激光測距實驗

/6相位激光測距實驗一、實驗?zāi)康?、學(xué)習(xí)激光測距機(jī)類型與應(yīng)用現(xiàn)狀2、掌握相位測距原理二、概述傳統(tǒng)的非接觸測距方法主要有超聲波測距、電磁波測距和光學(xué)測距等。激光技術(shù)誕生后，激光很快應(yīng)用于測距，尤其在探測距離較長時，因采用測量激光往返目標(biāo)的飛行時間，測距不需要借助基線，因而優(yōu)越性更為明顯。激光測距獲得了廣泛的應(yīng)用?？梢杂糜跍y量長度、距離、速度等。比較常用的激光測距方法有脈沖法和相位法等。第一代激光測距儀采用發(fā)射689.3nm紅外紅寶石激光器和光電倍增管探測器，其隱蔽性差、效率低、體積大、重量重、耗電多。第二代激光測距儀采用發(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器。其隱蔽性好、效率高、輕小、耗電少，因此第二代激光測距儀的小型化研制進(jìn)展迅速。1977年美國研制成功稱之為AN/GVS-5型的第一個手持使用的小型Nd：YAG激光測距儀。第三代激光測距儀，即人眼安全的激光測距儀。20世紀(jì)70年代末國際上開始研制第三代人眼安全激光測距儀。其中1.5?1.6|im激光成為人眼安全激光測距儀的主流。自1994年以來，美國Bigsky公司、美國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測距儀，美國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激光測距儀。三、激光測距原理A點激光測距機(jī)A點激光測距機(jī)B點反射棱鏡圖1激光測距基本原理圖激光測距廣泛采用傳播時間法，飛行時間法是指測量光在測線上往返傳播所需的時間t來測量距離。即向被測物體發(fā)射激光，用探測器接收物體的反射光，記錄光發(fā)射和反射D時間差，來確定被測物體與測試點的距離。其基本原理如圖1所示。資料個人收集整理，勿做商業(yè)要測A、B兩點之間的距離D，可以分別在A、B兩點架設(shè)測儀機(jī)和反射器，測距儀發(fā)射一束激光，激光在被測距離A、B之間傳播，到達(dá)B點后，激光被反射器反射。反射回的激光被測距儀接收，如果激光測距儀能測出激光從發(fā)射到接收這一段時間，那么，在A、

B之間的距離就可以計算出來。根據(jù)光速c,則距離D為:ct―2d2發(fā)射1、脈沖法激光測距發(fā)射基準(zhǔn)基準(zhǔn)測距接收放大整形電子門接收放大整形電子門時標(biāo)脈沖計時脈沖圖2脈沖激光測距的原理圖2脈沖激光測距的原理圖3脈沖測距波形圖脈沖法測距的工作原理如圖2、圖3所示,當(dāng)儀器接通電源之后，按動啟動按鈕K時，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),作為計數(shù)器的開始信號。這時由時標(biāo)振蕩器產(chǎn)生的時標(biāo)脈沖可以通過電子門進(jìn)入計數(shù)電路開始計數(shù)。另外,該激光脈沖的主要能量經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)射向目標(biāo)。從目標(biāo)反射回來的光脈沖通過光學(xué)系統(tǒng)到光電管上。光電管輸出電信號,作為計數(shù)器結(jié)束信號。脈沖測距儀的原理和結(jié)構(gòu)較簡單,測程遠(yuǎn),功耗小，此類測距儀一般測量范圍10km、精度5m。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途2、相位激光測距原理相位式激光測距一般應(yīng)用在精密測距中，其精度為mm級，為了有效地反射信號，這種測距儀大多配置了被稱為合作目標(biāo)的反射鏡。相位測距原理如圖4所示。圖4圖4相位法測距基本原理圖相位法測距是用一調(diào)制信號對發(fā)射光波的光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制，利用測定“調(diào)制光波”往返于被測距離的相位差，間接求得待測距離D。其距離的計算公式為：資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途222兀f22兀其中九為調(diào)制波的波長，。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)制光在待測距離往返所需要的時間，f為調(diào)制光的頻率。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途在圖5中，A表示調(diào)制光波的發(fā)射點，B表示安置反射器的地點，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。A-A兩點間的距離就是光波所走過的路程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定義為測距儀的電尺長度，等于調(diào)制波長的二分之一，則相因為因為L為已知的D=LN+A6L2兀=L?N+AN?L

所以只需測得N和AN即可求D。

3、干涉法測距原則上干涉法測距是測量未經(jīng)調(diào)制的光波本身的相位迭加關(guān)系（干涉）來測距。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器（b）圖6干涉法測距原理圖圖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反射器。若從分束器至兩個反射器的距離分別是L和L，則兩個反射器的間距12L=L2-L1。設(shè)兩束光強(qiáng)為/1和12，則兩束光迭加時，其合成光強(qiáng)：資料個人收集整理，勿做一（一L\I=I+1+211cos2兀—121I九J..?、，米式中，九為激光的波長。當(dāng)L=N.亍時，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，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器上，則其輸出信號與迭加后光線的亮暗有關(guān)。此測距法只能測出反射鏡的的位移增量，即只能求出相對距離，顯然不適用于野外大地測距。要在野外長距離上進(jìn)行絕對干涉測量，多值性的鑒別非常重要但又十分困難。資料三、實驗裝置本實驗是利用相位法的激光測距，實驗裝置如圖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號探測器，做為參考信號；另一束經(jīng);=、二三到2號探測器。兩束光頻率均為10MHz，光探測器將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。1號和2號探測器輸出信號相位差為尹。用示波器或相位計測出兩信號的相位差，多次測量取平均值，就能得到被測距離。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途

半反鏡反射鏡1調(diào)制激光發(fā)

生器L1探測器半反鏡反射鏡1調(diào)制激光發(fā)

生器L1探測器1探測器2示波器或

測相器7實驗原理圖反射鏡2/W\A/AAA/\圖8-a實驗波形圖圖8-b實驗波形圖1、調(diào)好光路、用示波器找到兩個頻率并紀(jì)錄，畫出測距波形。2、在已知距離情況下測量光速。3、根據(jù)所測光速測量距離。四、思考題1、相位激光測距實現(xiàn)運距離測量的困難是什么？2、激光器波長對測距精度有無影響？3、普通光源能做相位測距光源嗎？4、調(diào)制頻率與測距精度關(guān)系？五、參考文獻(xiàn)[1]高林奎，宋瑋.激光測距[M].北京：人民鐵道出版社，1977.[2]中國礦業(yè)學(xué)院測量教研室.激光測距儀[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1980.[3]孫渝生.激光多普勒測量技術(shù)及其運用[M].上?？茖W(xué)文獻(xiàn)出版社.1995；[4]沈熊編著激光多普勒測速技術(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