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与激光测距技术“结缘”的光电探测器

导读: 根据基本原理,实现激光测距的方法有两大类:飞行时间(time of flight,TOF)测距和非飞行时间测距。其中,具体的常用方法有脉冲式激光测距法、三角激光测距法和相位式激光测距法。

  激光测距(Laser ranging)是最早在军事上得到运用的激光技术,并且已经成为国防科研的重要课题之一。同时,激光测距也是激光测速、激光跟踪、激光三维成像、激光雷达等高端技术的前提。

  世界上第一台激光器,是由美国休斯飞机(Hughes Aircraft)公司的科学家梅曼于1960年首先研制成功的,美国军方很快就在此基础上开展了对军用激光装置的研究。1961年,第一台军用激光测距仪通过了美国军方论证试验,此后激光测距仪很快就进入了实用环境中。

  20世纪七十年代,美国军方的阿波罗计划中,曾经使用激光测距技术测量地球与月球的距离,接收端使用的是雪崩光电二极管(APD)单光子探测器。

  根据基本原理,实现激光测距的方法有两大类:飞行时间(time of flight,TOF)测距和非飞行时间测距。其中,具体的常用方法有脉冲式激光测距法、三角激光测距法和相位式激光测距法。

  脉冲式飞行时间测距法

  脉冲式测距是激光技术最早应用于测绘领域中的一种测量方式。由于激光发散角小,激光脉冲持续时间极短,瞬时功率极大可达兆瓦以上,因而可以达到极远的测程。一般情况下不使用合作目标,而是利用被测目标对光信号的漫反射来测距。测量距离可表示为:

  式中D为所测量的距离,c为光在空气中传播的速度,Δt为光波信号在测距仪与目标往返的时间。

  一般在非精密测量中,光在空气中的传播速度取真空中的3×108m/s(现代物理学通过对光频率和波长的测量导出的精确值为2.99792458×108 m/s),若在精密测量中可参考空气的状态进行修正得到精确值。所以只要测得Δt的值就可以得到距离D。

  脉冲激光的发射角小,能量在空间相对集中,瞬时功率大,利用这些特性可制成各种中远距离激光测距仪、激光雷达等。目前,脉冲式激光测距广泛应用在地形地貌测量、地质勘探、工程施工测量、飞行器高度测量、人造地球卫星相关测距、天体之间距离测量等方面。

  另外,脉冲测距方法也可通过与其他手段结合,更好的提高测量范围和测距精度,如:脉冲测距法与TCSPC技术相结合、脉冲啁啾调制、多频率脉冲测距等。

  相位式激光测距法

  相位式激光测距通常适应于中短距离的测量,测量精度可达毫米、微米级,也是目前测距精度最高的一种方式,大部分短程测距仪都采用这种工作方式。

  相位式测距则是将一调制信号对发射光波的光强进行调制,通过测量相位差来间接测量时间,较直接测量往返时间的处理难度降低了许多。

  此时距离的计算公式可表示为:

  式中-信号往返测距仪与目标之间一次所产生相位差为φ,λ为调制信号的波长。

  式中的λ/2称为测尺,即当相位变化为2π时所对应的距离。可以看出当选择的调制频率不同时,所能测到的最大距离是不同的。

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