Главная > Новости > Новости

Статья покажет вам о лазере

2023-02-13

Согласно Maims Consulting, вскоре после того, как первый в мире Ruby Laser вышел в 1960 году, технология лазера с точностью в зависимости от того, как родилась главная цель. Лазерное дальности * * * использовалось в военных в течение долгого времени, а затем, с его сильной противоположностью и высокой точностью, он сыграл огромную роль во многих областях, таких как аэрокосмическая промышленность, строительные съемки и картирование, индустрия ветроэнергетики, интеллектуальное транспортировку, промышленное производство и так далее.


С быстрой разработкой промышленной автоматизации и машинного зрения, лазерное дальности оказалось очень важным методом неконтактного обнаружения во многих приложениях, таких как обнаружение, измерение и контроль. В то же время, лазерное дальности, как предпосылка высококлассных технологий, таких как измерение лазерной скорости, лазерное отслеживание, лазерная трехмерная визуализация и лазерный радар (LIDAR), привлекает все больше и больше внимания. Mimes Consulting сосредоточится на внедрении и обсуждении нескольких современных методов лазера основного дальности.


1. Классификация метода лазерного дальности


Согласно основному принципу, методы лазерного диапазона можно разделить на две категории: метод времени полета (TOF) и метод геометрии пространства, как показано на рисунке 1. Среди них метод времени полета включает в себя прямой метод TOF (тип импульса) и непрямой метод TOF (тип фазы); Пространственные геометрические методы в основном включают триангуляцию и интерферометрию.

2. Пульс -лазер


Импульсное лазерное дальности - это метод дальности, который лазерная технология * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * Он получает информацию о расстоянии цели путем непосредственного измерения временного интервала между испускаемым светом и полученным световым импульсом, как показано на рисунке 2. Измеренное расстояние может быть выражено как:

Где D-измеренное расстояние, C-это скорость распространения света в воздухе, а ∆ T-время обратной поездки лазерного луча от выброса до приема.

Импульсный лазер имеет небольшой угол излучения, относительно концентрированную энергию в пространстве и высокая мгновенная мощность. Эти характеристики могут использоваться для изготовления различных средних лазерных дальности расстояния, лазерных радаров и т. Д.

В настоящее время импульсное лазерное дальности широко используется в исследованиях на длинные дистанции и низкой точностью, такие как топографические и геоморфологические исследования, геологические исследования, инженерные строительные обследования, воздушные обзоры, как показано на рис. 3.

3. Фазовый лазер - метод непрямого TOF

Фазовый лазерный диапазон использует частоту радио -полосы для модуляции амплитуды лазерного пучка и измерения фазовой задержки, генерируемой светом модуляции для одной перехода к кругу, а затем преобразует расстояние, представленное фазовой задержкой в ​​соответствии с длиной волны света модуляции. Этот метод косвенно измеряет время путем измерения разности фаз, поэтому он также называется косвенным методом TOF.

Как показано на рисунке 4, предполагая, что модулированная частота равна F, модулированная форма волны λ = C/ F, C является скоростью света, а измеренный фазовый сдвиг модулированного сигнала волны света составляет ∆ φ ,, тогда время обратной поездки лазера между точкой измерения, а цель может быть рассчитано ∆ T = ∆ φ/ 2 π F, поэтому измеренное расстояние d-это: ∆ ∆ φ/ F, поэтому измеренное расстояние D-это: ∆ ∆ φ/ 2, так что измеренное расстояние d-это: ∆ ∆ φ/ 2 π F, поэтому измеренное расстояние D-это: целевой

Однако, когда целевое расстояние D увеличивается, значение фазовой задержки может быть больше одного периода синусоидальной модулированной световой волны, а именно ∆ φ = 2 π (n+∆ n), N и ∆ N являются интегральными и фракционными частями цикла соответственно, поэтому измеренное расстояние D равен::::::

Где, l = c/ 2f = λ/ 2 называется длиной измерительной линейки, а длина фазы в диапазоне может рассматриваться как λ/ расстояние d измеряется с помощью линейки 2. Расстояние можно получить путем определения n и ∆ N. Дробная часть ∆ n может быть измерена, но N не является фиксированным значением, которое вызывает проблему многочисленных доли. Чтобы решить эту проблему, необходимо измерить одно и то же расстояние с помощью модулированных сигналов световых волн множественных частот, что также называется частотой линейки в фазовой элинометре. Если измеренное расстояние меньше длины линейки, n = 0, значение решения составляет * * *. Когда точность фазового измерения фиксирована, чем ниже частота измерительного линейка, тем больше ошибка в диапазоне, которая не допускается при высокой дальности. Напротив, чем выше частота выбранного правителя, тем выше точность измерения, но значение n в настоящее время будет превышать 1, и возникает проблема нескольких решений. Чтобы решить это противоречие, в практических приложениях обычно выбирайте линейку, который определяет точность диапазона прибора и несколько вспомогательных правителей, которые определяют диапазон, которые называются тонким измерением и грубым измерительным линейком соответственно, и объединяют два для получения высокого измерения.

Точность измерения фазового лазерного диапазона может достигать (суб) миллиметра, а диапазон измерений находится от дециметра до километра, поэтому он широко используется в коротком и среднем диапазоне.

4. Многоволновое помехи

Интерферометрическое дальности является одним из классических методов дальности. Согласно принципу интерференции света, два ряда света с фиксированной разностью фазы и с одинаковой частотой, одно и то же направление вибрации или небольшой угол между направлениями вибрации перекрывает друг друга, что приведет к явлению интерференции.

Как показано на рисунке 6, показана схематическая схема обще используемого интерферометра Майкельсона. Лазер, излучаемый лазером, делится на отраженный свет S1 и переданный световой свет S2 через спектроскоп. Два луча отражаются обратно с помощью неподвижного зеркала M1 и подвижного зеркала M2 соответственно, и два сходится в спектроскопе, образуя когерентный луч. Тогда комбинированная интенсивность луча я есть:

Когда расстояние d = m λ (м является целым числом), комбинированная амплитуда луча * *, интенсивность света * *, образуя яркие полосы; Когда d = (2m+1) λ/ в 2 часа, фазы двух лучей света противоположны, амплитуды двух балок отменяют друг друга, а интенсивность света * * * мала, образуя темные полосы. Согласно этому принципу, интерферометрическое лазерное дальности состоит в том, чтобы преобразовать световые и темные интерференционные полосы из фотоэлектрических детекторов в электрические сигналы, которые подсчитываются фотоэлектрическими счетчиками, чтобы реализовать измерение расстояния и смещения.


Из -за длины волны лазера λ разрешение интерферометрического лазерного диапазона может достигать NM, а точность очень высока. Тем не менее, традиционная технология лазерного интерферометрического диапазона, упомянутая выше, только измеряет относительное смещение и не может получить информацию о расстоянии цели. В то же время, чтобы обеспечить точность непрерывного измерения, цель должна перемещаться вдоль фиксированной направляющей, и оптический путь не может быть прерван. Кроме того, в соответствии с принципом интерференции, технология измерения может получить только фазовое значение только в диапазоне от 0 до 2 π, и, учитывая расстояние лазерного обращения, она эквивалентно измерению λ/ Если изменение расстояния в диапазоне 2, расстояние, которое будет измерено в более широком диапазоне, будет неопределенным, поскольку 2 π-кратное из фазы не может быть определена. Этот λ/ 2 Диапазон обычно называют однозначным диапазоном измерения расстояния лазера * *. Следующее:

Где D - измеренное расстояние, M и ε - целое число и десятичное порядок интерференционной полосы, включенного в измеренное расстояние. Десятичный порядок может быть получен путем измерения, в то время как M является неопределенным значением.

Чтобы решить это противоречие, метод мультиволнового помех обычно принимается для удовлетворения требований высокого разрешения и расширения диапазона невидимости. Основным принципом многоволновой интерферометрии является использование десятичного множественного метода и разработка концепции синтетической длины волны на нем.

Многоволновое интерферометрическое давление (MWI) началось с эксперимента по двойной волне, проведенным американскими учеными Уайантом и Полемемсом в начале 1970-х годов. В этом методе используются два лазера с разными длин волн λ 1 、 λ 2. Выполняйте интерференционные измерения для неизвестного расстояния одновременно и внесите его в измеренное расстояние D вышеуказанной формулы:

Чтобы решить два уравнения, есть:

Где находится синтетическая эквивалентная длина волны, MS и ε S соответственно λ s интерференционные помехи целое число и десятичное значение.

Если составная длина волны рассматривается как длина волны дальности, информация о фазе, соответствующая неизвестному расстоянию, представляет собой разницу между этапами этапов исходных двух длин волн, поэтому неизвестное расстояние может быть решено. Диапазон измерения расстояния, не являющегося расстоянием, расширен до половины синтетической длины волны. Из формулы длина синтетической волны должна быть больше, чем λ 1 и λ 2。

Точно так же, чтобы рассмотреть возможность измерения и точности измерения, метод может быть дополнительно разработан с идеей нескольких правителей. Многоволновый лазер может использоваться для измерения расстояния одновременно для генерации многоуровневых составных длин волн разных шкал. Длинная длина синтетической волны * * * используется для достижения диапазона измерений * * *, а полученный результат измерения расстояния используется в качестве опорного значения расстояния более короткой синтетической длины волны, чтобы решить результат измерения диапазона этого уровня синтетической длины волны, чтобы реализовать измерение диапазона с большим диапазоном и высоким уровнем использования малой синтетической волны волны * и * *.


Тем не менее, этот метод требует нескольких длин волн лазера, что означает, что требуется несколько лазерных источников. Учитывая, что каждому лазерному источнику требуется собственное устройство стабилизации лазерной частоты, и нескольким лазерам требуется высокая комбинация оптического луча, структура всей системы измерения расстояния лазерной * * является относительно сложной, а надежность и точность системы неизбежно будут затронуты в определенной общей.

5. FM CW -лазер

Частота модулированная непрерывная волна (FMCW) Лазерное дальности является еще одним интерферометрическим методом, который может реализовать * * * Измерение. Он сочетает в себе преимущества оптической интерферометрии и радиолокационной технологии. Основным принципом измерения FMCW является реализация интерферометрии путем модуляции частоты лазерного луча. Как правило, лазер, чья частота выходного лазерного луча изменяется со временем, используется в качестве источника света, а интерферометр Майкельсона используется в качестве основного интерферометрического оптического пути. Информация о разнице в частотах генерируется в соответствии с различным оптическим путем опорного света и измерения. Информацию о расстоянии двух лучей можно получить после извлечения сигнала и обработки, и можно реализовать измерение дистанции * *.

Возьмите пилообразное модуляцию в качестве примера. Это синусоидальный сигнал, частота которого линейно изменяется со временем в форме пилообразной. Мгновенная частота измеренного света и эталонный свет изменяются со временем, как показано на рисунке 7.

Set the frequency of the reference light as ft, the frequency of the measurement light as fr, the modulation bandwidth as ∆ F, the modulation period as T, and the distance as D. The measurement light will have a time delay relative to the reference light due to different transmission paths as τ, Where ft changes periodically between f0 and fm according to sawtooth wave, then the expression of ft and fr is as follows:

Тогда сгенерированный сигнал удара составляет пять:

Итак, измеренное расстояние:

Частота, модулируемая непрерывной волновой лазерной, принимает лазер в качестве носителя, и все интерференции окружающей среды только влияют на интенсивность света измеренного сигнала, но не на частоту. Следовательно, он может получить высокую точность и сильную способность противостоять интерференции света окружающей среды, и точность может достичь уровня микрона. В настоящее время это исследовательская точка горячей точки в приложениях большого размера и высоких измерений. Однако этот метод измерения требует высокой стабильности и линейности частоты лазерного луча, что делает реализацию системы более сложной, а диапазон измерений ограничен периодом T.

6. Треугольный лазер

Треугольный лазерный вариант означает, что источник света, измеренная поверхность объекта и система, получающая свет, образуют треугольный оптический путь вместе. Свет, испускаемый лазерным источником, сфокусирован коллимирующей линзой, а затем падает на измеренную поверхность объекта. Система получения света получает рассеянный свет от точки падения и изображает его на чувствительной поверхности фотоэлектрического детектора. Это метод измерения для измерения расстояния перемещения измеренной поверхности объекта посредством смещения точки света на поверхности визуализации.


Согласно угловой зависимости между падающим лазерным пучком и нормальной линией измеренной поверхности объекта, обычно существует два метода дальности: наклонные и прямые, как показано на рисунке 8. В целом, метод прямой лазерной триангуляции является проще в геометрическом алгоритме, чем в косой лазерной триангуляции, а ошибка является относительно малой, и объем может быть предназначен для более хорошо. В промышленности часто используется метод прямого лазера.

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 from Целевая поверхность, которая должна быть измерена, этот метод дальности, как правило, подходит для закрытой работы в помещении, он не подходит для работы на открытом или внутреннем световом фоне. Следовательно, диапазон применения триангуляционного лазерного диапазона представляет собой в основном небольшое измерение смещения, которое широко используется при измерении контура поверхности объекта, ширины, толщины и других количествах, таких как конструкция поверхности модели тела, лазерная резка, широкий робот и т. Д. В автомобильной промышленности.

X
We use cookies to offer you a better browsing experience, analyze site traffic and personalize content. By using this site, you agree to our use of cookies. Privacy Policy
Reject Accept