Технология измерения дальности – импульсный лазерный дальномер

I. Принципы технологии лазерного дальномера

Излучение лазерного луча: Лазерный диод или другие лазерные устройства, стимулируемые электрическим током, производят высокоплотный, высокомонохромный и высоконаправленный лазерный луч.

1. Технология лазерного дистанционного измерения основывается на соотношении между скоростью света и временем, используя высокоскоростные лазерные лучи, отраженные от цели и возвращенные к источнику, для расчета расстояния. Ее принципы в основном охватывают следующие аспекты:

2. Передача и прием лазерного луча: Лазерный луч излучается оптической системой, освещая цель и отражаясь обратно к детектору.

3. Скорость света: Скорость света в вакууме составляет примерно 299,792,458 метров в секунду, что составляет основу лазерного дистанционного измерения.

4. Расчет времени: Дальномер фиксирует временной интервал от излучения до приема.

5. Расчет расстояния: Используя формулу "скорость равна расстоянию, деленному на время", расстояние между целью и дальномером можно рассчитать, используя зафиксированный временной интервал и скорость света.

II. Методы использования технологии лазерного дистанционного измерения

Хотя применение технологии лазерного дистанционного измерения относительно простое, внимание к деталям имеет решающее значение для обеспечения точных и надежных измерений.

1. Правильное использование лазерного дальномера: Во-первых, операторы должны тщательно прочитать руководство дальномера и ознакомиться с его функциями и операциями. Перед измерением убедитесь, что лазерный луч нацелен на цель и отрегулируйте фокус для точности.

2. Избежание ошибок измерения: Для обеспечения точности необходимо минимизировать помехи во время измерений. Например, убедитесь, что между дальномером и целью нет препятствий, и уменьшите помехи от атмосферной влажности, дыма или тумана.

3. Выбор подходящего режима измерения: Лазерные дальномеры часто предлагают различные режимы измерения, такие как однопунктное или непрерывное измерение. Выберите подходящий режим в зависимости от конкретных потребностей.

4. Оценка результатов измерения: После измерения внимательно оцените точность результатов. Проведение нескольких измерений и усреднение их может помочь уменьшить ошибки. Кроме того, сравнение результатов с другими методами измерения может подтвердить точность дальномера.

III. Применение технологии лазерного дистанционного измерения

Технология лазерного дистанционного измерения находит широкое применение в различных областях. Вот некоторые распространенные сценарии, где она используется:

1. Архитектурная съемка: В области архитектуры технология лазерного дистанционного измерения помогает в измерении и создании планов этажей и трехмерных карт зданий. Она также облегчает точные измерения размеров и планирование компоновки.

2. Геологическая разведка: В геологических исследованиях лазерные дальномеры используются для измерения высот рельефа и разностей высот земли, предоставляя ценную поддержку данных для геологической разведки и систем предупреждения о бедствиях.

3. Военные приложения: Технология лазерного дистанционного измерения имеет широкое применение в военной сфере, особенно в идентификации и измерении удаленных целей, таких как дальнобойная артиллерийская стрельба и навигация дронов.

4. Навигация роботов: Эта технология используется в навигации и сенсировании роботов. Измеряя расстояние между роботом и препятствиями, она помогает роботам избегать столкновений и планировать оптимальные пути.

5. Умные дома: Технология лазерного дистанционного измерения способствует сенсированию человека и обнаружению расстояний в умных домах, позволяя умным устройствам лучше реагировать на поведение и потребности человека.

В зависимости от различных методов измерения лазерное дистанционное измерение можно классифицировать на импульсное дистанционное измерение и фазовое дистанционное измерение. Первое предлагает более низкую точность измерения, подходящую для военных и инженерных исследований, где точность не является приоритетом. Второе обеспечивает более высокую точность и широко используется в геодезических и инженерных исследованиях.

Введение в лазерное импульсное дистанционное измерение

1. Принцип лазерного импульсного дистанционного измерения

Поскольку скорость света является постоянной и свет движется по прямой линии, измеряя время в пути лазерного луча в оба конца на расстоянии, которое необходимо измерить, можно рассчитать прямое расстояние между двумя точками. Принцип лазерного импульсного дистанционного измерения заключается в том, чтобы контролировать таймер, чтобы начать его с помощью излучения лазерного импульса и остановить его с помощью приема возвращенного лазерного импульса. Это измеряет время в пути лазерного луча в оба конца на расстоянии, которое необходимо измерить, завершая процесс дистанционного измерения.

2. Структура лазерного импульсного дальномера

Упрощенная структурная схема лазерного импульсного дальномера показана на рисунке 6-18. Его рабочий процесс примерно следующий: когда дальномер нацелен на цель, лазер излучает сильный и узкий световой импульс. Этот световой импульс проходит через передающий телескоп, чтобы сжать угол рассеяния. Беря лазер рубина в качестве примера, его угол рассеяния луча обычно составляет несколько миллирадиан, который сжимается до нескольких десятых миллирадиана через передающий телескоп. Такой световой импульс, когда он направляется на расстояние 10 км, образует только световое пятно диаметром всего несколько метров. Когда световой импульс излучается, его небольшая часть немедленно отражается двумя зеркалами в приемный телескоп. После прохождения через фильтр он достигает фотоэлектрического преобразователя, превращая световой импульс в электрический сигнал. Этот электрический импульс, после усиления и формирования, отправляется в систему измерения времени для начала отсчета. Световой импульс, направленный на цель, всегда будет иметь часть, отражающуюся обратно из-за диффузного отражения цели. Этот отраженный свет входит в приемный телескоп, проходит через фильтр, фотоэлектрический преобразователь, усилительный и формирующий контур и попадает в систему измерения времени, чтобы остановить отсчет. Время, зафиксированное системой измерения времени, рассчитывается и напрямую отображается на мониторе, показывая расстояние от дальномера до цели.

3. Требования к световым импульсам в лазерных импульсных дальномерах

Чтобы расширить диапазон измерения и улучшить точность измерения, дальномер имеет следующие требования к световым импульсам:

(1) Световой импульс должен иметь достаточную интенсивность.

Независимо от того, как улучшается направленность луча, он неизбежно будет иметь определенное рассеяние. В сочетании с поглощением и рассеиванием света в воздухе, чем дальше цель, тем слабее отраженный свет, или он может даже не быть получен. Чтобы измерить большие расстояния, источник света должен излучать свет с высокой плотностью мощности.

(2) Направленность светового импульса должна быть хорошей.

Это служит двум целям. С одной стороны, это может сосредоточить световую энергию в меньшем твердом угле, обеспечивая более длинное расстояние стрельбы, улучшая конфиденциальность. С другой стороны, это может точно определить местоположение цели.

(3) Монохромность светового импульса должна быть хорошей.

Независимо от того, день это или ночь, в воздухе всегда будут различные рассеянные света, которые часто намного сильнее, чем отраженный световой сигнал. Если эти рассеянные света и световой сигнал попадают в приемную систему одновременно, измерение становится невозможным. Фильтр на рисунке 6-18 позволяет проходить только монохромному свету от светового сигнала, блокируя другие частоты рассеянного света. Очевидно, чем лучше монохромность светового импульса, тем лучше фильтр.Эффект эха, эффективно улучшая отношение сигнал/шум приемной системы и обеспечивая точность измерений.

(4) Ширина светового импульса должна быть узкой.

Ширина светового импульса относится к временной интервалу между "возникновением" и "угасанием" вспышки. Узкая ширина светового импульса может избежать наложения между отраженным светом и излучаемым светом. Из-за высокой скорости света, если расстояние от дальномера до цели составляет 15 км, время в пути для светового импульса составляет всего одну десятитысячную секунды. Поэтому ширина светового импульса должна быть значительно меньше одной десятитысячной секунды для нормального измерения. Для более близких расстояний световой импульс должен быть еще уже.

В настоящее время лазеры, используемые в дальномерах, включают рубиновые лазеры, лазеры на неодимовом стекле, углекислые лазеры, полупроводниковые лазеры и т.д. Твердотельные лазеры обычно используются в качестве импульсных источников света в дальномерах на большие расстояния, в то время как полупроводниковые лазеры чаще используются в дальномерах на короткие расстояния.

4. Генерация гигантских лазерных импульсов

Мощность световых импульсов, используемых в дальномерении, очень высока, обычно с пиковой мощностью более одного мегаватта и шириной импульса менее десятков наносекунд. Такие световые импульсы часто называют "гигантскими импульсами". Обычные лазерные импульсы не являются гигантскими импульсами. У них более широкая ширина импульса (около 1 мс) и недостаточная мощность импульса, поэтому они не могут удовлетворить требованиям дальномерения. Применяя технику Q-переключения, описанную в разделе 4.6, лазер может быть настроен для удовлетворения требований дальномерения.

5. Отображение расстояния

Время в пути импульсов в импульсном дальномерении очень короткое, поэтому обычно используются высокочастотные колебательные кристаллы для записи количества колебаний для тайминга. [Примечание: Похоже, что в оригинальном тексте есть ошибка форматирования или отсутствующая информация после "A.10". Предполагая, что это ссылка на рисунок или диаграмму, ее можно игнорировать или заменить соответствующим описанием в переводе.] Принципиальная блок-схема такого оборудования показана на рисунке.

Когда излучаемый оптический импульс-референс попадает в приемник и преобразуется в электрический импульс, он вводится в "главные ворота" (главная цепь ворот) на рисунке 6-19, которые одновременно открывают главные ворота. В это время электрические импульсы, генерируемые кварцевым генератором, проходят через главные ворота и поступают в счетчик, который начинает считать. Одновременно цифровой дисплей непрерывно указывает количество электрических импульсов, зафиксированных счетчиком. Когда отраженный оптический импульсный сигнал попадает в приемник и преобразуется в электрический импульс, который вводится в главные ворота, главные ворота немедленно закрываются, и электрический импульсный сигнал, генерируемый кварцевым генератором, больше не может поступать в счетчик, что приводит к остановке счета. Число, отображаемое на мониторе, представляет собой количество электрических импульсов, сгенерированных генератором в течение времени от момента, когда оптический импульс был излучен, до его возвращения.

Точность дальномерии лазерных импульсных дальномеров в основном составляет "метры", что подходит для определенных проектов в военных и инженерных исследованиях, где высокая точность не требуется. Импульсные методы также используются для дальних пространственных измерений, поскольку для удаленных пространств ошибка измерения в пределах "метров" уже считается довольно высокой точностью.

Спасибо за чтение сегодняшнего материала, который на этом завершен.