飞行时间测量 time-of-flight measurements

2022-10-25 10:11:02 浏览:289

定义

基于测量光脉冲飞行时间的距离测量。

飞行时间测量通常用于测量一些距离,例如使用激光测距仪,例如在飞机上使用,可能以扫描激光雷达的形式使用。在这里,设备发出短光脉冲并测量监测脉冲的反射部分之前的时间。然后,距离的计算方法是测量的往返时间的一半除以光速。由于速度高,时间精度必须非常高 - 例如,空间精度为15厘米时为1 ns。

一个相关的方法是用于距离测量的相移方法。这里使用连续调制的信号而不是单独的光脉冲。

飞行时间方法通常用于长距离,例如数百米或数公里。使用先进的技术(涉及高质量望远镜,高灵敏度光检测等),可以测量例如地球和月球之间的距离,精度为几厘米,或获得大坝的精确轮廓。短距离简单设备的典型精度为几毫米或厘米。

为了获得更高的空间分辨率,可以使用超短脉冲,例如来自飞秒激光器的脉冲。然而,快速光电探测器(通常是光电二极管)的分辨率至少限制在皮秒区域。飞秒时间分辨率需要全光学技术,例如测量光学互相关。

由于飞行时间测量优先用于长距离,因此激光源的光束质量至关重要。此外,望远镜可用于获得大光束直径和相应增加的瑞利长度,即小光束发散。目标可以配备反光镜,以增加反射光的量。使用的脉冲持续时间通常在100 ps到几十纳秒之间,就像使用Q开关激光器一样。对于长距离,需要高脉冲能量。这可能会引发激光安全问题,特别是如果激光波长不在人眼安全区域。对于纳焦耳到微焦耳脉冲能量(对于中等距离的要求),可以使用被动Q开关微芯片Er:Yb:glass激光器,它可以产生相当短的脉冲(持续时间为1 ns),脉冲能量在人眼安全的光谱区域中约为10μJ。

参考文献

[1] M.-C. Amann et al., “Laser ranging: a critical review of usual techniques for distance measurement”, Opt. Eng. 40 (1), 10 (2001), doi:10.1117/1.1330700

方法

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