Le télémètre laser est une catégorie majeure des applications de la technologie laser. Dans les pratiques de production et la recherche scientifique, la question de la mesure de distance se pose souvent. Par exemple, dans l'arpentage géodésique et l'exploration géologique, il est nécessaire de mesurer la distance entre deux sommets de collines ; lors de la construction d'un pont, il est nécessaire de mesurer l'intervalle entre les deux rives d'une rivière ; dans les applications militaires, le ciblage des positions d'artillerie et les frappes à longue portée sont indissociables d'une mesure de distance précise.
Le télémètre photoélectrique est une méthode de mesure physique proposée tôt. Des télémètres photoélectriques ont été fabriqués et appliqués pratiquement pour mesurer la distance entre des cibles au sol à la fin des années 1940 et au début des années 1950. Cependant, en raison des limitations de la luminosité et de la monochromaticité de la source lumineuse, le télémètre photoélectrique n'a pas connu de développement significatif à cette époque.
Au début des années 1960, l'émergence des lasers a grandement favorisé le développement des télémètres photoélectriques. Les lasers ont une haute luminosité, une bonne monochromaticité, une forte directionnalité et des faisceaux étroits, ce qui en fait des sources lumineuses idéales pour les télémètres photoélectriques.
Comparés à d'autres télémètres (tels que les télémètres à micro-ondes et les télémètres photoélectriques), les télémètres laser possèdent les caractéristiques d'une longue distance de détection, d'une grande précision de mesure, d'une forte capacité d'anti-interférence, d'une bonne confidentialité, d'une petite taille, d'un poids léger et d'une haute fréquence de répétition.
Après avoir réussi à effectuer des mesures laser sur la lune et des satellites artificiels, divers télémètres laser civils et militaires ont subi plusieurs générations de recherche et d'amélioration, et sont maintenant largement utilisés dans le travail pratique.
Contrairement à la mesure de longueur laser, les longueurs pouvant être mesurées par télémétrie laser sont beaucoup plus grandes.
Si l'on classe par portée, la télémétrie laser peut être grossièrement divisée en trois catégories : les télémètres laser à courte portée, avec une portée de seulement 5 km, adaptés à divers relevés d'ingénierie ; les télémètres laser à portée moyenne et longue, avec une portée de cinq à plusieurs dizaines de kilomètres, adaptés aux relevés de contrôle géodésique et à la prévision des tremblements de terre ; et les télémètres laser à longue portée, utilisés pour mesurer la distance des missiles, des satellites, de la lune et d'autres cibles spatiales.
Ensuite, je vais introduire en détail les connaissances sur la technologie de télémétrie laser, y compris les principes de la technologie de télémétrie laser, l'utilisation de la technologie de télémétrie laser et l'application de la technologie de télémétrie laser.
I. Principes de la technologie de télémétrie laser
Émission de faisceau laser : Une diode laser ou d'autres dispositifs laser, stimulés par un courant électrique, produisent un faisceau laser à haute densité, à haute monochromaticité et hautement directionnel.
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La technologie de télémétrie laser repose sur la relation entre la vitesse de la lumière et le temps, utilisant des faisceaux laser à grande vitesse réfléchis par une cible et retournés à l'origine pour calculer la distance. Ses principes englobent principalement les aspects suivants :
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Transmission et réception du faisceau laser : Le faisceau laser est émis par un système optique, illuminant la cible et se réfléchissant vers un détecteur.
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Vitesse de la lumière : La vitesse de la lumière dans le vide est d'environ 299 792 458 mètres par seconde, formant la base de la télémétrie laser.
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Calcul du temps : Le télémètre enregistre l'intervalle de temps entre l'émission et la réception.
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Calcul de la distance : En utilisant la formule "vitesse égale distance divisée par temps", la distance entre la cible et le télémètre peut être calculée en utilisant l'intervalle de temps enregistré et la vitesse de la lumière.
II. Méthodes d'utilisation de la technologie de télémétrie laser
Bien que l'application de la technologie de télémétrie laser soit relativement simple, l'attention aux détails est cruciale pour garantir des mesures précises et fiables.
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Utilisation appropriée du télémètre laser : Tout d'abord, les opérateurs doivent lire attentivement le manuel du télémètre et se familiariser avec ses fonctions et opérations. Avant de mesurer, assurez-vous que le faisceau laser est dirigé vers la cible et ajustez la mise au point pour plus de précision.
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Éviter les erreurs de mesure : Pour garantir l'exactitude, il est essentiel de minimiser les interférences pendant les mesures. Par exemple, assurez-vous qu'il n'y a pas d'obstacles entre le télémètre et la cible, et réduisez les perturbations dues à l'humidité atmosphérique, à la fumée ou au brouillard.
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Sélectionner le mode de mesure approprié : Les télémètres laser offrent souvent divers modes de mesure, tels que la mesure à un point ou la mesure continue. Choisissez le mode approprié en fonction des besoins spécifiques.
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Évaluation des résultats de mesure : Après la mesure, évaluez soigneusement l'exactitude des résultats. Prendre plusieurs mesures et les moyenniser peut aider à réduire les erreurs. De plus, comparer les résultats avec d'autres méthodes de mesure peut vérifier l'exactitude du télémètre.
III. Applications de la technologie de télémétrie laser
La technologie de télémétrie laser trouve des applications répandues dans divers domaines. Voici quelques scénarios courants où elle est utilisée :
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Arpentage architectural : Dans le domaine de l'architecture, la technologie de télémétrie laser aide à mesurer et à dessiner des plans d'étage et des cartes tridimensionnelles des bâtiments. Elle facilite également des mesures dimensionnelles précises et la planification des mises en page.
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Exploration géologique : Dans les relevés géologiques, les télémètres laser sont utilisés pour mesurer les élévations du terrain et les différences de hauteur du sol, fournissant un soutien de données précieux pour l'exploration géologique et les systèmes d'alerte aux catastrophes.
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Applications militaires : La technologie de télémétrie laser a des applications étendues dans le domaine militaire, notamment pour identifier et mesurer des cibles lointaines, telles que le tir d'artillerie à longue portée et la navigation de drones.
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Navigation robotique : Cette technologie est utilisée dans la navigation et la détection des robots. En mesurant la distance entre le robot et les obstacles, elle aide les robots à éviter les collisions et à planifier des chemins optimaux.
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Maisons intelligentes : La technologie de télémétrie laser contribue à la détection humaine et à la détection de distance dans les maisons intelligentes, permettant aux appareils intelligents de mieux répondre au comportement et aux besoins humains.
En fonction des différentes méthodes de mesure, la télémétrie laser peut être classée en télémétrie par impulsion et télémétrie par phase. La première offre une précision de mesure inférieure, adaptée aux enquêtes militaires et d'ingénierie où la précision n'est pas une priorité. La seconde offre une précision supérieure et est largement utilisée dans les relevés géodésiques et d'ingénierie.
Introduction à la télémétrie par impulsion laser
- Principe de la télémétrie par impulsion laser
: Étant donné que la vitesse de la lumière est une constante et que la lumière se déplace en ligne droite, en mesurant le temps de trajet aller-retour du faisceau lumineux sur la distance à mesurer, la distance en ligne droite entre deux points peut être calculée. Le principe de la télémétrie par impulsion laser est de contrôler le chronomètre pour commencer en émettant une impulsion laser et s'arrêter en recevant l'impulsion laser retournée. Cela mesure le temps de trajet aller-retour du faisceau laser sur la distance à mesurer, complétant le processus de télémétrie.
- Structure du télémètre par impulsion laser
: Le schéma structurel simplifié du télémètre par impulsion laser est montré à la Figure 6-18. Son processus de travail est à peu près le suivant : lorsque le télémètre est dirigé vers la cible, le laser émet une impulsion lumineuse forte et étroite. Cette impulsion lumineuse passe par le télescope de transmission pour comprimer l'angle de divergence. Prenant le laser rubis comme exemple, son angle de divergence de faisceau est généralement de quelques milliradians, qui est compressé à quelques dixièmes de milliradian par le télescope de transmission. Une telle impulsion lumineuse, lorsqu'elle est tirée à une distance de 10 km, ne formera qu'un point lumineux d'un diamètre de quelques mètres. Lorsque l'impulsion lumineuse est émise, une petite portion est immédiatement réfléchie par deux miroirs dans le télescope de réception. Après avoir passé par un filtre, elle atteint le convertisseur photoélectrique, transformant l'impulsion lumineuse en un signal électrique. Cette impulsion électrique, après amplification et mise en forme, est envoyée au système de mesure du temps pour commencer le chronométrage. L'impulsion lumineuse dirigée vers la cible aura toujours une portion réfléchie en raison de la réflexion diffuse de la cible. Cette lumière réfléchie entre dans le télescope de réception, passe par le filtre, le convertisseur photoélectrique, le circuit d'amplification et de mise en forme, et entre dans le système de mesure du temps pour arrêter le chronométrage. Le temps enregistré par le système de mesure du temps est calculé et affiché directement sur le moniteur, montrant la distance du télémètre à la cible.
- Exigences pour les impulsions lumineuses dans les télémètres par impulsion laser
: Pour élargir la portée de mesure et améliorer la précision de mesure, le télémètre a les exigences suivantes pour les impulsions lumineuses :
(1) L'impulsion lumineuse doit avoir une intensité suffisante.
Quelle que soit l'amélioration de la directionnalité du faisceau, il aura inévitablement une certaine divergence. Couplé à l'absorption et à la diffusion de la lumière par l'air, plus la cible est éloignée, plus la lumière réfléchie est faible, ou elle peut même ne pas être reçue. Pour mesurer des distances plus longues, la source lumineuse doit émettre de la lumière avec une haute densité de puissance.
(2) La directionnalité de l'impulsion lumineuse doit être bonne.
Cela sert deux objectifs. D'une part, cela peut concentrer l'énergie lumineuse dans un angle solide plus petit, garantissant une distance de tir plus longue tout en améliorant la confidentialité. D'autre part, cela peut déterminer avec précision la position de la cible.
(3) La monochromaticité de l'impulsion lumineuse doit être bonne.
Que ce soit de jour ou de nuit, il y aura toujours diverses lumières parasites dans l'air, qui sont souvent beaucoup plus fortes que le signal lumineux réfléchi. Si ces lumières parasites et le signal lumineux entrent ensemble dans le système de réception, la mesure devient impossible. Le filtre de la Figure 6-18 ne laisse passer que la lumière monochromatique du signal lumineux, bloquant d'autres fréquences de lumière parasite. Évidemment, plus la monochromaticité de l'impulsion lumineuse est bonne, mieux le filtre fonctionne.effet d'ering, améliorant efficacement le rapport signal-bruit du système de réception et garantissant la précision de la mesure.
(4) La largeur de l'impulsion lumineuse doit être étroite.
La largeur d'une impulsion lumineuse fait référence à l'intervalle de temps entre l'"occurrence" et "l'extinction" du flash. Une largeur d'impulsion lumineuse plus étroite peut éviter le chevauchement entre la lumière réfléchie et la lumière émise. En raison de la vitesse élevée de la lumière, si la distance de mesure du télémètre à la cible est de 15 km, le temps de trajet aller-retour pour l'impulsion lumineuse n'est que d'un dix-millième de seconde. Par conséquent, la largeur de l'impulsion lumineuse doit être bien inférieure à un dix-millième de seconde pour une mesure normale. Pour des distances plus proches, l'impulsion lumineuse doit être encore plus étroite.
Actuellement, les lasers utilisés dans les télémètres incluent des lasers rubis, des lasers en verre de néodyme, des lasers au dioxyde de carbone, des lasers à semi-conducteurs, etc. Les lasers à état solide sont couramment utilisés comme sources lumineuses pulsées dans les télémètres à longue portée, tandis que les lasers à semi-conducteurs sont plus couramment utilisés dans les télémètres à courte portée.
- Génération de Pulses Géants de Laser
La puissance des impulsions lumineuses utilisées dans le télémétrage est très élevée, typiquement avec une puissance de crête de plus d'un mégawatt et une largeur d'impulsion de moins de dizaines de nanosecondes. De telles impulsions lumineuses sont souvent appelées "pulses géants". Les impulsions laser générales ne sont pas des pulses géants. Elles ont une largeur d'impulsion plus large (environ 1 ms) et une puissance d'impulsion insuffisante, donc elles ne peuvent pas répondre aux exigences de télémétrage. En adoptant la technique de commutation Q introduite dans la section 4.6, le laser peut être adapté pour répondre aux exigences de télémétrage.
- Affichage de la Distance
Le temps de trajet aller-retour des impulsions dans le télémétrage par impulsion est très court, donc des cristaux oscillants à haute fréquence sont généralement utilisés pour enregistrer le nombre de vibrations pour le chronométrage. [Note : Il semble y avoir une erreur de formatage ou des informations manquantes après "A.10" dans le texte original. En supposant qu'il s'agit d'une référence à une figure ou un diagramme, cela peut être ignoré ou remplacé par une description appropriée dans la traduction.] Le schéma de principe de ce type d'équipement est montré dans la figure.
Lorsque l'impulsion optique de référence émise entre dans le récepteur et est convertie en une impulsion électrique, elle est entrée dans le "portail principal" (circuit du portail principal) dans la figure 6-19, qui ouvre simultanément le portail principal. À ce moment-là, les impulsions électriques générées par l'oscillateur à quartz passent par le portail principal et entrent dans le compteur, qui commence à compter. Simultanément, l'affichage numérique indique en continu le nombre d'impulsions électriques enregistrées par le compteur. Lorsque le signal d'impulsion optique réfléchi entre dans le récepteur et est converti en une impulsion électrique qui est entrée dans le portail principal, le portail principal se ferme immédiatement, et le signal d'impulsion électrique généré par l'oscillateur à quartz ne peut plus entrer dans le compteur, ce qui fait que le compteur s'arrête de compter. Le nombre affiché sur le moniteur représente le nombre d'impulsions électriques générées par l'oscillateur pendant le temps écoulé depuis l'émission de l'impulsion optique jusqu'à son retour.
La précision de télémétrie des télémètres à impulsion laser est généralement de l'ordre des "mètres", ce qui est adapté à certains projets dans les enquêtes militaires et d'ingénierie où une haute précision n'est pas requise. Les méthodes par impulsion sont également utilisées pour les mesures spatiales à longue distance car, pour des espaces éloignés, une erreur de mesure de l'ordre des "mètres" est déjà considérée comme assez élevée en précision.
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