На данный момент лазерный дальномер был обновлен до третьего поколения. Лазерный дальномер первого поколения в основном использовался в аэрокосмической и военной технике. Система лазерного дальномера первого поколения, состоящая из фотомножительного трубки (PMT) и инфракрасного лазера на кристалле, была крупной, вредной для человеческого глаза, очень энергозатратной и имела множество других недостатков, поэтому она постепенно была заменена системой лазерного дальномера второго поколения примерно в 1970-х годах. Лазер, используемый во втором поколении системы лазерного дальномера, является лазером на основе неодиума в ближнем инфракрасном диапазоне Nd:YAG, а детектор эха — это лавинный фотодиод (APD) или PIN-фотодиод, что позволяет системе дальномера постепенно развиваться в направлении уменьшения размеров и низкого потребления энергии. Однако вопрос безопасности человеческого глаза по-прежнему остается основной трудностью в системе дальномера на тот момент. Система лазерного дальномера третьего поколения начала учитывать вопросы безопасности человеческого глаза. Длина волн лазеров, излучаемых системой, находится в безопасном для человеческого глаза диапазоне, и большинство из них используют твердые лазеры на основе эрбиевого стекла.
Рисунок 1. Внутренний состав раннего рубинового лазера
С развитием и увеличением зрелости электронной технологии, лазерная дальномерная технология в настоящее время быстро развивается в направлении малых размеров, легкого веса, низкой цены и простой структуры.
Лазерная производительность является одним из важных факторов, влияющих на дальномерные характеристики систем импульсного лазерного дальномера. В настоящее время существует множество типов лазеров. Среди них твердотельные лазеры имеют компактную структуру, высокую мощность и простоту в использовании, что делает их подходящими для промышленной обработки, медицины и военной сферы; газовые лазеры имеют множество типов, высокую эффективность преобразования и широкий диапазон длин волн, что делает их подходящими для точных измерительных инструментов; жидкостные лазеры имеют плохую стабильность, длина волны выходного лазера может быть настроена в широком диапазоне и широко используется в лазерной медицине, фотобиохимии и других областях; химические лазеры непосредственно преобразуют химическую энергию в световую, обладая высокой выходной энергией и шириной полосы волн, что делает их подходящими для полевых операций без источника питания; полупроводниковые лазеры имеют низкую стоимость и легкость модуляции, что делает их подходящими для источников света связи, лидаров и т.д.
Выбор лазера требует комплексного учета соотношения стоимости и технических показателей, и следует выбирать наиболее экономически эффективный лазер на основе соответствия требованиям проектных показателей. Технические показатели в основном включают частоту повторения лазера, пиковой мощности, центральной длины волны и т.д. Среди них частота повторения лазера в основном влияет на скорость измерения расстояния. Чем выше пиковой мощности, тем дальше будет измерено расстояние. Длину волны лазера необходимо комплексно учитывать с учетом затухания среды распространения лазера и других характеристик. Усилительная среда лазерного стекла на основе эрбия - это стекло Er, а выходная длина волны составляет 1535 нм. Он широко используется для безопасного измерения расстояний для человеческого глаза. В настоящее время в Китае он может достигать выходной энергии 100-400 μJ, ширины импульса 5 нс и частоты повторения более 1 МГц. Лазеры на основе эрбиевого стекла предлагают низкое потребление энергии, высокую пиковой мощности, узкую ширину импульса, компактный размер и не требуют контроля температуры. Они обладают чрезвычайно высокой стабильностью и могут использоваться в экстремальных температурных условиях от -45℃ до 60℃.
Рисунок 2. Принцип работы эрбиевого стеклянного лазера
Миниатюрный лазерный дальномер, безопасный для глаз, в основном состоит из трех частей: модуля передачи лазера, системы приема лазера и системы обработки сигналов.
Лазерный излучающий блок системы импульсного лазерного дальномера в основном делится на три подсистемы: модуль управления лазером, лазер и модуль коллимированного излучения. Лазер является ключевой частью, влияющей на характеристики системы дальномера. Модуль управления лазером в основном разрабатывает управляющую схему в соответствии с характеристиками лазера и устанавливает частоту повторения лазера и узкий импульс в управляющей программе в соответствии с требованиями проектирования. Модуль коллимированного излучения включает в себя коллимирующую линзу. Лазер, излучаемый лазером, имеет угол расходимости, поэтому излучающая линза должна быть коллимирована и откорректирована перед тем, как быть направленной на цель, чтобы уменьшить расходимость энергии и увеличить дальность измерения системы.
Для того чтобы обеспечить максимальную эффективность связывания лазерного сигнала, излучаемого лазером обнаружения, с фотодетектором после отражения от цели, структура модуля приема сигнала может быть грубо разделена на следующие три части: первая часть - это приемная линза, которая обеспечивает максимальное сбор слабых эхо-сигналов в фокусе линзы, тем самым обеспечивая силу сигнала; вторая часть - это корпус приемной линзы, который имеет сужающуюся форму, что эффективно изолирует паразитный свет; третья часть - это база приема сигнала, эта часть спроектирована так, чтобы обеспечить расположение фотодетектора в фокусе линзы, тем самым обеспечивая получение как можно большего количества светового сигнала.
Фотоэлектрический детектор является одним из основных компонентов модуля приема системы. Его основная задача в процессе измерения расстояния заключается в преобразовании полученного слабого светового сигнала в электрический сигнал. Фото detectors в основном включают фотопроводящие устройства, такие как лавинные диоды, фотодиоды и фотомульттиплексоры, среди которых лавинные диоды и фотодиоды являются наиболее распространенными. Блок приема эхо-сигнала системы импульсного лазерного дальномера принимает детектор в качестве ядра. Оптический приемный модуль фокусирует оптический сигнал на поверхности детектора. Детектор индуцирует фототок и преобразует оптический сигнал в электрический сигнал. Электрический сигнал проходит через цепь усиления и формирования, а затем система обработки сигналов TDC принимает эхо-сигнал и выполняет обработку данных для измерения времени полета, чтобы получить точную информацию о расстоянии.
Рисунок 3. Принцип измерения импульсного лазера
С постоянным улучшением технологии импульсного лазерного дальномера его размер продолжает уменьшаться, а цена постепенно снижается. Он постепенно используется в лидаре, строительной съемке и т.д. Его эффективность также имеет очевидные преимущества по сравнению с другими технологиями дальнометрии. В настоящее время максимальная измерительная дистанция малых дальнометрических модулей может достигать более 10 км, а точность измерения может составлять в пределах ±1 м.