激光測(cè)距的原理

&常見應(yīng)用

激光，英文名稱為L(zhǎng)ight Amplification by Stimulated Emission of Radiation（簡(jiǎn)稱LASER），意思為原子受激輻射的光，故稱激光，激光的產(chǎn)生原理，是原子中的電子吸收能量后從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，再?gòu)母吣芗?jí)回落到低能級(jí)的時(shí)候，所釋放的能量以光子的形式放出，被引誘（激發(fā)）出來(lái)的光子束（激光）。

激光與普通光源相比，具有單色性、高亮度、方向性等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科研實(shí)驗(yàn)等各個(gè)領(lǐng)域，激光測(cè)距便是其中應(yīng)用較為廣泛的一項(xiàng)技術(shù)。

1.激光測(cè)距技術(shù)的特點(diǎn)

激光測(cè)距技術(shù)是一項(xiàng)非接觸式的工業(yè)測(cè)量技術(shù)，與傳統(tǒng)的接觸式測(cè)距技術(shù)相比，具有以下的特點(diǎn)【1】：

（1）激光測(cè)距時(shí)，無(wú)需與測(cè)量表面進(jìn)行接觸，物體的表面不會(huì)產(chǎn)生形變

（2）激光測(cè)距時(shí)，被測(cè)物體表面不會(huì)發(fā)生磨損，降低了額外的損失

（3）在很多特殊的環(huán)境下，沒有條件用常規(guī)測(cè)量工具接觸測(cè)量，只能使用激光測(cè)距技術(shù)

2.激光測(cè)距技術(shù)的原理

激光測(cè)距目前主要的測(cè)量方法有：激光脈沖測(cè)距、激光相位測(cè)距、激光三角法測(cè)距等，不同的測(cè)量方法對(duì)應(yīng)不同常用的測(cè)量范圍和精度。

激光脈沖測(cè)距主要應(yīng)用于遠(yuǎn)距離測(cè)距，測(cè)量距離在km級(jí)以上，精度較低，一般是米級(jí)精度；激光相位測(cè)距適用于中長(zhǎng)距測(cè)量，常用測(cè)量范圍包括50米、150米、300米、以及500米不等，精度較高，一般是毫米級(jí)精度；激光三角法測(cè)距則一般用于短距離（常見測(cè)量范圍在2米以內(nèi)），高精度的測(cè)距任務(wù)，一般精度能達(dá)到微米級(jí)，但測(cè)量距離較為限制。

下面，簡(jiǎn)單介紹一下這三種測(cè)量方法的測(cè)量原理。

（1）激光脈沖測(cè)距法【2】

激光脈沖測(cè)距法工作時(shí)，先由激光發(fā)射二極管對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖。經(jīng)目標(biāo)反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到傳感器接收器，被光學(xué)系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上。雪崩光電二極管是一種內(nèi)部具有放大功能的光學(xué)傳感器，因此它能檢測(cè)極其微弱的光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)。通過(guò)測(cè)量光脈沖往返待測(cè)點(diǎn)的時(shí)間，乘以光速并除以2，計(jì)算出被測(cè)目標(biāo)的距離，計(jì)算公式如下：

D=ct/2

D:測(cè)量點(diǎn)A、B間的距離，c：光速，t：光脈沖往返A(chǔ)B兩點(diǎn)間1次所需時(shí)間，

（2）激光相位測(cè)距【3】

圖1：虹科—Dimetix相位式激光測(cè)距傳感器

激光相位測(cè)距的原理，是將一低頻調(diào)制信號(hào)對(duì)發(fā)射光波的光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制, 利用測(cè)定“調(diào)制光波”往返于被測(cè)距離的相位差, 間接求得待測(cè)距離D。其距離的一般計(jì)算公式為:

其中，?：調(diào)制光在距離為 2D 上的相位差, c : 調(diào)制光的傳播速度, t : 調(diào)制光在待測(cè)距離往返一次所需要的時(shí)間, f : 調(diào)制光的頻率。

在圖 2 中, A 表示調(diào)制光波的發(fā)射點(diǎn), B 表示安置反射器的地點(diǎn), A′表示所發(fā)出的調(diào)制光波經(jīng)反射器反射后的接收地點(diǎn)。AA′兩點(diǎn)間的距離即是待測(cè)距離D的2倍。故: ? =N1 2π+Δ?1 , 由于N1并不是一個(gè)定值, 所以這可能引起多值解。為解決這一問(wèn)題, 我們常采用多個(gè)頻率的調(diào)制信號(hào)來(lái)測(cè)定同一距離。該頻率在相位測(cè)距中也稱為測(cè)尺頻率，測(cè)尺頻率的波長(zhǎng)稱為測(cè)尺長(zhǎng)度，當(dāng)被測(cè)距離小于測(cè)尺長(zhǎng)度時(shí), 則不存在多值解，由于測(cè)尺長(zhǎng)度越大，測(cè)量精度就越低，所以出于精度的考慮，我們需要將測(cè)尺長(zhǎng)度控制在合適的范圍內(nèi)。

圖2：激光相位測(cè)距的原理圖【3】

（3）激光三角法測(cè)距【1】

使一束激光以特定角度照射到待測(cè)物體的參考位置上，然后激光在待測(cè)物體上會(huì)發(fā)生散射、漫反射，將光敏傳感器件放置在另一特定位置接收經(jīng)透鏡匯聚后的散射光、漫反射光。待測(cè)物體發(fā)生位移后，再使一束激光以特定角度照射到待測(cè)物體的待測(cè)位置上，將光敏傳感器期間放置在同一特定位置接收此時(shí)的散射光、漫反射光，因?yàn)榇郎y(cè)物體位移前后激光散射漫反射后的光路不同，光敏傳感器件上光斑中心位置也不同，將前后兩次光斑中心位置代入幾何三角關(guān)系中，從而計(jì)算出物體的位移距離。

3.相位式激光測(cè)距傳感器的應(yīng)用：

相位式激光測(cè)距傳感器的應(yīng)用非常廣泛，其測(cè)量距離從幾十米到幾百米不等，精度一般在毫米級(jí)，與工業(yè)中大多數(shù)的應(yīng)用需求相符合，相位式激光測(cè)距傳感器的用途包括尺寸測(cè)量、位置測(cè)量、液位測(cè)量、形變監(jiān)測(cè)、海嘯/泥石流等自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)、定位等，根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域和工況，其作用也不同：

（1）金屬工業(yè)

例如金屬切割應(yīng)用中，我們常常需要切割指定規(guī)格指定長(zhǎng)度的金屬，通過(guò)將激光測(cè)距設(shè)備安裝在切割設(shè)備上，對(duì)切割長(zhǎng)度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確進(jìn)行切割。此外還包括鋼鐵的鍛造和灌裝等，由于金屬鍛造時(shí)溫度很高，激光測(cè)距傳感器可以無(wú)接觸的對(duì)金屬的鍛造工藝過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，提高了工藝生產(chǎn)的效率。

（2）橋梁建筑

通過(guò)激光測(cè)距傳感器對(duì)橋梁的上下橋面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)桁架傾斜和變形；此外如歷史建筑，包括教堂建筑等，對(duì)其進(jìn)行保護(hù)不僅符合業(yè)主的利益，而且也是對(duì)業(yè)主的尊重。通過(guò)我們的激光測(cè)距傳感器，我們可以監(jiān)測(cè)這些建筑物的微小“移動(dòng)”，以并對(duì)它們進(jìn)行細(xì)致的監(jiān)測(cè)和保護(hù)。

（3）軌道鐵路

鐵路的軌道監(jiān)測(cè)包括鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)測(cè)，鐵路隧道形變監(jiān)測(cè)，山區(qū)鐵路巖層的泥石流監(jiān)測(cè)等

（4）倉(cāng)儲(chǔ)物流

例如常見激光測(cè)距傳感器用于料倉(cāng)的料位，物流卡車的位置監(jiān)測(cè)與定位等

往期推薦

虹科小課堂|MEMS技術(shù)應(yīng)用案例介紹

虹科小課堂|帶你了解MEMS傳感器

虹科分享|三種主流工業(yè)以太網(wǎng)概述及其應(yīng)用

虹科傳感器：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)巖石，精確預(yù)警海嘯