激光测距仪 Laser rangefinders

2022-11-11 09:17:22 浏览:233

定义

使用激光测量到物体距离的设备。

激光测距仪是包含激光的设备,可以使用激光测量到物体的距离。 通常,这种设备与直接飞行时间方法或相移方法一起工作。 下面对这两种方法进行了说明。 有关使用激光进行距离测量的其他方法,请参阅有关使用激光进行距离测量的文章。

已经开发了不同的设备。 有些可以测量数公里的物体距离,而另一些则设计用于更小的距离,例如在建筑物内。 通常,获得的物体距离出现在数字显示器上。

与超声波或无线电和微波频率设备(雷达)相比,激光测距技术的主要优点是激光具有更小的波长,允许发出更集中的探测光束,从而实现更高的横向空间分辨率。

测距仪通常包含一个用于精确定义目标的观察设备。

激光测距仪通常包含观察装置,允许用户通过定向设备使感兴趣的物体出现在被观察图像的中心并用十字准线标记,从而将激光束精确地对准感兴趣的物体。 (测量的距离可以显示在同一查看设备中。 在其他情况下,可以在不太远的物体上看到可见激光束(来自测量激光或可能来自单独的内置激光指示器),以检查目标位置。

除了激光、光电探测器和光学部件外,激光测距仪还包含电子设备,通常包括微处理器,用于控制激光、计算和显示测量距离、监控和充电电池等。

直接飞行时间测量

最直接的测量原理是从设备向感兴趣的物体发送短激光脉冲,并监测时间,直到可以用足够快的光电探测器检测到反射光或散射光。 然后,可以将距离简单地计算为测量的往返时间的一半除以光速。

光电探测器的高灵敏度和高时间分辨率的结合并不容易实现。

显然,可实现的空间分辨率受到脉冲持续时间和/或光电探测器速度的限制。 人们经常使用来自Q开关激光器的脉冲,其持续时间为几纳秒,有时甚至低于1 ns,这可以从特别紧凑的激光器中获得,例如单片无源Q开关微芯片激光器。 快速光电二极管可以提供相同数量级的时间分辨率,尽管对于非常低的接收光功率而言,这并不容易实现,因此对于大观察距离,特别是当必须使用漫散射光时。 注意,接收到的光脉冲能量与观测距离的平方反比成正比,只要出射光束的光束发散可以忽略不计;否则,随着距离的增加,它的衰减速度会更快。

在长距离上,光束发散可能导致物体上的光斑尺寸大大增加,大气扭曲可能会增加这一挑战。 特别是对于小物体,物体上光斑尺寸的增加可能会降低接收信号强度,并且可能会受到散射在相邻物体上的光的干扰。

可以采取不同的措施来改善接收信号强度和信噪比,以便进行远距离测量:

可以采取多种措施来优化测距仪的距离范围。

  • 显然,激光的高脉冲能量可以提供帮助。 然而,限制可能不仅来自使用激光技术,还来自人眼安全方面 - 特别是对于近红外激光器。
  • 通过使用望远镜增加输出孔径处的光束半径,可以减少光束发散。 同一望远镜可用于从物体收集更多光线。 然而,这种方法可能会受到设备所需的紧凑性和低重量或大口径望远镜成本的限制。
  • 使用一些精确对准的镜子或一种逆向反射器,可以轻松获得更强的信号。 这种方法已被广泛使用,例如,在阿波罗任务期间将逆向反射器放置在月球上。 然而,许多应用需要对漫散散射物体进行操作。
  • 可以使用特别灵敏的光电探测器,例如雪崩光电二极管。
  • 光学带通滤光片可以非常有效地消除其他光学频率下的噪声影响。
  • 此外,电子信号处理可以有很大帮助。 例如,可以从多个激光脉冲接收数据,并通过平均技术提高信噪比。

为了快速更新测量或用于平均目的,可以使用具有一定脉冲重复率的常规脉冲序列。 对于高重复率,这会产生范围模糊;设备必须确定接收的脉冲属于哪个发送脉冲。 可变重复率或脉冲突发可用于解决此问题。

激光测距仪可能还必须应对其他挑战,例如来自在空中飞行的小物体(例如树叶)的杂散信号或干扰或致盲的企图(在军事应用中)。

多频相移法

人们可以使用高频正弦强度调制来发出光,而不是使用激光脉冲。 这可以从连续波激光器获得,其输出光束通过强度调制器发送,在高频下产生强烈的正弦强度调制。 或者,可以直接调制激光器,例如通过激光二极管的驱动电流。 然后,光电探测器也将接收具有该调制的信号,两个调制信号之间的相对相移取决于物体的距离。

对于固定调制频率f,测量存在模糊性:如果物体距离改变一个系数c/(2f)的倍数,则探测器信号的相位变化为2π的倍数,即实际上根本不变化。 这种模糊性可以通过使用多个不同频率进行测量并将结果(通常与在微处理器上运行的合适软件)相结合来消除。 该原则尤其适用于最大物体距离和空间分辨率方面的要求不太严格的情况下。

检测大物体距离的微弱信号的挑战原则上类似于直接飞行时间测量的挑战,但可以使用锁相放大器来检测调制,并强烈抑制随机噪声影响。 总体而言,与直接飞行时间方法相比,检测变得容易得多。 因此,大多数用于中等物体距离的手持式激光测距仪都是基于相移方法工作的。

附加功能

一些激光测距仪具有与某些应用相关的附加功能:

  • 先进的观察设备,可能具有可变放大倍率,可以更轻松地识别和精确定位某些物体。
  • 除了距离之外,一些激光测距仪还可以通过检测由多普勒效应引起的光学频率偏移来测量物体和观察者之间的相对速度。 这通常需要使用单频激光源和额外的光学外差检测和信号处理手段。
  • 一些设备提供从多个测量距离计算面积或体积。
  • 可以存储多个测量结果和/或将其传输到其他设备,例如通过与笔记本电脑或平板电脑的无线连接。

激光安全方面

使用激光测距会引起严重的激光安全问题,特别是当使用来自调Q激光器的强脉冲时;对于较大的检测距离,通常需要这样做,以便不仅获得可检测的返回光量,而且还避免环境光的主导影响。 然而,然后,可能必须采取不方便的额外措施来确保安全,特别是对人眼的安全。

通常,人们试图设计设备来操作激光安全等级I,因此不需要特殊的附加激光安全措施。 然而,这会严重限制可以发送到目标的光功率,从而限制检测能力。

这种权衡可以通过应用人眼安全的激光器来减轻,例如在1.5μm光谱区域,在那里可以安全地使用比例如在1μm区域更多的光功率。 然而,激光器和光电探测器的选择(及其性能)都受到很大限制,系统成本可能会明显更高。

各种问题

如上所述,光束发散对于大物体距离可能是一个严重的问题。 因此,需要大型光学望远镜和高光束质量的激光器。

与基本上所有其他使用激光的测量技术一样,激光距离测量也会受到激光噪声的影响——尽管检测噪声通常是主要问题。 杂散光和激光散斑效应可能引起其他与噪声相关的问题。

目标可能具有非常不同的反射和散射特性。 对于非常低的反射或镜面反射,可能会出现问题。 在后一种情况下,许多入射光可能会反射到对检测没有用的方向上。

激光测距仪的应用

激光测距仪有许多完全不同的应用:

  • 有些军事装置通常允许人们测量几公里甚至几十公里的距离,例如用于侦察目的。 它们可能使用具有数毫焦耳能量的相当强烈的激光脉冲,即使使用“人眼安全”波长,这对人眼来说也是相当危险的(→激光安全)。
  • 类似的设备,通常是跟踪距离,用于例如大地测量和大型建筑工地。
  • 有用于林业的设备,例如用于进行森林清查。 它们可以包含特殊的滤光片,以抑制叶子对测量的不利影响。
  • 不同类型的测距仪用于各种工业生产过程和土木工程。
  • 有便宜的室内手持式测距仪,它们仅适用于相当有限的距离,但距离误差仅为几毫米。 例如,它们可用于快速测量房间的大小,只需要一个人。 它们可以提供额外的功能,例如从多个测量距离计算面积或体积。
  • 某些类型的运动(例如高尔夫)和狩猎需要距离测量,这可以用相对便宜的消费级测距仪来完成。

光学测量

作          者: 泮桥成像光电商城

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