第11卷 第3期1998年9月山东科学SHANDONGSCIENCEVol.11 No.3Sept.1998
脉冲-)
,采取精测和粗测两种测尺相结合的方法,研制-。实现了漫反射、高精度激光测距,并给出了实验结果及其分析。
关键词 激光测距 半导体激光器 幅相误差
中图分类号 TN24814
目前应用的激光测距仪一般有脉冲式和相位式两种,虽已在各种测量行业中得到了广泛应用,但这两种测距方式还存在一些缺点。我们利用新型光源砷化镓半导体激光器研制的脉冲-相位式激光测距仪,克服了以上两种激光测距仪的缺点,取得了高的测量精度和无合作目标的远距离测程,并具有抗干扰能力强、体积小、重量轻等特点。
1 激光测距原理
111 脉冲式激光测距原理
脉冲激光测距是利用发射和接收激光脉冲信号的时间差来实现对被测目标的距离测量,其测距公式为[1]:
D=ct2
式中D是测量距离,c是光速,t是测距信号往返时间。从公式中可知,只要测量出激光脉冲发射和接收所用的往返时间,就可以求出被测量的距离。这种脉冲式激光测距一般采用红宝石、YAG等固体激光器,输出功率大、测程远,但测距精度较差,且不利于仪器的小型化。
112 相位式激光测距原理
相位式激光测距是利用发射连续激光信号和接收倍之间的相位差所含有的距离信息来实现对被测目标距离的测量,相位法测距的一般公式为[2]:
()D=22πf
式中φ是检测的相位差,f是填充脉冲的频率。从公式中可以看出这种测距方式是一种间接测距方式,只要检测出发射和接收信号之间的相位差,就能求出被测量的距离。这种测距方法一般应用连续光源He-Ne激光器,功率小、无合作目标情况下一般无法测距。但由于利用了调制和差频等技术可实现高的测量精度。
收稿日期:1998-01-05
第3期朱相磊:脉冲—相位式激光测距仪的研究・45・113 脉冲-相位式激光测距原理
脉冲-相位式激光测距是将脉冲式和相位式两种测距方法结合起来实现的一种测距方法,利用发射连续的脉冲激光信号来实现脉冲和相位测距的时间差实现对距离的粗测,,,发射脉冲信号可用各次谐波表示为[3]:
tpnnft-φn)
c:φ(t)=k1pm+k2pmA∑nncos[(2πnft-φn)-・2D]
式中c・2D是光脉冲在所测距离上往返传播每个谐波的滞后相位角,所以返射回来的每个谐波分量都含有反映距离大小的相位信息。测量某一谐波的相位差就可求出被测距离。
D=Δφ・4πnf
Δφ是测量出的某谐波分量滞后的相位角。
2 仪器原理方框图
脉冲—相位式激光测距仪的原理框图如图1所示。电路的工作过程是:(1)发射系统:振荡器I产生振荡信号经分频器和调制器使半导体激光器产生连续的脉冲激光信号,经光学系统发射给被测目标。(2)接收系统:由被测目标返的回波激光脉冲信号经光学接收系统、光电转换器、放大器传输给电路测量系统。(3)距离的粗测:激光发射时的取样信号打开粗测的控制门电路,粗测计数器开始工作,由放大器输出的回波信号关闭粗测计数器,从而实现了对被测目标的粗测(4)距离的粗测:放大器输出的回波信号经倍频器后,由测距混频器输出测距信号和基准混频器输出的基准信号经检相器输出含有距离信息的相位差信号,经填充门控电路到精测计数器,从而实现对距离的精确测量。(5)精粗测衔接电路的作用是将脉冲测距对目标的粗测距离的高位精确值和相位测距对目标的精测距离低位的精确值无误差的有效结合起来,从而实现对距离的准确测量(6)时基控制电路:这部分电路作用是产生时基信号和控制信号,以保证仪器有序的测量和规定的测量精度。
3 仪器的特点和主要指标
311 仪器的特点
(1)具有脉冲式激光测距仪无合作目标的测距性能
(2)具有相位式激光距仪高的测量精度
(3)能实现对被测目标的连续跟踪测量
(4)能进行漫反射无合作目标和有合作目标两种方式测距
・46・山 东 科 学1998年
图1
(5)采用半导体激光器,光调制设备简单;采用集成电路,仪器体积小、重量轻
(6)整个测量过程自动化程度高,并有预置功能
(7)主机安装在经纬仪上,能和经纬仪合作使用
312 主要技术指标
(1)最大测程 无合作目标500m有合作目标2000m
(2)测量精度±011m
(3)激光器峰值功率30W
(4)主机重量212kg
(5)电源12V充电电池
(6)工作温度-10℃～+40℃
4 测试结果与分析
在研究过程中,我们研制了两台实验样机,1号样机采用了单芯片砷化镓半导体激光器,2号样机采用了陈列式砷化镓半导体激光器。两台样机在各种环境下进行多次的实际测量,结果均能满足技术要求。表1是1号样机的一组实测数据;表2是2号样机的一组实测数据。
两台样机经过在野外各种环境条件下的多次测量,证明整机性能稳定,抗干扰能力强,调制速度快,测距精度高,能连续跟踪测量。同时也发现,由于半导体激光器件本身发光的不均匀性和发散角较大等缺点,幅相误差和相位式测距仪一样依然存在,半导体激光器较大的发散角和对激光器进行大电流、高速度调制也带来了一些大电流高频干扰。因此,对激光器有效功率的应用及仪器灵敏度的提高都受到了限制。半导体激光器本身较
第3期朱相磊:脉冲—相位式激光测距仪的研究・47・大的发散角和目前半导体激光器件峰值功率所限,仪器的测程也受到了限制。因此解决这些问题是我们进一步研究的方向。
表1
标定数据(m)
12表2次数345(m)
1245
实测数据(m)
24150
[***********]100301150实测数据(m)[***********][***********][***********]85 采用半导体激光器实现脉冲-相位式激光测距是激光测距仪发展和研究的方向,在理论上这是一种新的测量方式,它能克服脉冲式和相位式激光测距仪的缺点,这给许多实际的测量带来了很大的方便。随着半导体激光器件的发展和工艺的进一步提高,这种测量方法的测距精度和测程将会有较大的提高。这将会给脉冲-相位式激光测距仪带来更广阔的应用前景。
参考文献
1 清华大学测量教研室编1短程光电测距仪及应用1北京:人民教育出版社11982(8):112～1352 涂书田1脉冲激光在测云中的应用研究1山东激光11992(1):7～9
3 中国矿业学院测量教研室编1激光测距仪1北京:人民教育出版社11981.86～98
StudyOnLaserRangeFindersOPulse-PhraseType
ZhuXianglei
(JiningTeachers’College,Jinning,272125)
Abstract Thisarticleintroducesthedesignprinciplesandcharactersoflaserrangefindersofpulse-phasetype,whichisdevelopedbyapplicationofGaAs-(AlGa)Assemiconductorlasers,andbycombinationofprecisesurveyandroughsurvey.Thistypeoflaserrangerfinderhasachievedthegoalofdiffusereflectionandhighprecisionforlaserranger.Meanwhile,theex2perimentalresultsandtheanalysisarealsogiveninthepaper.
Keywords laserrange semiconductorlasers range-phaseerrore
第11卷 第3期1998年9月山东科学SHANDONGSCIENCEVol.11 No.3Sept.1998
脉冲-)
,采取精测和粗测两种测尺相结合的方法,研制-。实现了漫反射、高精度激光测距,并给出了实验结果及其分析。
关键词 激光测距 半导体激光器 幅相误差
中图分类号 TN24814
目前应用的激光测距仪一般有脉冲式和相位式两种,虽已在各种测量行业中得到了广泛应用,但这两种测距方式还存在一些缺点。我们利用新型光源砷化镓半导体激光器研制的脉冲-相位式激光测距仪,克服了以上两种激光测距仪的缺点,取得了高的测量精度和无合作目标的远距离测程,并具有抗干扰能力强、体积小、重量轻等特点。
1 激光测距原理
111 脉冲式激光测距原理
脉冲激光测距是利用发射和接收激光脉冲信号的时间差来实现对被测目标的距离测量,其测距公式为[1]:
D=ct2
式中D是测量距离,c是光速,t是测距信号往返时间。从公式中可知,只要测量出激光脉冲发射和接收所用的往返时间,就可以求出被测量的距离。这种脉冲式激光测距一般采用红宝石、YAG等固体激光器,输出功率大、测程远,但测距精度较差,且不利于仪器的小型化。
112 相位式激光测距原理
相位式激光测距是利用发射连续激光信号和接收倍之间的相位差所含有的距离信息来实现对被测目标距离的测量,相位法测距的一般公式为[2]:
()D=22πf
式中φ是检测的相位差,f是填充脉冲的频率。从公式中可以看出这种测距方式是一种间接测距方式,只要检测出发射和接收信号之间的相位差,就能求出被测量的距离。这种测距方法一般应用连续光源He-Ne激光器,功率小、无合作目标情况下一般无法测距。但由于利用了调制和差频等技术可实现高的测量精度。
收稿日期:1998-01-05
第3期朱相磊:脉冲—相位式激光测距仪的研究・45・113 脉冲-相位式激光测距原理
脉冲-相位式激光测距是将脉冲式和相位式两种测距方法结合起来实现的一种测距方法,利用发射连续的脉冲激光信号来实现脉冲和相位测距的时间差实现对距离的粗测,,,发射脉冲信号可用各次谐波表示为[3]:
tpnnft-φn)
c:φ(t)=k1pm+k2pmA∑nncos[(2πnft-φn)-・2D]
式中c・2D是光脉冲在所测距离上往返传播每个谐波的滞后相位角,所以返射回来的每个谐波分量都含有反映距离大小的相位信息。测量某一谐波的相位差就可求出被测距离。
D=Δφ・4πnf
Δφ是测量出的某谐波分量滞后的相位角。
2 仪器原理方框图
脉冲—相位式激光测距仪的原理框图如图1所示。电路的工作过程是:(1)发射系统:振荡器I产生振荡信号经分频器和调制器使半导体激光器产生连续的脉冲激光信号,经光学系统发射给被测目标。(2)接收系统:由被测目标返的回波激光脉冲信号经光学接收系统、光电转换器、放大器传输给电路测量系统。(3)距离的粗测:激光发射时的取样信号打开粗测的控制门电路,粗测计数器开始工作,由放大器输出的回波信号关闭粗测计数器,从而实现了对被测目标的粗测(4)距离的粗测:放大器输出的回波信号经倍频器后,由测距混频器输出测距信号和基准混频器输出的基准信号经检相器输出含有距离信息的相位差信号,经填充门控电路到精测计数器,从而实现对距离的精确测量。(5)精粗测衔接电路的作用是将脉冲测距对目标的粗测距离的高位精确值和相位测距对目标的精测距离低位的精确值无误差的有效结合起来,从而实现对距离的准确测量(6)时基控制电路:这部分电路作用是产生时基信号和控制信号,以保证仪器有序的测量和规定的测量精度。
3 仪器的特点和主要指标
311 仪器的特点
(1)具有脉冲式激光测距仪无合作目标的测距性能
(2)具有相位式激光距仪高的测量精度
(3)能实现对被测目标的连续跟踪测量
(4)能进行漫反射无合作目标和有合作目标两种方式测距
・46・山 东 科 学1998年
图1
(5)采用半导体激光器,光调制设备简单;采用集成电路,仪器体积小、重量轻
(6)整个测量过程自动化程度高,并有预置功能
(7)主机安装在经纬仪上,能和经纬仪合作使用
312 主要技术指标
(1)最大测程 无合作目标500m有合作目标2000m
(2)测量精度±011m
(3)激光器峰值功率30W
(4)主机重量212kg
(5)电源12V充电电池
(6)工作温度-10℃～+40℃
4 测试结果与分析
在研究过程中,我们研制了两台实验样机,1号样机采用了单芯片砷化镓半导体激光器,2号样机采用了陈列式砷化镓半导体激光器。两台样机在各种环境下进行多次的实际测量,结果均能满足技术要求。表1是1号样机的一组实测数据;表2是2号样机的一组实测数据。
两台样机经过在野外各种环境条件下的多次测量,证明整机性能稳定,抗干扰能力强,调制速度快,测距精度高,能连续跟踪测量。同时也发现,由于半导体激光器件本身发光的不均匀性和发散角较大等缺点,幅相误差和相位式测距仪一样依然存在,半导体激光器较大的发散角和对激光器进行大电流、高速度调制也带来了一些大电流高频干扰。因此,对激光器有效功率的应用及仪器灵敏度的提高都受到了限制。半导体激光器本身较
第3期朱相磊:脉冲—相位式激光测距仪的研究・47・大的发散角和目前半导体激光器件峰值功率所限,仪器的测程也受到了限制。因此解决这些问题是我们进一步研究的方向。
表1
标定数据(m)
12表2次数345(m)
1245
实测数据(m)
24150
[***********]100301150实测数据(m)[***********][***********][***********]85 采用半导体激光器实现脉冲-相位式激光测距是激光测距仪发展和研究的方向,在理论上这是一种新的测量方式,它能克服脉冲式和相位式激光测距仪的缺点,这给许多实际的测量带来了很大的方便。随着半导体激光器件的发展和工艺的进一步提高,这种测量方法的测距精度和测程将会有较大的提高。这将会给脉冲-相位式激光测距仪带来更广阔的应用前景。
参考文献
1 清华大学测量教研室编1短程光电测距仪及应用1北京:人民教育出版社11982(8):112～1352 涂书田1脉冲激光在测云中的应用研究1山东激光11992(1):7～9
3 中国矿业学院测量教研室编1激光测距仪1北京:人民教育出版社11981.86～98
StudyOnLaserRangeFindersOPulse-PhraseType
ZhuXianglei
(JiningTeachers’College,Jinning,272125)
Abstract Thisarticleintroducesthedesignprinciplesandcharactersoflaserrangefindersofpulse-phasetype,whichisdevelopedbyapplicationofGaAs-(AlGa)Assemiconductorlasers,andbycombinationofprecisesurveyandroughsurvey.Thistypeoflaserrangerfinderhasachievedthegoalofdiffusereflectionandhighprecisionforlaserranger.Meanwhile,theex2perimentalresultsandtheanalysisarealsogiveninthepaper.
Keywords laserrange semiconductorlasers range-phaseerrore