，等于調(diào)制波長(zhǎng)的二分之一，則相因?yàn)橐驗(yàn)長(zhǎng)為已知的D=LN+A6L2兀=L?N+AN?L

所以只需測(cè)得N和AN即可求D。

3、干涉法測(cè)距原則上干涉法測(cè)距是測(cè)量未經(jīng)調(diào)制的光波本身的相位迭加關(guān)系（干涉）來(lái)測(cè)距。激光器12分束器反射器反射器激光器12分束器反射器反射器探測(cè)器（b）圖6干涉法測(cè)距原理圖圖6是常用的邁克爾遜干涉儀示意圖。由激光器發(fā)射的激光經(jīng)分束器之后分別射向兩個(gè)反射器。若從分束器至兩個(gè)反射器的距離分別是L和L，則兩個(gè)反射器的間距12L=L2-L1。設(shè)兩束光強(qiáng)為/1和12，則兩束光迭加時(shí)，其合成光強(qiáng)：資料個(gè)人收集整理，勿做一（一L\I=I+1+211cos2?！?21I九J..?、，米式中，九為激光的波長(zhǎng)。當(dāng)L=N.亍時(shí)，兩束反射光的相位差為2兀的整倍數(shù)，迭加后振幅增大，I最大，出現(xiàn)亮條紋；當(dāng)L=（2N+1）^時(shí)，兩束光的相位相反，二者振幅相抵消，I最小，出現(xiàn)暗條紋。將這兩束光再經(jīng)分束器反射到光探測(cè)器上，則其輸出信號(hào)與迭加后光線的亮暗有關(guān)。此測(cè)距法只能測(cè)出反射鏡的的位移增量，即只能求出相對(duì)距離，顯然不適用于野外大地測(cè)距。要在野外長(zhǎng)距離上進(jìn)行絕對(duì)干涉測(cè)量，多值性的鑒別非常重要但又十分困難。資料三、實(shí)驗(yàn)裝置本實(shí)驗(yàn)是利用相位法的激光測(cè)距，實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示，激光被調(diào)制成為調(diào)幅波，光強(qiáng)變化的頻率為10MHz，這種調(diào)幅波被半反鏡分出兩束光波：一束至1號(hào)探測(cè)器，做為參考信號(hào)；另一束經(jīng);=、二三到2號(hào)探測(cè)器。兩束光頻率均為10MHz，光探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。1號(hào)和2號(hào)探測(cè)器輸出信號(hào)相位差為尹。用示波器或相位計(jì)測(cè)出兩信號(hào)的相位差，多次測(cè)量取平均值，就能得到被測(cè)距離。資料個(gè)人收集整理，勿做商業(yè)用途

半反鏡反射鏡1調(diào)制激光發(fā)

生器L1探測(cè)器半反鏡反射鏡1調(diào)制激光發(fā)

生器L1探測(cè)器1探測(cè)器2示波器或

測(cè)相器7實(shí)驗(yàn)原理圖反射鏡2/W\A/AAA/\圖8-a實(shí)驗(yàn)波形圖圖8-b實(shí)驗(yàn)波形圖1、調(diào)好光路、用示波器找到兩個(gè)頻率并紀(jì)錄，畫出測(cè)距波形。2、在已知距離情況下測(cè)量光速。3、根據(jù)所測(cè)光速測(cè)量距離。四、思考題1、相位激光測(cè)距實(shí)現(xiàn)運(yùn)距離測(cè)量的困難是什么？2、激光器波長(zhǎng)對(duì)測(cè)距精度有無(wú)影響？3、普通光源能做相位測(cè)距光源嗎？4、調(diào)制頻率與測(cè)距精度關(guān)系？五、參考文獻(xiàn)[1]高林奎，宋瑋.激光測(cè)距[M].北京：人民鐵道出版社，1977.[2]中國(guó)礦業(yè)學(xué)院測(cè)量教研室.激光測(cè)距儀[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1980.[3]孫渝生.激光多普勒測(cè)量技術(shù)及其運(yùn)用[M].上?？茖W(xué)文獻(xiàn)出版社.1995；[4]沈熊編著激光多普勒測(cè)速技術(shù)及應(yīng)用清華大學(xué)出版社2004TN24/3422[5]（德）F?杜斯特等著激光多普