激光在精密测量中的应用课件

1、1第第6章章 激光在精密测量中的激光在精密测量中的应用（应用（2）6.3 激光测距激光测距6.4 激光准直及多自由度测量激光准直及多自由度测量26.3 6.3 激光测距激光测距 激光测距的特点激光测距的特点 激光测距仪的分类激光测距仪的分类 脉冲测距法脉冲测距法 相位测距法相位测距法3激光测距的特点激光测距的特点 激光测距仪与其它测距仪激光测距仪与其它测距仪( (如光电测距仪等如光电测距仪等) )相比，具相比，具备的特点：备的特点： 探测距离远探测距离远 测距精度高测距精度高 抗干扰性强抗干扰性强 保密性好保密性好 体积小体积小 重量轻重量轻4激光测距仪的分类激光测距仪的分类激光测距仪的分类：

2、激光测距不同于激光测长，它的测量距离要大激光测距仪的分类：激光测距不同于激光测长，它的测量距离要大得多，按照测量距离可分为下述三类：得多，按照测量距离可分为下述三类：1 1、短程激光测距仪，它的测程仅在五公里以内，适用于各种工程测量、短程激光测距仪，它的测程仅在五公里以内，适用于各种工程测量2 2、中长程激光测距仪，测程为五至几十公里，适用于大地控制测量和、中长程激光测距仪，测程为五至几十公里，适用于大地控制测量和地震预报等地震预报等3 3、远程激光测距仪，它用于测量导弹、人造卫星、月球等空间目标的、远程激光测距仪，它用于测量导弹、人造卫星、月球等空间目标的距离距离激光测距是通过测量激光光束在

3、待测距离上往返传播的时间来换算激光测距是通过测量激光光束在待测距离上往返传播的时间来换算出距离的，其换算公式为出距离的，其换算公式为2ctd 5测距方法分类测距方法分类脉冲测距法：脉冲测距法：测距仪发出光脉冲，经被测目标反射后，光脉冲测距仪发出光脉冲，经被测目标反射后，光脉冲回到测距仪接收系统，测量其发射和接收光脉冲的时间间隔，回到测距仪接收系统，测量其发射和接收光脉冲的时间间隔，即光脉冲在待测距离上的往返传播时间即光脉冲在待测距离上的往返传播时间t。脉冲法测距精度大多。脉冲法测距精度大多为米的量级为米的量级相位测距法：相位测距法：它是通过测量连续调制的光波在待测距离上往返它是通过测量连续调制

4、的光波在待测距离上往返传播所发生的相位变化，间接测量时间传播所发生的相位变化，间接测量时间t。这种方法测量精度较。这种方法测量精度较高，因而在大地和工程测量中得到了广泛的应用高，因而在大地和工程测量中得到了广泛的应用6脉冲测距脉冲测距激光脉冲测距仪的简化结构如下图所示激光脉冲测距仪的简化结构如下图所示图6-18 激光脉冲测距仪的简化结构7测距仪对光脉冲的要求测距仪对光脉冲的要求 光脉冲应具有足够的强度光脉冲应具有足够的强度 光脉冲的方向性要好光脉冲的方向性要好 光脉冲的单色性要好光脉冲的单色性要好 光脉冲的宽度要窄光脉冲的宽度要窄 用于激光测距的激光器：红宝石激光器、钕玻璃激光器、用于激光测距

5、的激光器：红宝石激光器、钕玻璃激光器、二氧化碳激光器、半导体激光器二氧化碳激光器、半导体激光器8激光巨脉冲的产生和计时激光巨脉冲的产生和计时激光巨脉冲的产生激光巨脉冲的产生-调调Q Q技术技术 测距时用的光脉冲功率是很大的，一般其峰值功率均在一兆瓦以测距时用的光脉冲功率是很大的，一般其峰值功率均在一兆瓦以上，脉冲宽度在几十毫微秒以下。这样的光脉冲通常叫做上，脉冲宽度在几十毫微秒以下。这样的光脉冲通常叫做“巨脉巨脉冲冲”。但是，一般的激光脉冲并不是巨脉冲，它的宽度较大。但是，一般的激光脉冲并不是巨脉冲，它的宽度较大 ( (约约1ms1ms左右左右) ) ，同时脉冲功率也不够大，所以不能满足测距需

6、求。，同时脉冲功率也不够大，所以不能满足测距需求。对激光器采用对激光器采用“调调Q Q技术技术”，就可使之满足测距要求，就可使之满足测距要求计时：计时：在脉冲测距中由于脉冲在测程上往返时间极短，所以通常在脉冲测距中由于脉冲在测程上往返时间极短，所以通常是用记录高频振荡的晶体的振动次数来进行计时是用记录高频振荡的晶体的振动次数来进行计时图6-19 脉冲计数原理方框图9相位测距原理相位测距原理相位测距相位测距: :是对发射的激光强度进行连续的调制，测定它在待测距离是对发射的激光强度进行连续的调制，测定它在待测距离d d上往返的相位变化，从而间接测量传播时间上往返的相位变化，从而间接测量传播时间t

7、t，进而测量距离，进而测量距离与脉冲测距的区别：与脉冲测距的区别： 调制方式不同，脉冲测距调制激光器产生巨脉冲，相位测距调制激光调制方式不同，脉冲测距调制激光器产生巨脉冲，相位测距调制激光器产生强度成余弦变化的连续波器产生强度成余弦变化的连续波 信号处理方式不同，脉冲测距用开关电路高频脉冲计数，测量内外光信号处理方式不同，脉冲测距用开关电路高频脉冲计数，测量内外光路产生的两个脉冲之间相距的时间，相位测距比较主振信号与返回信路产生的两个脉冲之间相距的时间，相位测距比较主振信号与返回信号之间相位差，来计算光线从测距仪到被测点传播往返的时间号之间相位差，来计算光线从测距仪到被测点传播往返的时间10相

8、位测距的测尺相位测距的测尺相位测距是对发射的激光强度进行余弦型调制，相位测距是对发射的激光强度进行余弦型调制，光波每传播一个光波每传播一个调制周期，相位就变化调制周期，相位就变化2 ，相应的传播距离为，相应的传播距离为 =cT。所以距离。所以距离d、光波往返相位差光波往返相位差 和光波调制波长和光波调制波长 之间的关系为之间的关系为应当注意到：此处的应当注意到：此处的 并不是光的波长，而是并不是光的波长，而是余弦型调制造成的余弦型调制造成的光强变化对应的强度光强变化对应的强度“光波光波”的的“波长波长”，该调制波长实际上是，该调制波长实际上是被测距离的度量单位，因此把该波长的一半称作被测距离的

9、度量单位，因此把该波长的一半称作“测尺测尺”，被测，被测距离可以用该测尺表示为距离可以用该测尺表示为22d222sLdsL11相位测量和多测尺测距相位测量和多测尺测距当被测距离大于一个波长时，相位超过当被测距离大于一个波长时，相位超过 ，因此可以表示为，因此可以表示为式中式中是是不足不足2 2 的相位移的尾数，的相位移的尾数，N N为相位移的整数部分。为相位移的整数部分。任何测量交变信号相位移的比相方法都不能确定出相位移的整周期数，任何测量交变信号相位移的比相方法都不能确定出相位移的整周期数，因而当距离因而当距离d d大于测尺长大于测尺长L Ls s时，就需要更长的测尺来测定距离，但是时，就需

10、要更长的测尺来测定距离，但是长的测尺在相位差的测量精度一定的条件下距离的分辨率也会减小，长的测尺在相位差的测量精度一定的条件下距离的分辨率也会减小，因此既要保证测量精度又要扩大测量的范围就需要设置多个测尺，用因此既要保证测量精度又要扩大测量的范围就需要设置多个测尺，用大的测尺提高测量的范围，用小的测尺提高测量精度大的测尺提高测量的范围，用小的测尺提高测量精度2)2(NLds12分散的直接测尺测距举例分散的直接测尺测距举例分散的直接测尺测距方法选定的测尺频率是直接与测尺长度分散的直接测尺测距方法选定的测尺频率是直接与测尺长度L Ls s相对应的相对应的. .基本测尺长度基本测尺长度L Lsbsb

11、( (精测测尺，决定测量精度精测测尺，决定测量精度) )和若干辅助测尺长度和若干辅助测尺长度( (粗测粗测测尺，决定测量范围测尺，决定测量范围) )。 例如：选用两把测尺例如：选用两把测尺 和和 相应的测尺频率为相应的测尺频率为在测相精度为千分之一的情况下，在测相精度为千分之一的情况下， 测距精度为测距精度为 测距量程为测距量程为mLsl1000mLsb10MHzLcsbsb152kHzLcslsl1502cmLsb110001mLsl100013集中的间接测尺测距原理集中的间接测尺测距原理假定用两个调制频率为假定用两个调制频率为 s1和和 s2的光波分别测量同一距离的光波分别测量同一距离d由

12、上两式可得由上两式可得令：令：则：则：上式中上式中Ls可以认定为一个新的测尺长度，其相应的测尺频率可以认定为一个新的测尺长度，其相应的测尺频率 s是是上式中的上式中的正是用正是用 s1和和 s2的差额的差额 s s1 s2的光波测量距离的光波测量距离d时所得时所得到的相位尾数之差。通常把频率到的相位尾数之差。通常把频率 s1和和 s2称为间接测尺频率，而把差频频称为间接测尺频率，而把差频频率率 s s1 s2称为相当测尺频率称为相当测尺频率）（2111NLds）（2222NLds)22()(21211221NNLLLLdssss21211221和和NNNLLLLLsssss)2(NLds212

13、12112)11(222sssssssssssLLcLLLLcLc14集中的间接测尺举例集中的间接测尺举例 间接测尺频率间接测尺频率 相当测尺频率相当测尺频率 测尺长度测尺长度 精度精度 s 15MHz 15MHz 10m 1cm 1 0.9 s 1.5MHz 100m 10cm 2 0.99 s 150KHz 1Km 1m 3 0.999 s 15KHz 10Km 10m 4 0.9999 s 1.5KHz 100Km 100m集中的间接测尺的测尺频率都集中在较为窄小的频率范围内，可以使集中的间接测尺的测尺频率都集中在较为窄小的频率范围内，可以使放大器和调制器有相近的增益和相位稳定性，而且各

14、频率对应的振荡放大器和调制器有相近的增益和相位稳定性，而且各频率对应的振荡石英晶体也可以统一石英晶体也可以统一15相位差的测量相位差的测量信号频率越低，其相位变化信号频率越低，其相位变化2 需要的时间就越长，这样也就越便于相位需要的时间就越长，这样也就越便于相位的测量。所以中、低频的相位测量精度总是远远高于高频信号的测相精的测量。所以中、低频的相位测量精度总是远远高于高频信号的测相精度。因而高频信号相位差的测量大都采用差额的方法。把高频信号转化度。因而高频信号相位差的测量大都采用差额的方法。把高频信号转化为低频信号进行处理，这就是所谓的为低频信号进行处理，这就是所谓的“差频测相差频测相”差频测

15、相的原理如右图所示差频测相的原理如右图所示16差频法测相位的数学模型差频法测相位的数学模型设主控振荡信号设主控振荡信号该信号被光电接收放大后变为该信号被光电接收放大后变为设本地振荡信号设本地振荡信号在混频器的输出端分别得到差频参考信号在混频器的输出端分别得到差频参考信号er（ 和和 混频）和测距混频）和测距信号信号em （ 和和 混频）混频） ，它们的表达示为，它们的表达示为两者通过相位计检测得到相位差，从而可以计算出被测距离两者通过相位计检测得到相位差，从而可以计算出被测距离)2cos(0tAed)2cos(0mdmStBe)2cos(tCell)()(2cos0tDeldr)()(2cos

16、0mldmtEedelelemse176.4 6.4 激光准直及多自由度测量激光准直及多自由度测量 激光具有极好的方向性，经过准直的连续输出的激光束可激光具有极好的方向性，经过准直的连续输出的激光束可以认为是一条直线；以认为是一条直线； 可以利用激光光束作为空间基准线，来测量平直度、平面可以利用激光光束作为空间基准线，来测量平直度、平面度、平行度、垂直度，也可以作为三维测量的基准；度、平行度、垂直度，也可以作为三维测量的基准； 可以广泛用于开凿隧道、铺设管道、建筑造桥、修路开矿、可以广泛用于开凿隧道、铺设管道、建筑造桥、修路开矿、大型设备安装和定位等；大型设备安装和定位等； 激光的单色性还可以

17、用于制作衍射准直仪提高对准精度。激光的单色性还可以用于制作衍射准直仪提高对准精度。18激光准直仪的原理激光准直仪的原理激光束横截面上的光强分布是激光束横截面上的光强分布是“高斯分布高斯分布”，光束的能量是大部，光束的能量是大部分集中在有效半径为分集中在有效半径为z0的截面内。由于中心光强最大，所以光束的截面内。由于中心光强最大，所以光束分布中心连线可以构成一条理想的准直基准线分布中心连线可以构成一条理想的准直基准线19有效截面半径有效截面半径 z0和远场发散角和远场发散角2 TEM00光束有效截面半径光束有效截面半径z0和远场发散角和远场发散角2 的表达式为的表达式为波长为波长为0.6328

18、m 的的He-Ne激光器输出的激光，激光器输出的激光， 光束腰部的截面光束腰部的截面半径半径0 其光束有效截面半径按下图方式变化其光束有效截面半径按下图方式变化当当z0较大时较大时22000)(10zz0220022000zzz）（20激光准直仪的结构框图激光准直仪的结构框图简单的激光准直仪可以直接用目测来对准，为了便于控制和提高对准简单的激光准直仪可以直接用目测来对准，为了便于控制和提高对准精度，一般的激光准直仪都采用光电探测器来对准。精度，一般的激光准直仪都采用光电探测器来对准。准直仪的基本组成如图示为准直仪的基本组成如图示为1）He-Ne激光器；激光器；2）发射光学系统；）发射光学系统；

19、3）光电目标靶；）光电目标靶；4）指示及控制系统）指示及控制系统图6-21 激光准直仪的基本组成方框图21发射光学系统发射光学系统激光准直仪发射光学系统的结构如下图所示，由目镜激光准直仪发射光学系统的结构如下图所示，由目镜L1、物镜、物镜L2和光和光阑阑A组成。该望远镜系统对普通光束的倾角压缩比为组成。该望远镜系统对普通光束的倾角压缩比为如果如果2 1，2 2 分别为高斯光束入射和出射该望远系统的光束发散角的分别为高斯光束入射和出射该望远系统的光束发散角的话，则该望远系统对高斯光束的发散角压缩比为话，则该望远系统对高斯光束的发散角压缩比为M和和M的关系为：的关系为：12ffM 2122M0MM

20、图6-22 激光准直仪光学系统结构示意图22衍射效应的影响衍射效应的影响由于衍射效应，出射光束发散角还与物镜由于衍射效应，出射光束发散角还与物镜L2的孔径大小有关。根据圆的孔径大小有关。根据圆孔的夫琅和费衍射理论可知，一个直径为孔的夫琅和费衍射理论可知，一个直径为D的圆孔所造成的衍射角的圆孔所造成的衍射角(即即光束发散角的一半），光束发散角的一半）， 如下图所示为如下图所示为通常忽略物镜通常忽略物镜L2的衍射效应！的衍射效应！D22. 1023光电目标靶光电目标靶激光准直仪的光电目标靶，通常用的是四象限光探测器。如下图激光准直仪的光电目标靶，通常用的是四象限光探测器。如下图所示，它是由上、下、

21、左、右对称装置的四块硅光电池组成。所示，它是由上、下、左、右对称装置的四块硅光电池组成。图6-23 四象限光电探测器原理图24解决光电池对称问题的平衡电阻方法解决光电池对称问题的平衡电阻方法在四象限光电探测器中，要求每片光电池的灵敏度必须严格一致，它们在四象限光电探测器中，要求每片光电池的灵敏度必须严格一致，它们之间的相对位置亦应准确，这在实际上是很难做到的，因为两片光电他之间的相对位置亦应准确，这在实际上是很难做到的，因为两片光电他的转换效率往往相差很远，即使是将同一块光电池刻划分成四块，每块的转换效率往往相差很远，即使是将同一块光电池刻划分成四块，每块的转换效率也仍然不一样。的转换效率也仍然不一样。解决光电池的对称问题，通常采用在光电