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1、1,第6章 激光在精密测量中的应用（2）,6.3 激光测距 6.4 激光准直及多自由度测量,2,6.3 激光测距,激光测距的特点 激光测距仪的分类 脉冲测距法 相位测距法,3,激光测距的特点,激光测距仪与其它测距仪(如光电测距仪等)相比，具备的特点： 探测距离远 测距精度高 抗干扰性强 保密性好 体积小 重量轻,4,激光测距仪的分类,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： 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 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地震预报等 3、远程激光测距仪，它用于测量导
2、弹、人造卫星、月球等空间目标的距离 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,5,测距方法分类,脉冲测距法：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，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为米的量级 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,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,光脉冲应具有足够的强
3、度 光脉冲的方向性要好 光脉冲的单色性要好 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、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-调Q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“巨脉冲”。但是，一般的激光脉冲并不是巨脉冲，它的宽度较大 (约1ms左右) ，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“调Q技术”，就可使之满足测距要求 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
4、方框图,9,相位测距原理,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d上往返的相位变化，从而间接测量传播时间t，进而测量距离 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,10,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，光波每传播一个调制周期，相位就变化2，相应的传播距离为 =cT。所以距离d、光波往返相位差和光波调制波长之
5、间的关系为 应当注意到：此处的并不是光的波长，而是余弦型调制造成的光强变化对应的强度“光波”的“波长”，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“测尺”，被测距离可以用该测尺表示为,11,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 ，因此可以表示为 式中是不足2的相位移的尾数，N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，因而当距离d大于测尺长Ls时，就需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，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
6、围，用小的测尺提高测量精度,12,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Ls相对应的. 基本测尺长度Lsb(精测测尺，决定测量精度)和若干辅助测尺长度(粗测测尺，决定测量范围)。 例如：选用两把测尺 和 相应的测尺频率为 在测相精度为千分之一的情况下， 测距精度为 测距量程为,13,集中的间接测尺测距原理,假定用两个调制频率为s1和s2的光波分别测量同一距离d 由上两式可得 令： 则： 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s是 上式中的正是用s1和s2的差额s s1 s2的光波测量距离d时所得到的相位尾数之差。通常把频率s1和s2称为间接
7、测尺频率，而把差频频率s s1 s2称为相当测尺频率,14,集中的间接测尺举例,间接测尺频率 相当测尺频率 测尺长度 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一,15,相位差的测量,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的测量
8、。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。把高频信号转化为低频信号进行处理，这就是所谓的“差频测相” 差频测相的原理如右图所示,16,差频法测相位的数学模型,设主控振荡信号 该信号被光电接收放大后变为 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er（ 和 混频）和测距信号em （ 和 混频） ，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,17,6.4 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、平面度、
9、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、大型设备安装和定位等； 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,激光束横截面上的光强分布是“高斯分布”，光束的能量是大部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z0和远场发散角2,TEM00光束有效截面半径z0和远场发散角2的表达式为 波长为0.6328m 的He-Ne激光器输出的激光， 光束腰部的截面半径0 其光束有效截面半径按下图方式变化 当z0较大时,20,激光准直仪的结构框图,简
10、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。 准直仪的基本组成如图示为 1）He-Ne激光器；2）发射光学系统；3）光电目标靶；4）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,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L2和光阑A组成。该望远镜系统对普通光束的倾角压缩比为 如果21，22 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 M和M的关系为：,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,由于衍射效应，出射光束发散角还
11、与物镜L2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D的圆孔所造成的衍射角(即光束发散角的一半）， 如下图所示为 通常忽略物镜L2的衍射效应！,23,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,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。 解决光电池的对称问题，
12、通常采用在光电池电路中串接可调节的平衡电阻的方法。如下图所示，其中的两个光电池是上、下或左、右的一对光电池。调节平衡电阻，就可以补偿由于两块光电池的不对称所引起的不平衡问题,25,激光准直测量的应用举例,不直度的测量,图6-24 机床导轨不直度的激光准直测量原理示意图,26,激光衍射准直仪,利用激光的单色性，让激光束通过一定图案的波带片，产生便于对准的衍射图像，从而提高精度。这种利用衍射原理的激光准直仪叫激光衍射准直仪。 波带片是一块具有一定遮光图案的平玻璃片（图6-26）,图6-25 激光衍射准直仪的原理结构图,图6-26 波带片示意图,27,激光多自由度测量,任何一个物体在空间都具有六个自由度，即在x,y,z三个直角坐标轴方向的平动和绕x,y,z三个坐标轴的转动。 六自由度测量系统 日本Nihon大学和Sophia大学研究了一种用于同时测量机床工作台六自由度误差的光学测量系统。,图6-29 同时测量机床六自由度偏差的原理图,