激光测距仪在体育领域中的应用
激光测距仪在体育领域中的应用
作者:戴金符;李舜酩
激光(Laser) 它是英语词组 light amplification by stimulated emission of radiation (通过光的受激发射的光放大) 的缩写。它是 20 世纪 60 年代产生的 , 具有一系列与普通光不同的特点[1 ] : 高方向性( 高定向性) ;高单色性;高亮度;干涉性好。随着激光与激光技术的发展其应用也日益广泛。激光最早和最成熟的应用是在军事上。在激光测距仪出现以前 , 坦克炮、地炮、高炮和舰炮通常用光学测距仪测距。光学测距仪无论是合像式的还是体式视的 ,其测距准确度随距离而变化 ,测程越远 ,准确度越差 ,并且仪器的体积受基线长短的限制 , 操作也比较复杂。而使用激光测距的突出优点是测距准确度高 ,并且与测程的远近无关。此外 ,仪器体积小、测距迅速、距离数据可以数字显示、操作简单 ,特别适用于数字信息处理。激光测距与微波测距相比具有波束窄、角分辨力高、抗干扰能力强 ,可以避免微波在贴近地面上应用的多路径效应和地物干扰问题 ,以及天线尺寸小和质量轻等优点。在体育比赛中 ,特别是田赛中 ,距离测试十分重要。目前在大型国际比赛 ,包括奥运会中 ,常用的是无线电波测距。这种方法与传统的方法相比具有速度快、准确度高等优点。本课题在此基础上充分考虑了激光跟踪的特点与优点、进行更方便、快捷方法的研究。
1连续波激光测距原理[ 2 ]
利用受调制的连续波激光器对目标发射一束调制的连续波激光束 ,激光接收机接收由目标返回的调制的光回波 ,通过测量发射的调制激光束和接收的调制光回波之间的相位移来测量目标距离。对于直接探测的连续波激光测距 ,因探测器只对接收的光回波强度敏感 ,故激光器通常幅度调制 ,光强按正弦规律变化 ,即I = I0 (1 + m sinωt) ,式中I 为调制后强度; I0 为调制前光强度; m 为调制幅度。连续波激光测距测定相位移的方法主要有以下两种。
1. 1多波长方法
多波长测定相位移的连续波激光测距的激光器用幅度进行调制。连续波激光器输出的光强用电光调制器调制 , 调制器用一个高稳定的振荡器驱动 , 接受信号的相位移用相位计测出 , 其数量通常为 2π的倍数。距离 d 和所测量的相位移Φ 之间的关系为d = λm ( N + Ф+ Φ0 ) ,22π2π式中 λm 为调制波长; N 为调制的波长数;Φ0 为测量系统本身固有的恒定相位移;Φ是测量的相位移; d 为测量的距离。相位是以 2π 为周期变化的 , 因此比值Φ 一定可以用两种数字表示, 即用 0 或正整数n 和小数Δ n 表示 , 于是 d 可以写成d = λm ( n +Δ n) .
这个式子表示相位激光测距如同用一把长度为λm 的尺子去测量距离 d , 得到的数值包括正整数 n和小数Δ n 。显然单位越小的尺子测量准确度越高 , 即λm 越小测量准确度越高。在多个调制波长中 , 最短的调制波长将决定测距准确度 , 称为精测波长或基本波长 , 其频率称为精测频率或基本测尺频率。其它较长的调制波长称为粗测波长或辅助测尺波长 , 其频率称为粗测频率或辅助测尺频率。为了保证必须的测距准确度问题 , 波长长的用于保证大测程 , 波长短的用于保证测量准确度 , 精测波长必须选得足够短 , 即精测频率必须选得足够高 , 其它的粗测波长逐渐加长 , 即粗测频率逐渐降低。
1.2 频率调制法
利用频率调制法则是用微波调制激光器载波的幅度微波频率在激光束往返于目标内连续变化往返时间 t = 2 d 后 , 到达激光接收机的回波信号与微波发生器的瞬时信号混频 , 在混频器中由于回波信号的时间延迟产生了与距离有关的频差 f 0 , 微波调制频率与回波频率不再相同。在平方律光电探测器上进行相干的光混频探测 , 就可以检测出差频信号 , 从而得到目标距离。
2激光跟踪系统光路设计
2.1 激光跟踪测距光学系统设计
为了提高靶场测量在近距离和低仰角工作时的测量准确度 , 这种跟踪光学系统主要由连续波激光收发机及电子线路组成 , 使光学测量设备能单站工作 , 实时精确输出跟踪目标的位置数据。在这种组合系统中 , 自动或手动进行激光跟踪之间的切换 , 激光闭环跟踪器是独立的 , 自动或手动程序控制激光发射功率 , 保护人眼安全 , 采用自动激光程序控制装置 , 可以进行光学增益的自动控制。图 1 为跟踪测距光路系统。
2. 2主要部件的功能
激光跟踪测距光学系统中是由 4 只互相独立的硅光电二级管组成。四象限元件都力求在响应度高的前提下提高各象限自身的均匀性 , 并减小各个象限之间的串扰。此外还应减小结电容 , 提高对短脉冲的探测能力。四象限管以光学系统的轴线为对称轴 , 并置于焦平面附近。利用望远镜将高斯光束准直 , 选用一短焦距透镜将高斯光束聚焦 , 以便获得极小的腰斑 , 然后再用一个长焦距透镜来实现准直改善其方向性。
3应用
根据前述原理和光路设计 , 试制了一个激光跟踪测距仪。考虑到体育比赛的特点 , 设计中考虑了灵活性、自动性、体积小、操作简单等因素。在某运动会上进行了实际试验分析 , 先后用于铅球、标枪、铁饼和跳远中。试验结果表明 , 前三个运动项目的测距误差都达到 0 . 01 m , 最后一个项目达到 0 . 03 m 。分析其原因 , 认为主要是运动员在落地时的沙陷造成的。可以用瞬时多次测距再取平均值的办法解决。由于自动性好 , 试验中的结果全部是自动数字显示 , 充分体现出其灵敏、快速和精确性。
4结束语
基于实验结果的优良性和可靠性,该测距仪也可用于链球、三级跳等所有体育运动中需要测距的项目上。它不但可以提高准确性 ,节省大量的人力物力 ,而且还可避免出现人为的插远旗、叠尺子等不良现象发生 ,提高裁判执法的透明度。另一方面还可以减少外场裁判人员 , 使田赛场内更加清静、有序。所研制的激光跟综测距仪还可用于军事、测绘等领域。该项目产品化后具有广泛的实用价值 ,特别在体育领域中 ,具有可观的经济效益。
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