《激光辐射及应用》课件_第9章.pptx

第9章机载激光装置原理;

9.1激光测距;

(2)相位测距法:通过测量单色连续激光的调制波在待测距离上往返传播所发生的相位变化间接测量时间,达到距离测量的目的。这种方法测量精度高,通常在毫米量级,因而在大地、工程和体育测量中得到了广泛应用。

(3)干涉测距法:也是一种相位法测距,它与上述相位测距法的区别在于,它不是通过测量激光调制信号的相位来测定距离,而是通过测量激光光波本身的干涉条纹变化来测定距离。由于光波波长很短,再加上激光的单色性使其波长值很准确,所以距离分辨率可达半个激光波长,通常在微米量级。;

9.1.2激光测距的基本原理

1.激光脉冲测距原理

脉冲激光雷达的测距与微波雷达测距在原理上是完全相同的:在测距点向被测目标发射一束短而强的激光脉冲,激光脉冲发射到目标上后其中一小部分激光反射到测距点被接收器所接收。假定光脉冲在发射点与目标间来回一次所经历的时间间隔为t,那么被测目标的距离R为

式中c为光速。;

当不考虑大气中光速的微小变化时,测距精度主要是由测时精度决定的:

对脉冲测距系统,时间间隔的起始时刻是由取出一小部分发射激光脉冲经光电探测器转换成电信号形成的,时间间隔的终止时刻则是由目标激光回波到达测距机经光电探测器转换成电信号形成的。这两个信号既可由同一探测器提供,也可由两个探测器提供。;

2.激光相位测距原理

激光相位测距时,连续激光光束被调幅成正弦波。假定调制频率为f,相应的角频率ω=2πf(rad/s)。若调制光束在发射点和目标间往返一次所产生的总相位变化为φ,则光的往返时间为

被测距离为;

若以π弧度(rad)作φ的度量单位,φ总可表示为n个π和不到π小数部分Δφ之和:

φ=nπ+Δφ(9－5)

于是;

由于现代光电子系统很容易做到0.3°的测相精度,故当调制频率为30MHz时,测距精度为;

9.2脉冲式激光测距系统;

接收装置是接收从被测目标反射回来的微弱脉冲信号,经接收光学系统聚焦或缩小光束截面后,照在光??探测器的光敏面上,使光信号变为电信号并经放大器放大,推动信息处理装置里的计数显示部分工作。至于信息处理装置,其主要作用是测量激光脉冲从测距仅到被测目标往返一次的时间t,并显示出准确的距离。

;;

整个测距系统的工作原理描述如下(如图9-2所示):首先由激光器发射一个激光脉冲,经发射光学分系统准直后射向自标。同时,用主波取样头取出主波的一小部分作为参考脉冲送入接收光学系统,经光电探测器转换为电脉冲后再经放大器放大后开启门电路。经过t时间后,被目标反射回来的回波脉冲被接收光学系统接收,经光电探测器光电转换,放大器放大后成电信号进入门电路,使门电路关闭。参考脉冲和回波脉冲之间的时间间隔的计算及换算后的距离显示,由时标振荡器、门电路和计数显示器(脉冲计数器和距离显示器)来完成。;

时标振荡器不断地产生具有一定时间间隔T0的电脉冲(称为时标脉冲)。当测距开始时,参考脉冲打开门电路,相当于对计数器“开了门”,此时时标脉冲就进入计数器开始进行计数。当回波脉冲到来时刻进入门电路后,就把门“关闭”,使时标脉冲停止进入计数器,这样从开门到关门,计数器中进入了N个脉冲。设参考脉冲和回波脉冲间的时间间隔(即激光往返时间)为t,则

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代入式(9-1),就可算出被测距离为

实际上,设计脉冲式激光测距系统信息处理装置是这样选择时标振荡器周期T0的,就是使cT0/2恰好等于一个整数,例如为1m、5m或10m,这样,显示器上的数字就可直接用距离单位(m)来表示。激光测距计数原理示意图如图9-2所示。;;

9.2.2激光发射部分

激光发射装置包括激光器、激光电源和发射光学系统三个部分。

1.激光器

激光器是脉冲测距系统的光源,从脉冲测距原理可知,我们所测的是单个脉冲往返测距系统与被测目标之间的时间间隔t,从而算出R。因此,必须使用单脉冲调Q激光器。从测量距离和测距精度考虑,各种类型激光测距系统对激光器的要求也不同,但对发射机基本特性的要求有共同之处。;

1)激光振荡频率(或发射激光波长)

激光振荡频率是激光系统的基本参数。发射的激光在实战应用下,要求大气传输性能良好,传输损耗小。目前已被采用的激光发射波长主要是0.904μm、1.06μm、3.8μm、10.6μm等。

2)激光频率稳定度

激光频率稳定度是激光相干测距要求的重要参数。一般要求频率稳定度为10-9-~10-11,对脉冲测距此项可不提要求。;

3)发射功率及稳定度

激光发射功率及稳定度是决定激光测距仪作用