Ein Artikel zeigt Ihnen über den Laserbereich
2023-02-13
Laut Maims Consulting, kurz nach dem ersten Ruby -Laser der Welt im Jahr 1960, wurde die Laser -Technologie mit Präzision als Hauptziel geboren. Laser-Ranging * * wird seit langer Zeit im Militär verwendet und hat dann mit seiner starken Anti-Interferenz-Fähigkeit und hohen Genauigkeit eine große Rolle in vielen Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, Aufbau von Vermessungen und Kartierung, Windkraftindustrie, intelligentem Transport, industrieller Fertigung und so weiter gespielt.
Mit der raschen Entwicklung der industriellen Automatisierung und des Macherhaltens hat sich die Laser-Rangliste bei vielen Anwendungen wie Erkennung, Messung und Kontrolle als sehr wichtige Nichtkontakt-Erkennungsmethode erwiesen. Gleichzeitig erhält der Laser, der als Voraussetzung von High-End-Technologien wie Lasergeschwindigkeitsmessung, Laserverfolgung, dreidimensionaler Laserbildgebung und Laserradar (Lidar), immer mehr Aufmerksamkeit erhält. Mime Consulting konzentriert sich auf die Einführung und Diskussion mehrerer aktueller Mainstream -Laser -Sendungsmethoden.
1. Klassifizierung der Laser -Rangierungsmethode
Gemäß dem Grundprinzip können die Laser-Rangierungsmethoden in zwei Kategorien unterteilt werden: Zeit des Flugzeit (TOF) und Raumgeometriemethode, wie in Abbildung 1 dargestellt. Unter diesen Flugzeit-Flugzeit-Methode umfasst die direkte TOF-Methode (Impulstyp) und indirekte TOF-Methode (Phase-Typ). Die räumlichen geometrischen Methoden umfassen hauptsächlich Triangulation und Interferometrie.
Impulslaserbereich ist eine Rangendrangmethode, die die Lasertechnologie * * * seit langem im Bereich der Vermessung und Kartierung verwendet hat. Es erhält die Informationen über die Zielabstand, indem das Zeitintervall zwischen dem emittierten Licht und dem empfangenen Lichtimpuls direkt gemessen wird, wie in Abbildung 2 gezeigt. Der gemessene Abstand kann ausgedrückt werden als:
Wenn D der gemessene Abstand ist, ist C die Lichtgeschwindigkeit in der Luft, und ∆ T ist die Hin- und Rückfahrzeit des Laserstrahls von der Emission bis zur Rezeption.
Der Impulslaser hat einen kleinen Emissionswinkel, eine relativ konzentrierte Energie im Weltraum und eine hohe momentane Leistung. Diese Eigenschaften können verwendet werden, um verschiedene mittelgroße Entfernungslaser-Entfernungsfinder, Laserradare usw. zu erzeugen. Die Pulslaser-Rangierungsmethode zählt jedoch die Zeit zwischen dem Empfang und dem Empfangen von Impulsen durch einen Hochfrequenz-Takt-Antriebszähler, wodurch der Zyklus des Zählertakts viel schüssiger sein muss.
Gegenwärtig wird das pulsierte Laserbereich häufig bei Langstrecken- und niedrigen Genauigkeitserhebungen wie topografischen und geomorphologischen Umfragen, geologischen Untersuchungen, Konstruktionsumfragen, Flugzeughöhenumfragen, Satellitenkorrelationsableitungen, Abstandsmessung zwischen kelestialen Körpern usw. usw. usw. usw., usw., usw., usw., usw., usw., usw., usw., usw., verwendet.
3. Phase -Laser -Ranging - Indirekte TOF -Methode
Die Phasenlaser -Rangierung verwendet die Frequenz des Funkbandes, um die Amplitude des Laserstrahls zu modulieren und die Phasenverzögerung zu messen, die durch das Modulationslicht für eine Hinterntour erzeugt wird, und dann den Abstand umwandeln, der durch die Phasenverzögerung gemäß der Wellenlänge des Modulationslichts dargestellt wird. Diese Methode misst indirekt die Zeit durch Messung der Phasendifferenz und wird daher auch als indirekte TOF -Methode bezeichnet.
Wie in Abbildung 4 gezeigt, ist die modulierte Frequenz f, die modulierte Wellenform λ = c/ f, die Lichtgeschwindigkeit und die gemessene Phasenverschiebung des modulierten Lichtwellensignals ∆ φ ，, dann die Rundwegzeit des Lasers zwischen dem Messpunkt und dem Ziel kann ∆ t = ∆ φ/ 2 i & ieben berechnet werden, sodass die gemessene Entfernung d ist.
Wenn der Zielabstand D zunimmt, kann der Wert der Phasenverzögerung jedoch größer als eine Periode der sinusoidalen modulierten Lichtwelle sein, nämlich ∆ φ = 2 π (n+∆ n), n und ∆ n sind integrale und fraktionale Teile des Zyklus, sodass der gemessene Abstand D:
Wobei l = c/ 2f = λ/ 2 die Länge des messenden Herrschers genannt wird, und die Länge der Phase -Ranging kann als λ/ der Abstand D mit einem Herrscher von 2 gemessen werden. Der Abstand kann erhalten werden, indem N und ∆ N ermittelt werden können. Der fraktionale Teil ∆ n kann gemessen werden, aber N ist kein fester Wert, der das Problem der Mehrfach Solutionen verursacht. Um dieses Problem zu lösen, muss der gleiche Abstand mit modulierten Lichtwellensignalen mehrerer Frequenzen gemessen werden, was auch als Lineal -Frequenz in der Phase -Rangliste bezeichnet wird. Wenn der gemessene Abstand geringer ist als die Länge des Herrschers, n = 0, ist der Lösungswert * * *. Wenn die Genauigkeit der Phasenmessung festgelegt ist, desto niedriger ist die Häufigkeit des Messherrschers, desto größer ist der Rangleitungsfehler, der in hoher Präzision nicht zulässig ist. Im Gegenteil, je höher die Häufigkeit des ausgewählten Herrschers, desto höher ist die Messgenauigkeit, aber der N -Wert zu diesem Zeitpunkt ist größer als 1 und es gibt ein Problem mehrerer Lösungen. Um diesen Widerspruch zu lösen, wählen Sie in praktischen Anwendungen normalerweise einen Herrscher aus, der die Ranggenauigkeit des Instruments und mehrere Hilfslurmeler bestimmt, die den Bereich bestimmen, die als feinmessender Herrscher bzw. rauem Messherrscher bezeichnet werden, und kombinieren Sie die beiden, um eine hohe Präzisionsmessung zu erhalten.
Die Messgenauigkeit des Phasenlaserbereichs kann (Sub-) Millimeterspiegel erreichen, und der Messbereich liegt von Dezimeter bis Kilometer, sodass er in kurzer und mittlerer Reichweite weit verbreitet ist.
4. Multi-Wellenlängen-Interferenzlaser-Ranging
Die interferometrische Rangliste ist eine der klassischen Präzisionsbereichsmethoden. Gemäß dem Interferenzprinzip des Lichts überlappen sich zwei Lichtreihen mit fester Phasendifferenz und mit der gleichen Frequenz die gleiche Schwingungsrichtung oder einen kleinen Winkel zwischen den Schwingungsrichtungen gegenseitig, was ein Interferenzphänomen erzeugt.
Wie in 6 gezeigt, wird das schematische Diagramm des häufig verwendeten Michelson -Interferometers dargestellt. Der vom Laser emittierte Laser ist in reflektiertes Licht S1 unterteilt und durch das Spektroskop über das Licht S2 übertragen. Die beiden Strahlen werden durch den festen Spiegel M1 bzw. dem beweglichen Spiegel M2 reflektiert, und die beiden konvergieren am Spektroskop zu einem kohärenten Strahl. Dann ist die kombinierte Strahlintensität ich:
Wenn Abstand d = m λ (m ist eine Ganzzahl), bildet die kombinierte Strahlamplitude * *, Lichtintensität * *, die helle Streifen bildet; Wenn d = (2 m+1) λ/ bei 2 Uhr, die Phasen der beiden Lichtstrahlen entgegengesetzt sind, stecken die Amplituden der beiden Strahlen gegenseitig und die Lichtintensität ist * * * klein und bildet dunkle Streifen. Nach diesem Prinzip besteht die interferometrische Laser -Rangierung darin, die Hell- und dunklen Störungen aus photoelektrischen Detektoren in elektrische Signale umzuwandeln, die von photoelektrischen Zählern gezählt werden, um die Messung von Entfernung und Verschiebung zu realisieren.
Aufgrund der Wellenlänge des Lasers λ kann die Auflösung des interferometrischen Laserbereichs NM erreichen und die Genauigkeit ist sehr hoch. Die oben erwähnte traditionelle interferometrische Laser -Technologie misst jedoch nur die relative Verschiebung und kann die Entfernungsinformationen des Ziels nicht erhalten. Gleichzeitig muss sich das Ziel entlang einer festen Führungsschiene bewegen, um die Genauigkeit der kontinuierlichen Messung zu gewährleisten, und der optische Pfad kann nicht unterbrochen werden. Nach dem Interferenzprinzip kann die Messentechnologie nur den Phasenwert im Bereich von 0 bis 2 π erhalten und unter Berücksichtigung des Laser-Hin- und Rückwegs entspricht sie nur der Messung von λ/ Wenn der Abstand im Bereich von 2, der in einem größeren Bereich gemessen wird, ist ungewiss, da der 2 π-Multiple der Phase nicht ermittelt werden kann. Dieser λ/ 2 Der Bereich wird normalerweise als eindeutiger Bereich der Laser -Abstandsmessung bezeichnet. Wie folgt:
Wenn D der gemessene Abstand ist, ist M und ε die Ganzzahl- und Dezimalreihenfolge der Interferenzrande, die in den gemessenen Abstand enthalten ist. Die Dezimalreihenfolge kann durch Messung erhalten werden, während M ein unbestimmter Wert ist.
Um diesen Widerspruch zu lösen, wird die Methode der Interferenz mit mehreren Wellenlängen normalerweise angewendet, um die Anforderungen der hohen Auflösung und Ausdehnung des Nicht-Markiuitätsbereichs zu erfüllen. Das grundlegende Prinzip der Mehrwellenlängeninterferometrie besteht darin, die Dezimal-Multiple-Methode zu verwenden und das Konzept der synthetischen Wellenlänge darauf zu entwickeln.
Multi-Wellenlängen Interferometric Ranging (MWI) begann mit dem Doppelwellenlängen-Interferenzexperiment, das von amerikanischen Wissenschaftlern Wyant und Polhemus in den frühen 1970er Jahren durchgeführt wurde. Diese Methode verwendet zwei Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen λ 1 、 λ 2 führt gleichzeitig die Interferenzmessung für den unbekannten Abstand durch und bringt sie in den gemessenen Abstand D der obigen Formel:
Um die beiden Gleichungen zu lösen, gibt es:
Wo ist die synthetische äquivalente Wellenlänge, MS bzw. ε S sind jeweils λs Interferenzrandgraße und Dezimalreihenfolge.
Wenn die zusammengesetzte Wellenlänge als die Fernwellenlänge angesehen wird, ist die Phaseninformation, die dem unbekannten Abstand entspricht, die Differenz zwischen den Rangphasen der ursprünglichen zwei Wellenlängen, sodass der unbekannte Abstand gelöst werden kann. Der Nicht-Mulluitäts-Bereich der Entfernungsmessung wird auf die Hälfte der synthetischen Wellenlänge erweitert. Aus der Formel muss die synthetische Wellenlänge größer als λ 1 und λ 2。 sein
Auf die gleiche Weise kann die Methode mit der Idee mehrerer Herrscher weiterentwickelt werden, um den Messbereich und die Genauigkeit zu berücksichtigen. Der mehrwellige Laser kann verwendet werden, um den Abstand gleichzeitig zu messen, um mehrstufige Verbundwellenlängen verschiedener Skalen zu erzeugen. Die lange synthetische Wellenlänge von * * * wird verwendet, um den Messbereich von * * * zu erreichen, und das erhaltene Abstandsmessergebnis wird als Abstandsreferenzwert der kürzeren synthetischen Wellenlänge verwendet, um das Ergebnis der Entfernung der Messung dieses Bereichs dieser Synthetikwellenlänge zu lösen, um die Range mit großem Bereich und hohen Präzision mit der kleinen Synthesewellenlänge zu realisieren.
Diese Methode erfordert jedoch mehrere Laserwellenlängen, was bedeutet, dass mehrere Laserquellen erforderlich sind. In Anbetracht der Tatsache, dass jede Laserquelle eine eigene Laserfrequenzstabilisierungsvorrichtung benötigt und mehrere Laser eine hochpräzisen optische Strahlkombination benötigen, ist die Struktur des gesamten Laser-Abstandsmesssystems relativ komplex, und die Zuverlässigkeit und Genauigkeit des Systems wird in gewissem Maße unweigerlich beeinträchtigt.
5. fm CW -Laser reicht
Frequenzmodulierte Continuous Wave (FMCW) Laser -Ranging ist eine weitere interferometrische Methode, die * * * Messung realisieren kann. Es kombiniert die Vorteile der optischen Interferometrie und der Funkradar -Technologie. Das Grundprinzip der FMCW -Messung besteht darin, die Interferometrie durch Modulation der Häufigkeit des Laserstrahls zu realisieren. Im Allgemeinen wird der Laser, dessen Häufigkeit des Ausgangslaserstrahls mit der Zeit ändert, als Lichtquelle und das Michelson -Interferometer als grundlegende interferometrische optische Pfad verwendet. Die Frequenzdifferenzinformationen werden gemäß dem unterschiedlichen optischen Pfad des Referenzlichts und des Messlichts erzeugt. Die Entfernungsinformationen der beiden Strahlen können nach dem Extrahieren des Signals und der Verarbeitung erhalten werden, und die Messung der * * * * * kann realisiert werden.
Nehmen Sie als Beispiel die Sägezahnmodulation ein. Es ist ein Sinussignal, dessen Frequenz sich linear mit der Zeit in einer Sägezahnform ändert. Die sofortige Frequenz des gemessenen Lichts und das Referenzlicht ändert sich mit der Zeit, wie in Abbildung 7 dargestellt.
Setzen Sie die Frequenz des Referenzlichts als FT, die Frequenz des Messlichts als FR, die Modulationsbandbreite als ∆ f, die Modulationsperiode als t und die Entfernung als D -Messlicht auf. Das Messlicht hat eine Zeitverzögerung, die sich aufgrund unterschiedlicher Übertragungspfade als τ τ ， ， ， ， ， ， ， ， ， ändert ändert.
Dann ist das erzeugte Beat -Signal fünf:
Also der gemessene Abstand:
Die frequenzmodulierte kontinuierliche Wellenlaser -Ranglaser nimmt Laser als Träger an, und alle Umgebungsstörungen beeinflussen nur die Lichtintensität des gemessenen Signals, jedoch nicht die Frequenzinformationen. Daher kann es eine hohe Ranggenauigkeit und eine starke Fähigkeit erhalten, Umweltlichtmischung zu widerstehen, und die Genauigkeit kann den Mikrometerniveau erreichen. Derzeit ist es ein Research-Hotspot in großen und hohen Präzisionsmessanwendungen. Diese Messmethode erfordert jedoch eine hohe Stabilität und Linearität der Laserstrahlfrequenz, wodurch die Realisierung des Systems komplexer wird, und der Messbereich wird durch den Zeitraum T.
6. Triangulärer Laser reicht
Triangulärer Laserbereich bedeutet, dass die Lichtquelle, die gemessene Objektoberfläche und das Lichtempfangssystem zusammen einen dreieckigen optischen Pfad bilden. Das von der Laserquelle emittierte Licht wird durch die Kollimierungslinse und dann auf die gemessene Objektoberfläche fokussiert. Das Lichtempfangssystem empfängt das verstreute Licht vom einfallenden Punkt aus und bildet es auf der empfindlichen Oberfläche des photoelektrischen Detektors. Es handelt sich um eine Messmethode, um den beweglichen Abstand der gemessenen Objektoberfläche durch die Verschiebung des Lichtpunkts auf der Bildgebungsoberfläche zu messen.
Gemäß der Winkelbeziehung zwischen dem einfallenden Laserstrahl und der normalen Linie der gemessenen Objektoberfläche gibt es im Allgemeinen zwei Rangierungsmethoden: schräg und direkt, wie in Abbildung 8 gezeigt. Im Allgemeinen ist die direkte Laser -Triangulationsmethode in geometrischer Algorithmus einfacher, als die oblique Laser -Triangulationsmethode relativ gering ist. In der Industrie wird häufig die direkte Laser -Rangierungsmethode angewendet.
Compared with phase laser ranging and frequency modulated continuous wave laser ranging, triangulation laser ranging has many advantages, such as simple structure, fast testing speed, flexible and convenient use, low cost, etc. However, the accuracy of triangulation laser ranging will gradually deteriorate with the increase of distance, and since in the laser triangulation system, the photoelectric detector receives the scattered light Von der zu gemessenen Zielfläche ist diese Rangierungsmethode im Allgemeinen für die enge Arbeit in Innenräumen geeignet. Es ist nicht für die Arbeit im starken Hintergrund im Freien oder im Innenbereich geeignet. Daher ist der Anwendungsbereich des Triangulationslaserbereichs hauptsächlich eine kleine Verschiebungsmessung, die bei der Messung der Objektoberflächenkontur, der Breite, der Dicke und anderer Größen häufig verwendet wird, wie z. B. das Design der Körpermodelloberfläche, das Laserschnitt, das kreppende Roboter usw. in der Automobilindustrie.
Mit der raschen Entwicklung der industriellen Automatisierung und des Macherhaltens hat sich die Laser-Rangliste bei vielen Anwendungen wie Erkennung, Messung und Kontrolle als sehr wichtige Nichtkontakt-Erkennungsmethode erwiesen. Gleichzeitig erhält der Laser, der als Voraussetzung von High-End-Technologien wie Lasergeschwindigkeitsmessung, Laserverfolgung, dreidimensionaler Laserbildgebung und Laserradar (Lidar), immer mehr Aufmerksamkeit erhält. Mime Consulting konzentriert sich auf die Einführung und Diskussion mehrerer aktueller Mainstream -Laser -Sendungsmethoden.
1. Klassifizierung der Laser -Rangierungsmethode
Gemäß dem Grundprinzip können die Laser-Rangierungsmethoden in zwei Kategorien unterteilt werden: Zeit des Flugzeit (TOF) und Raumgeometriemethode, wie in Abbildung 1 dargestellt. Unter diesen Flugzeit-Flugzeit-Methode umfasst die direkte TOF-Methode (Impulstyp) und indirekte TOF-Methode (Phase-Typ). Die räumlichen geometrischen Methoden umfassen hauptsächlich Triangulation und Interferometrie.
2. Impulslaser -Reichweite - Direkte TOF -Methode
Impulslaserbereich ist eine Rangendrangmethode, die die Lasertechnologie * * * seit langem im Bereich der Vermessung und Kartierung verwendet hat. Es erhält die Informationen über die Zielabstand, indem das Zeitintervall zwischen dem emittierten Licht und dem empfangenen Lichtimpuls direkt gemessen wird, wie in Abbildung 2 gezeigt. Der gemessene Abstand kann ausgedrückt werden als:
Wenn D der gemessene Abstand ist, ist C die Lichtgeschwindigkeit in der Luft, und ∆ T ist die Hin- und Rückfahrzeit des Laserstrahls von der Emission bis zur Rezeption.
Der Impulslaser hat einen kleinen Emissionswinkel, eine relativ konzentrierte Energie im Weltraum und eine hohe momentane Leistung. Diese Eigenschaften können verwendet werden, um verschiedene mittelgroße Entfernungslaser-Entfernungsfinder, Laserradare usw. zu erzeugen. Die Pulslaser-Rangierungsmethode zählt jedoch die Zeit zwischen dem Empfang und dem Empfangen von Impulsen durch einen Hochfrequenz-Takt-Antriebszähler, wodurch der Zyklus des Zählertakts viel schüssiger sein muss.
Gegenwärtig wird das pulsierte Laserbereich häufig bei Langstrecken- und niedrigen Genauigkeitserhebungen wie topografischen und geomorphologischen Umfragen, geologischen Untersuchungen, Konstruktionsumfragen, Flugzeughöhenumfragen, Satellitenkorrelationsableitungen, Abstandsmessung zwischen kelestialen Körpern usw. usw. usw. usw., usw., usw., usw., usw., usw., usw., usw., usw., verwendet.
3. Phase -Laser -Ranging - Indirekte TOF -Methode
Die Phasenlaser -Rangierung verwendet die Frequenz des Funkbandes, um die Amplitude des Laserstrahls zu modulieren und die Phasenverzögerung zu messen, die durch das Modulationslicht für eine Hinterntour erzeugt wird, und dann den Abstand umwandeln, der durch die Phasenverzögerung gemäß der Wellenlänge des Modulationslichts dargestellt wird. Diese Methode misst indirekt die Zeit durch Messung der Phasendifferenz und wird daher auch als indirekte TOF -Methode bezeichnet.
Wie in Abbildung 4 gezeigt, ist die modulierte Frequenz f, die modulierte Wellenform λ = c/ f, die Lichtgeschwindigkeit und die gemessene Phasenverschiebung des modulierten Lichtwellensignals ∆ φ ，, dann die Rundwegzeit des Lasers zwischen dem Messpunkt und dem Ziel kann ∆ t = ∆ φ/ 2 i & ieben berechnet werden, sodass die gemessene Entfernung d ist.
Wenn der Zielabstand D zunimmt, kann der Wert der Phasenverzögerung jedoch größer als eine Periode der sinusoidalen modulierten Lichtwelle sein, nämlich ∆ φ = 2 π (n+∆ n), n und ∆ n sind integrale und fraktionale Teile des Zyklus, sodass der gemessene Abstand D:
Wobei l = c/ 2f = λ/ 2 die Länge des messenden Herrschers genannt wird, und die Länge der Phase -Ranging kann als λ/ der Abstand D mit einem Herrscher von 2 gemessen werden. Der Abstand kann erhalten werden, indem N und ∆ N ermittelt werden können. Der fraktionale Teil ∆ n kann gemessen werden, aber N ist kein fester Wert, der das Problem der Mehrfach Solutionen verursacht. Um dieses Problem zu lösen, muss der gleiche Abstand mit modulierten Lichtwellensignalen mehrerer Frequenzen gemessen werden, was auch als Lineal -Frequenz in der Phase -Rangliste bezeichnet wird. Wenn der gemessene Abstand geringer ist als die Länge des Herrschers, n = 0, ist der Lösungswert * * *. Wenn die Genauigkeit der Phasenmessung festgelegt ist, desto niedriger ist die Häufigkeit des Messherrschers, desto größer ist der Rangleitungsfehler, der in hoher Präzision nicht zulässig ist. Im Gegenteil, je höher die Häufigkeit des ausgewählten Herrschers, desto höher ist die Messgenauigkeit, aber der N -Wert zu diesem Zeitpunkt ist größer als 1 und es gibt ein Problem mehrerer Lösungen. Um diesen Widerspruch zu lösen, wählen Sie in praktischen Anwendungen normalerweise einen Herrscher aus, der die Ranggenauigkeit des Instruments und mehrere Hilfslurmeler bestimmt, die den Bereich bestimmen, die als feinmessender Herrscher bzw. rauem Messherrscher bezeichnet werden, und kombinieren Sie die beiden, um eine hohe Präzisionsmessung zu erhalten.
Die Messgenauigkeit des Phasenlaserbereichs kann (Sub-) Millimeterspiegel erreichen, und der Messbereich liegt von Dezimeter bis Kilometer, sodass er in kurzer und mittlerer Reichweite weit verbreitet ist.
4. Multi-Wellenlängen-Interferenzlaser-Ranging
Die interferometrische Rangliste ist eine der klassischen Präzisionsbereichsmethoden. Gemäß dem Interferenzprinzip des Lichts überlappen sich zwei Lichtreihen mit fester Phasendifferenz und mit der gleichen Frequenz die gleiche Schwingungsrichtung oder einen kleinen Winkel zwischen den Schwingungsrichtungen gegenseitig, was ein Interferenzphänomen erzeugt.
Wie in 6 gezeigt, wird das schematische Diagramm des häufig verwendeten Michelson -Interferometers dargestellt. Der vom Laser emittierte Laser ist in reflektiertes Licht S1 unterteilt und durch das Spektroskop über das Licht S2 übertragen. Die beiden Strahlen werden durch den festen Spiegel M1 bzw. dem beweglichen Spiegel M2 reflektiert, und die beiden konvergieren am Spektroskop zu einem kohärenten Strahl. Dann ist die kombinierte Strahlintensität ich:
Wenn Abstand d = m λ (m ist eine Ganzzahl), bildet die kombinierte Strahlamplitude * *, Lichtintensität * *, die helle Streifen bildet; Wenn d = (2 m+1) λ/ bei 2 Uhr, die Phasen der beiden Lichtstrahlen entgegengesetzt sind, stecken die Amplituden der beiden Strahlen gegenseitig und die Lichtintensität ist * * * klein und bildet dunkle Streifen. Nach diesem Prinzip besteht die interferometrische Laser -Rangierung darin, die Hell- und dunklen Störungen aus photoelektrischen Detektoren in elektrische Signale umzuwandeln, die von photoelektrischen Zählern gezählt werden, um die Messung von Entfernung und Verschiebung zu realisieren.
Aufgrund der Wellenlänge des Lasers λ kann die Auflösung des interferometrischen Laserbereichs NM erreichen und die Genauigkeit ist sehr hoch. Die oben erwähnte traditionelle interferometrische Laser -Technologie misst jedoch nur die relative Verschiebung und kann die Entfernungsinformationen des Ziels nicht erhalten. Gleichzeitig muss sich das Ziel entlang einer festen Führungsschiene bewegen, um die Genauigkeit der kontinuierlichen Messung zu gewährleisten, und der optische Pfad kann nicht unterbrochen werden. Nach dem Interferenzprinzip kann die Messentechnologie nur den Phasenwert im Bereich von 0 bis 2 π erhalten und unter Berücksichtigung des Laser-Hin- und Rückwegs entspricht sie nur der Messung von λ/ Wenn der Abstand im Bereich von 2, der in einem größeren Bereich gemessen wird, ist ungewiss, da der 2 π-Multiple der Phase nicht ermittelt werden kann. Dieser λ/ 2 Der Bereich wird normalerweise als eindeutiger Bereich der Laser -Abstandsmessung bezeichnet. Wie folgt:
Wenn D der gemessene Abstand ist, ist M und ε die Ganzzahl- und Dezimalreihenfolge der Interferenzrande, die in den gemessenen Abstand enthalten ist. Die Dezimalreihenfolge kann durch Messung erhalten werden, während M ein unbestimmter Wert ist.
Um diesen Widerspruch zu lösen, wird die Methode der Interferenz mit mehreren Wellenlängen normalerweise angewendet, um die Anforderungen der hohen Auflösung und Ausdehnung des Nicht-Markiuitätsbereichs zu erfüllen. Das grundlegende Prinzip der Mehrwellenlängeninterferometrie besteht darin, die Dezimal-Multiple-Methode zu verwenden und das Konzept der synthetischen Wellenlänge darauf zu entwickeln.
Multi-Wellenlängen Interferometric Ranging (MWI) begann mit dem Doppelwellenlängen-Interferenzexperiment, das von amerikanischen Wissenschaftlern Wyant und Polhemus in den frühen 1970er Jahren durchgeführt wurde. Diese Methode verwendet zwei Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen λ 1 、 λ 2 führt gleichzeitig die Interferenzmessung für den unbekannten Abstand durch und bringt sie in den gemessenen Abstand D der obigen Formel:
Um die beiden Gleichungen zu lösen, gibt es:
Wo ist die synthetische äquivalente Wellenlänge, MS bzw. ε S sind jeweils λs Interferenzrandgraße und Dezimalreihenfolge.
Wenn die zusammengesetzte Wellenlänge als die Fernwellenlänge angesehen wird, ist die Phaseninformation, die dem unbekannten Abstand entspricht, die Differenz zwischen den Rangphasen der ursprünglichen zwei Wellenlängen, sodass der unbekannte Abstand gelöst werden kann. Der Nicht-Mulluitäts-Bereich der Entfernungsmessung wird auf die Hälfte der synthetischen Wellenlänge erweitert. Aus der Formel muss die synthetische Wellenlänge größer als λ 1 und λ 2。 sein
Auf die gleiche Weise kann die Methode mit der Idee mehrerer Herrscher weiterentwickelt werden, um den Messbereich und die Genauigkeit zu berücksichtigen. Der mehrwellige Laser kann verwendet werden, um den Abstand gleichzeitig zu messen, um mehrstufige Verbundwellenlängen verschiedener Skalen zu erzeugen. Die lange synthetische Wellenlänge von * * * wird verwendet, um den Messbereich von * * * zu erreichen, und das erhaltene Abstandsmessergebnis wird als Abstandsreferenzwert der kürzeren synthetischen Wellenlänge verwendet, um das Ergebnis der Entfernung der Messung dieses Bereichs dieser Synthetikwellenlänge zu lösen, um die Range mit großem Bereich und hohen Präzision mit der kleinen Synthesewellenlänge zu realisieren.
Diese Methode erfordert jedoch mehrere Laserwellenlängen, was bedeutet, dass mehrere Laserquellen erforderlich sind. In Anbetracht der Tatsache, dass jede Laserquelle eine eigene Laserfrequenzstabilisierungsvorrichtung benötigt und mehrere Laser eine hochpräzisen optische Strahlkombination benötigen, ist die Struktur des gesamten Laser-Abstandsmesssystems relativ komplex, und die Zuverlässigkeit und Genauigkeit des Systems wird in gewissem Maße unweigerlich beeinträchtigt.
5. fm CW -Laser reicht
Frequenzmodulierte Continuous Wave (FMCW) Laser -Ranging ist eine weitere interferometrische Methode, die * * * Messung realisieren kann. Es kombiniert die Vorteile der optischen Interferometrie und der Funkradar -Technologie. Das Grundprinzip der FMCW -Messung besteht darin, die Interferometrie durch Modulation der Häufigkeit des Laserstrahls zu realisieren. Im Allgemeinen wird der Laser, dessen Häufigkeit des Ausgangslaserstrahls mit der Zeit ändert, als Lichtquelle und das Michelson -Interferometer als grundlegende interferometrische optische Pfad verwendet. Die Frequenzdifferenzinformationen werden gemäß dem unterschiedlichen optischen Pfad des Referenzlichts und des Messlichts erzeugt. Die Entfernungsinformationen der beiden Strahlen können nach dem Extrahieren des Signals und der Verarbeitung erhalten werden, und die Messung der * * * * * kann realisiert werden.
Nehmen Sie als Beispiel die Sägezahnmodulation ein. Es ist ein Sinussignal, dessen Frequenz sich linear mit der Zeit in einer Sägezahnform ändert. Die sofortige Frequenz des gemessenen Lichts und das Referenzlicht ändert sich mit der Zeit, wie in Abbildung 7 dargestellt.
Setzen Sie die Frequenz des Referenzlichts als FT, die Frequenz des Messlichts als FR, die Modulationsbandbreite als ∆ f, die Modulationsperiode als t und die Entfernung als D -Messlicht auf. Das Messlicht hat eine Zeitverzögerung, die sich aufgrund unterschiedlicher Übertragungspfade als τ τ ， ， ， ， ， ， ， ， ， ändert ändert.
Dann ist das erzeugte Beat -Signal fünf:
Also der gemessene Abstand:
Die frequenzmodulierte kontinuierliche Wellenlaser -Ranglaser nimmt Laser als Träger an, und alle Umgebungsstörungen beeinflussen nur die Lichtintensität des gemessenen Signals, jedoch nicht die Frequenzinformationen. Daher kann es eine hohe Ranggenauigkeit und eine starke Fähigkeit erhalten, Umweltlichtmischung zu widerstehen, und die Genauigkeit kann den Mikrometerniveau erreichen. Derzeit ist es ein Research-Hotspot in großen und hohen Präzisionsmessanwendungen. Diese Messmethode erfordert jedoch eine hohe Stabilität und Linearität der Laserstrahlfrequenz, wodurch die Realisierung des Systems komplexer wird, und der Messbereich wird durch den Zeitraum T.
6. Triangulärer Laser reicht
Triangulärer Laserbereich bedeutet, dass die Lichtquelle, die gemessene Objektoberfläche und das Lichtempfangssystem zusammen einen dreieckigen optischen Pfad bilden. Das von der Laserquelle emittierte Licht wird durch die Kollimierungslinse und dann auf die gemessene Objektoberfläche fokussiert. Das Lichtempfangssystem empfängt das verstreute Licht vom einfallenden Punkt aus und bildet es auf der empfindlichen Oberfläche des photoelektrischen Detektors. Es handelt sich um eine Messmethode, um den beweglichen Abstand der gemessenen Objektoberfläche durch die Verschiebung des Lichtpunkts auf der Bildgebungsoberfläche zu messen.
Gemäß der Winkelbeziehung zwischen dem einfallenden Laserstrahl und der normalen Linie der gemessenen Objektoberfläche gibt es im Allgemeinen zwei Rangierungsmethoden: schräg und direkt, wie in Abbildung 8 gezeigt. Im Allgemeinen ist die direkte Laser -Triangulationsmethode in geometrischer Algorithmus einfacher, als die oblique Laser -Triangulationsmethode relativ gering ist. In der Industrie wird häufig die direkte Laser -Rangierungsmethode angewendet.
Compared with phase laser ranging and frequency modulated continuous wave laser ranging, triangulation laser ranging has many advantages, such as simple structure, fast testing speed, flexible and convenient use, low cost, etc. However, the accuracy of triangulation laser ranging will gradually deteriorate with the increase of distance, and since in the laser triangulation system, the photoelectric detector receives the scattered light Von der zu gemessenen Zielfläche ist diese Rangierungsmethode im Allgemeinen für die enge Arbeit in Innenräumen geeignet. Es ist nicht für die Arbeit im starken Hintergrund im Freien oder im Innenbereich geeignet. Daher ist der Anwendungsbereich des Triangulationslaserbereichs hauptsächlich eine kleine Verschiebungsmessung, die bei der Messung der Objektoberflächenkontur, der Breite, der Dicke und anderer Größen häufig verwendet wird, wie z. B. das Design der Körpermodelloberfläche, das Laserschnitt, das kreppende Roboter usw. in der Automobilindustrie.
