激光测距技术探究
激光测距技术探究
李秀华,庄新,宋立明
自1960年美国 T.H.Maiman博士研制第一台红宝石激光器以来,激光测距技术中的核心—激光器发展迅速。从红宝石激光器到 Nd:YAG激光器、CO2激光器、受激喇曼频移激光器、半导体激光器、飞秒激光器等纷纷出现并快速发展,配合泵浦、调Q、锁模等技术的发展以及光电二极管、雪崩光电二极管的研制,大大推动了激光测距技术的发展。它是集激光技术、光学、电子学、光电子学、精密机械及计算机技术为一体的综合性技术,因其具有高精度、可实现非接触测量、测量范围广、对电磁干扰不敏感等优点被广泛应用于航天、军事、机器人视觉、工业自动生产线和测绘等领域。
1 激光测距原理
按激光测距基本原理,激光测距技术分为激光飞行时间测距和非飞行时间测距两类。激光非飞行时间测距是指在测距时通过光子计数和数学统计的方法得到目标的距离。目前的光子计数测距法就属于这一种,它是基于量子和统计理论的测距体制。它将目标返回的信号看作是离散的光子,记录返回光子个数,通过分析返回光子数的统计特性,给出目标距离信息。该方法能有效克服噪声对测距的影响,提高测距精度。
激光飞行时间测距是通过测量激光光束在被测距离往返一次的时间,间接算出被测距离。
2 激光飞行时间测距方法
激光飞行时间测距的方法有很多,按照测距的原理大体可分为3类:脉冲式激光测距、相位式激光测距及干涉法激光测距。
2.1 脉冲激光测距
控制器给出测距指令后,激光驱动电路启动激光器发出激光,由发射光学系统进行准直瞄准后射向目标体。激光束离开激光器的同时,主波取样器取出一小部分作为参考脉冲送到门电路,打开门电路开始计时。被目标体反射回来的微弱信号反射到接收系统,经接收系统聚焦或减小光束截面后照在光电探测器的光敏面上,将光信号转化为电信号,然后将电信号送到前置放大装置放大。放大后的信号经比较器后进入门电路,使门电路关闭,计时结束。脉冲计数器从开门到关门期间,所进入的时钟脉冲个数经过运算得到参考脉冲和返回脉冲之间的时间间隔,从而算出目标距离,在显示器上显示出来。
2.1.1 收发脉冲时刻判别
脉冲激光测距精度是由时间间隔t的精度决定的。为了获得较高计时精度,必须对发射时门电路开启的触发信号和接收通道控制门电路关闭的信号进行时刻鉴别。时刻鉴别的方法主要有 3 种:前沿鉴别、恒定比值鉴别和高通容阻鉴别。目前,脉冲半导体激光器激光脉宽至少为4~10ns,上升沿为 2 ~ 5ns。前沿鉴别法误差大于2ns,而理论上,恒比定时鉴别法和高通定时法都可以达到ns以下时刻鉴别精度。
2.1.2 时间间隔测量
时刻鉴别产生高精度的起止时刻之后,就要计算起止时间之间的精确时间间隔,即时间间隔测量,主要方法有3种:模拟法、数字法和插入法。
2.2 相位式激光测距
相位式激光测距也称连续波激光测距。当激光器发出连续波激光后,经幅度调制器调制后发射至被测目标,由被测目标返回的回波信号经延迟后进入接收系统,传到光电探测器,再由解调器对延迟信号进行解调送到相位差测量模块中进行鉴相,得到相位差,根据相位差就可得到要测的距离。
在实际探测中N1 并不是一个定值,只有当被测距离小于测尺长度时,不存在多解;反之存在多解。因此当被测距离较长时,通常设置几个不同的测尺来测定同一距离。目前,测尺的选择主要有2种:直接测尺测量和间接测尺测量。
在相位式激光测距中,必须采用较高频率的激光调制信号来确保测距精度。
2.3 干涉法激光测距
干涉法激光测距是经典的精密测距方法。根据光的干涉原理,两列具有固定相位差,而且有相同频率、相同振动方向或振动方向之间夹角很小的光相互交叠,将会产生干涉现象。干涉法激光测距就是根据这一原理,把明暗相间的干涉条纹由光电转换器转换为电信号,经光电计数器计数,从而实现对距离和位移的测量。干涉法测距精度非常高,常用于微位移测量。
2.4 各种飞行时间测距方法性能分析
上述几种激光飞行时间测距的工作原理及性能均有差异,应针对不同的工作环境和不同的精度要求选用不同的测距方法。脉冲测距比较适于远距离测量,特别是在天体测量方面。它要求激光脉冲宽度足够窄,上升沿足够陡,脉冲宽度应远小于飞行时间t。上升沿时间的不确定,电路对脉冲信号响应速度不够引起的延迟或波形畸变都会对测量精度有重要影响。相位测距也比较适合于较大距离的测量,在采用合作目标反射器,多把尺的情况下,可实现高精度远距离测量。无合作目标的相位测距,即不用专备的角锥反射棱镜等合作目标,发射的调制波到达待测目标后产生漫反射,由于漫反射目标类型复杂,反射率差别很大,对同一测程的回波信号幅度差别也很大。在检测时对同电平Um 检测出的相位Δφ1 和Δφ2很不相同,则计算出的距离也很不相同,这就是相位测距中的一个难题 ——— 幅相问题。由于目标反射的特性差别太大,反射相位起伏造成波形畸变等,都会造成信噪比降低。
干涉激光测距主要用于微小距离测量或形状变化。如物面移动在几微米或物体表面发生形变等。对于长距离测量,干涉仪测量臂的移动由于受到导轨精度或干涉仪本身受到外界振动等因素的影响,会引起测量反射镜方向和位置的偏移,从而影响到干涉信号的变化,产生测量误差。
3 非飞行时间与飞行时间激光测距相结合的方法
田玉珍等提出了将光子计数测距与脉冲测距相结合,利用多像素光子计数器(MPPC)进行远距离非合作目标测距的方法。在实验室内模拟远距离非合作目标返回的微弱信号,利用 MPPC接收。通过分析返回光子信号特性,研究目标反射回随机光子的统计分布特性;利用不同的算法计算测距起始和终止脉冲间隔,分析不同算法对测距精度的影响。与其他算法相比,恒比鉴别法测距偏差最小,偏差为2.8cm,测距结果加权均值标准差为0.9cm。
Massa等将时间相关单光子计数技术与脉冲飞行时间激光测距相结合,利用脉宽为10ps的脉冲半导体激光器和单光子计数器以及标准单光子计时电路对1m 的距离反复测量,误差在±30μm。在克服脉冲飞行时间激光测距中固有的由时间抖动引起的误差研究中,Min等利用总光子数和统计的方法校正脉冲到达时间间隔,将实验中由脉冲抖动引起的误差从14.36cm 降到了2.14cm。杨馥等提出了一种将伪随机码调制光纤激光器和单光子计数结合的新测距方法,测距分辨率达到了15cm。
对于光子计数测距法,首先通过多脉冲积累消除没有信号对计时的影响。由于探测器接收到的发射信号和返回信号光子数是随机的,所以起始信号和终止信号的幅值相差会较大,测距误差较大;对于起始信号和终止信号光子数相当的脉冲序列,得到的测距结果比较准确。光子计数测距法对近距离(几 m 内)的测距精度可以达到 μm 级,远距离(几百 m~几千 m)能达到cm 级,与飞行时间测距方法结合后,测程及精度都有了提高。
4 结语
目前,国内外已经有很多激光测距产品,测距精度也达到了毫米级,但仍有很多技术环节尚需改进。各种测距方法的有效融合是进一步研究的方向。
随着激光技术、光学、电子学等相关技术的发展,激光测距精度、测程都会逐步提高,应用领域也会逐渐扩大。在工业领域中,激光测距可用来测量圆柱直径、物体表面粗糙度、薄板厚度、管道长度等。另外,在很多领域中有了新的测距需求,激光测距越来越多地应用于实时、动态的距离测量方面,如实时的表面测量、大型文物三维信息和表面信息采集、三维地图构建以及大尺寸建筑的三维尺寸测量等领域。在这些领域中,测量范围大都在几十至几百 m范围内,而测距精度要求通常要求在毫米或亚毫米级。
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