Jusqu'à présent, le télémètre laser a été mis à jour vers la troisième génération. Le télémètre laser de première génération était principalement utilisé dans l'aérospatiale et les équipements militaires. Le système de télémétrie laser de première génération, composé d'un détecteur à tube photomultiplicateur (PMT) et d'un laser à gemme infrarouge, était de grande taille et nuisible à l'œil humain, très énergivore et présentait de nombreux autres inconvénients. Il a été progressivement remplacé par le système de télémétrie laser de deuxième génération vers les années 1970. Le laser utilisé dans le système de télémétrie laser de deuxième génération est un laser néodyme proche infrarouge basé sur le laser Nd:YAG, et le détecteur d'écho est une photodiode à avalanche (APD) ou une photodiode PIN, ce qui a permis au système de télémétrie de commencer à se développer dans la direction d'une taille réduite et d'une faible consommation d'énergie. Cependant, la question de la sécurité de l'œil humain reste une difficulté majeure dans le système de télémétrie à ce moment-là. Le système de télémétrie laser de troisième génération a commencé à prendre en compte les questions de sécurité de l'œil humain. Les longueurs d'onde du laser émises par le système se situent toutes dans la bande de sécurité de l'œil humain, et la plupart d'entre elles utilisent des lasers solides en verre d'erbium.
Figure 1 Composition interne du premier laser à rubis
Avec le développement et la maturité croissante de la technologie électronique, la technologie de télémétrie laser se développe actuellement rapidement dans la direction de la petite taille, du poids léger, du faible prix et de la structure simple.
La performance laser est l'un des facteurs importants affectant la performance de mesure des systèmes de télémétrie par laser à impulsion. Actuellement, il existe de nombreux types de lasers. Parmi eux, les lasers à état solide ont une structure compacte, une puissance élevée et sont faciles à utiliser, ce qui les rend adaptés au traitement industriel, aux domaines médical et militaire ; les lasers à gaz ont de nombreux types, une efficacité de conversion élevée et une large gamme de longueurs d'onde, et sont adaptés aux outils de test et de mesure de précision ; les lasers liquides ont une performance stable médiocre, la longueur d'onde du laser de sortie peut être ajustée dans une large gamme, et sont largement utilisés en médecine laser, en photobiologie et dans d'autres domaines ; les lasers chimiques convertissent directement l'énergie chimique en énergie lumineuse, avec une énergie de sortie élevée et une largeur de bande d'onde, adaptés aux opérations sur le terrain sans alimentation électrique ; les lasers à semi-conducteurs sont peu coûteux et faciles à moduler, et sont adaptés aux sources lumineuses de communication, au lidar, etc.
La sélection du laser nécessite une considération complète du rapport coût-efficacité et des indicateurs techniques, et le laser le plus rentable doit être choisi en fonction du respect des exigences des indicateurs de conception. Les indicateurs techniques incluent principalement la fréquence de répétition du laser, la puissance de crête, la longueur d'onde centrale, etc. Parmi eux, la fréquence de répétition du laser affecte principalement la vitesse de mesure. Plus la puissance de crête est élevée, plus la distance mesurée sera grande. La longueur d'onde du laser doit prendre en compte l'atténuation du milieu de propagation du laser et d'autres caractéristiques. Le milieu amplificateur du laser en verre d'erbium est le verre Er, et la longueur d'onde de sortie est de 1535 nm. Il est largement utilisé dans la mesure de distance en toute sécurité pour les yeux humains. Actuellement, il peut atteindre une sortie d'énergie de 100-400 μJ en Chine, une largeur d'impulsion de 5 ns et une fréquence de répétition de plus de 1 MHz. Les lasers en verre d'erbium offrent une faible consommation d'énergie, une haute puissance de crête, une largeur d'impulsion étroite, une taille compacte et ne nécessitent pas de contrôle de température. Ils présentent une stabilité extrêmement élevée et peuvent être utilisés dans des environnements de température extrême de -45℃ à 60℃.
Figure 2 Principe de fonctionnement du laser à verre erbium
Le télémètre laser miniaturisé et sécurisé pour les yeux est principalement composé de trois parties : module d'émission laser, système de réception laser et système de traitement du signal.
L'unité d'émission laser du système de télémétrie laser à impulsion est principalement divisée en trois sous-modules, à savoir le module de commande du laser, le laser et le module d'émission collimatée. Le laser est une partie clé qui affecte la performance du système de télémétrie. Le module de commande du laser conçoit principalement le circuit de commande en fonction des caractéristiques du laser et définit la fréquence de répétition du laser et l'impulsion étroite dans le programme de contrôle selon les exigences de conception. Le module d'émission collimatée comprend une lentille d'émission collimatée. Le laser émis par le laser a un angle de divergence, donc la lentille d'émission doit être collimatée et corrigée avant d'être émise vers la cible afin de réduire la divergence d'énergie et d'augmenter la distance de télémétrie du système.
Afin de garantir que le signal laser émis par le laser de détection puisse être couplé au photodétecteur avec un maximum d'efficacité après avoir été réfléchi par la cible, la structure du module de réception du signal peut être grossièrement divisée en trois parties suivantes : La première partie est la lentille de réception, qui garantit que les signaux d'écho faibles peuvent être collectés au foyer de la lentille dans la plus grande mesure possible, assurant ainsi la force du signal ; la deuxième partie est le tube de lentille de réception, qui est conçu en forme conique, ce qui peut efficacement isoler la lumière parasite ; la troisième partie est la base de réception du signal, cette partie est conçue pour garantir que le photodétecteur est situé au foyer de la lentille, assurant ainsi que le maximum de signal lumineux possible est reçu.
Le détecteur photoélectrique est l'un des principaux composants du module de réception du système. Sa tâche principale dans le processus de mesure de distance est de convertir le faible signal lumineux reçu en un signal électrique. Les photodétecteurs comprennent principalement des dispositifs photoconducteurs tels que des diodes d'avalanche, des photodiodes et des tubes photomultiplicateurs, parmi lesquels les diodes d'avalanche et les photodiodes sont les plus courantes. L'unité de réception du signal d'écho du système de mesure de distance par laser à impulsion prend le détecteur comme noyau. Le module de réception optique concentre le signal optique sur la surface du détecteur. Le détecteur induit un courant photoélectrique et convertit le signal optique en un signal électrique. Le signal électrique passe par le circuit d'amplification et de mise en forme, puis le système de traitement du signal TDC reçoit le signal d'écho et effectue le traitement des données pour mesurer le temps de vol afin d'obtenir des informations de distance précises.
Figure 3 Principe de la mesure par laser à impulsions
Avec l'amélioration continue de la technologie de télémétrie par laser à impulsion, sa taille continue de diminuer et son prix diminue progressivement. Elle a été progressivement utilisée dans le lidar, l'arpentage des bâtiments, etc. Son efficacité présente également des avantages évidents par rapport à d'autres technologies de télémétrie. Actuellement, la distance de mesure maximale des petits modules de télémétrie peut atteindre plus de 10 km, et la précision de mesure peut atteindre dans une plage de ±1 m.