Аннотация: Лазерное измерение расстояния включает три метода: импульсное измерение, фазовое лазерное измерение и импульсно-фазовое лазерное измерение. Структурные принципы простого лазерного дальномера охватывают уравнение измерения, лазерный отражатель и лазерный интерфейс. Оснащение автомобилей лазерными дальномерами не только повышает безопасность, но и предоставляет возможности для интеллектуальных приборов автомобиля.
Ключевые слова: лазерное измерение расстояния; лазерный дальномер; лазерная система измерения расстояния
- Введение
С быстрым развитием автомобильной промышленности и общественного транспорта в автомобилях устанавливаются современные научные инструменты, что уже находится на экспериментальной стадии в развитых странах. Независимо от того, разрабатываются ли системы предупреждения о столкновениях, автоматические системы контроля скорости или системы автономного управления автомобилем, необходимо получать информацию в реальном времени, включая расстояния до дорог и относительные скорости. В данной статье рассматривается использование лазера для измерения расстояния и структурные принципы простого лазерного дальномера.
- Принципы и механизмы
Лазерное измерение расстояния включает три метода: импульсное измерение, фазовое лазерное измерение и импульсно-фазовое лазерное измерение. Импульсное измерение — это техника, основанная на измерении времени распространения импульсного лазерного луча для определения расстояния. Если импульсный лазерный луч встречает объект на своем пути распространения, он отражается обратно. Измеряя время t от момента излучения до момента отражения, возвращающегося в точку излучения, можно рассчитать расстояние L до объекта по формуле: L = ct/2, где c — скорость света (c = 2.9991x108 метров/секунду). Методы прямого преобразования времени t в показания расстояния включают: (a) цифровой метод, который считает частоту биений 150 МГц (каждое показание соответствует 1 метру); (b) аналоговый метод, который преобразует время t в отображение электрической величины. Конечная точность измерения с использованием этих двух методов составляет примерно cτ/2 (где τ — ширина импульса лазера). Когда t равно 10 нс, погрешность составляет около 15 метров. Кроме того, у счетчика есть определенный уровень срабатывания, и амплитуда возвращаемого импульса не постоянна, что приводит к тому, что точка срабатывания счетчика попадает в разные позиции на фронте импульса, что также вводит ошибки времени измерения и влияет на точность измерения расстояния. Можно увидеть, что импульсное измерение имеет значительные ошибки и не подходит для измерений на короткие расстояния.
Фазовое лазерное измерение, также известное как точное измерение, требует установки углового отражателя (ретроотражателя) в точке измерения, что также не подходит для измерений расстояния между движущимися автомобилями.
Импульсно-фазовое измерение относится к технике, которая использует как импульсный лазер, так и высокочастотные колебательные сигналы, строго синхронизированные, для достижения точного измерения расстояния. Разрешение измеряемого расстояния определяется длиной волны высокочастотной колебательной волны и точностью измерения фазы.
Высокочастотный мастер-осциллятор генерирует высокочастотный колебательный сигнал с периодом T и длиной волны λ, который затем делится по частоте для синхронного управления излучением импульса.
Временной интервал между излучаемым импульсом и сигналом возвращаемого импульса составляет t, который также является временем, за которое лазерный импульс проходит расстояние L для измерения. В течение этого времени фаза высокочастотной колебательной волны также изменяется на величину ψ. Существует соответствие между расстоянием, временем и фазой. Значение включает две части: целое кратное 2π, соответствующее расстоянию kλ/2 (где λ — длина волны осциллятора); и дробь меньше π, соответствующая расстоянию ΔL (которая меньше λ), рассчитываемая как ΔL = λΔψ/(4π). Расстояние, соответствующее kπ , измеряется с использованием метода импульсного измерения, в то время как расстояние, соответствующее Δψ , измеряется с использованием фазового метода.
- Приборы и оборудование
Основная работа лазерного дальномера иллюстрируется на рисунке 1.
Рисунок 1. Основные принципы лазерных дальномеров
3.1 Уравнения измерения
Наиболее важной характеристикой лазерного дальномера является его способность измерять расстояние. Практическое уравнение измерения выглядит следующим образом:
где R — это способность дальномера к измерению расстояния, а K — коэффициент, учитывающий форму дальнего поля излучаемого лазера и все ошибки в отслеживании и прицеливании.
Эта система может измерять расстояния от 30 до 70 метров с точностью ±2 метра. При установке в автомобиле она отображает расстояние между автомобилем и предшествующим автомобилем, обеспечивая безопасность. В сочетании с автоматическими системами торможения и сигнализации она поддерживает минимальное безопасное расстояние в любое время. При применении на горных или других сложных дорогах, благодаря углу покрытия сигнала более 30 градусов, она может даже обнаруживать изогнутые препятствия перед автомобилем.
Эта система также может безопасно направлять автомобиль вокруг любых невидимых препятствий. В ночное время или в неблагоприятных погодных условиях, в паре с фарами, система может обнаруживать препятствия, невидимые человеческому глазу. Время задержки реакции для отображения информации или автоматического контроля скорости составляет 0,2 секунды. Этот короткий временной интервал достаточно для предотвращения столкновений.