激光在测距上的应用_上_

激光在测距上的应用(上)武汉交通科技大学自动化系　刘　明

自人类有史以来,为适应社会生活、生产的需要,逐渐创造出“度、量、衡”器具,并先后建立和发展为各种计量单位制。随着科学技术的进步和经济贸易的发展,不仅对计量单位不断进行改革完善,而且各国先后实施计量单位的统一,形成法制化。以下仅就最基本的米制简单的发展及面临的困难,介绍激光的产生、机理与特性,进而阐述激光在测距的应用和作为新的实用的米定义。

一、米制的建立与发展

在世界工业革命以前,长度测量工具,在西方1631年法国韦尼埃发明游标卡尺,英国在1676年前后使用英尺,至1840年西方才大量生产使用铜和木制的尺子。在东方的中国比西方早1600多年的汉朝王莽变法改制时期。于公元9年古历正月初一制作一种铜卡尺——新莽卡尺(长14111厘米),与现代游标卡尺相似。这实际说明世界上最早的长度测量工具游标卡尺是中国人发明的。直至近代人们认为一般尺子精度不高,这是因为作为长度基准的量原来的精确度就不高。因此人们就致力于长度基准的研究,作为基准可以是人造的物体或是自然物的某一性质参量来表示。对于选作基准物应满足有长期稳定性,不会消灭或散失,精确性高可以定量精确复制、使用方便,基准单位在一国内是公认的和法定的。因此人们最先选定长度米作为基本单位。米的定义也是不断修改与完善的。

111791年法国度量衡委员会制定“地球子午线四千万分之一作为长度单位为米。

211799年,人们认为地球子午线本身就难以精确测量,若以它为基准制出来的标准米尺,误差较大,使用不便。于是法国采取通过巴黎地球子午线全长的测量和计算用铂铱合金制成米原器。

311889年第一届国际计量大会确定:国际米的长度与法国档案局保存的铂铱合金米原器的长度相等。

411927年第七届国际计量大会决定:“长度单位是米,规定为国际计量局保存的铂铱尺上所刻两条中间轴线在O0时的距离。”

511948年第九届国际计量大会建议和1954年第十届国际计量大会决定,在米制的基础上发展起来以时间、长度和质量为基本量度单位的实用单位制为基础的统一单位制一国际单位制,自1978年1月1日起实行国际单位制,简称国际制S I。

611960年第十一届国际计量大会决议:“用国际原器定义米满足不了计量学目前所要求的精度,决定废除1889年生效的以铂铱国际原器为根据的米定义”。认为氪——86原子发射的光不仅频率稳定,重复性好,适合做计量单位,于是决定:“米等于氪——86原子的2P10和5d5能级之间的跃迁所对应的辐射在真空中的波长的1650763173个波长的长度。

”

711975年第十五届国际计量大会决议推荐:米定义可以用光速(C=299792458米 秒)表示,各国进行实验。

811983年第十七届国际计量大会认为现用米定义已经不能精确的复现米的长度,故决定:“米是光在真空中1 299792458秒的时间间隔内所经过的距离。废除1960年建立的氪——86原子在2P10和5d5之间跃迁的米定义”。另外认为这个米定义存在使用不便的困难,还必须为实际工作者规定一个新的实用的米定义,以保证各长度实验室之间的量值统一。那么又是怎样规定一个新的实用米的定义呢?以下介绍激光的特性对米定义可能产生的影响。

二、激光产生的机理与特性:

激光与一般灯光、太阳光同是电滋波,但它产生的机理与特性不同,即它是一种物质的原子“受激辐射光放大”。在前人研究的基础上,于1960年美国梅曼发明了红宝石激光器,1961年贾万制成了氦氖(H e—N e)激光器等等。在激光器的装置中(如图示),一般由工作物质、

谐振腔和激励能源三部分组成。工作物质有固体、半导体,也有是气体和液体等。谐振腔一般是由两块平行的光学反射镜组成,一块为镀金的反射膜,另一块为半透膜,中间垂直放置工作物质,在激励能源以一定的光或电的形式作用下,工作物质中的原子中处在稳定状态的低能级的电子受激发跃迁到高能级的激发态,在最初激

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励能源发出的光(或光子)总有极少数的光垂直射向反射镜,并被反射镜射回到工作物质中,在激励能源不断的激励下,每次反射回来的光又会激发高能量态的原子发射出同一方向更多的光,因此光在两个反射镜之间来回反射,即光被工作物质连续地放大,当放大足够强时,便从半透膜一端透射出来一束同方向、同相位、单色性、高亮度的激光。由于激光有以上的特性,形成以下特殊的功能。

11高单色性。一般光线是由多种颜色光合成的,如太阳光是包括可见光的波长范围,占有波长很宽,而霓虹灯、水银灯、钠光灯、氪灯称为单色光源,但与激光比所占的波长还是宽得多。如氪灯光波长Κ=6057埃,谱线宽度∃Κ=010047埃,其单色程度为∃Κ Κ=10-6量级,而氦氖激光的单色性可达∃Κ Κ (10-10-10-13)量级,比氪光单色性好上万倍,因此利用激光的高单色性特点,可以制成具有更高的精度和量程的精密测量仪器。

21高方向性。常见的聚光灯、探照灯发射的光束有明显的扩散,而激光的光束发散角极小,近似平行光,如有一种激光经过发射望远镜后光束口径为一米,传输到1000公里后,其光束直径只有几米,因此利用激光作远距离激光通讯,远距离测量等。

31高亮度性。由激光高方向性和透镜聚焦可以改变光斑大小和控制功率密度,使光能量一般在103-109瓦 厘米2范围内变化,最高亮度比太阳表面亮度高100多亿倍。因此激光高亮度、高能量可以用于工业上对金属或非金属材料进行打孔、切割、焊接等加工。在军事上可以制成各种激光武器,以及在农业、医疗等领域的应用。

41相干性好。即激光的频率、相位和传播方向都是相同,属于相干光源,其光线叠加幅度稳定,在时间上和空间上周期是一定的,故它适用于全息照相,干涉测量等。

三、激光在测距上的应用

11激光可以作为测量长度的计量基准。

由于激光有高单色性、高方向性和相干性好等特点,因而被用于高精度的计量测量上。具体可以用于测量长度、距离、速度、时间等,也可以作为长度、频率、光度等计量标准,目前已形成一门新的干涉测量学。根据光学干涉方法测量长度是最为精密的,如用氪——86红光波进行精密干涉测长,最大量程不超过1米(约3815厘米)测量误差约为1微米,同样用红色氦氖激光进行精密干涉测长,其量程可以扩大到1公里-1000公里,而相当于1公里上的测量误差小于100-011微米。由此可知,用激光代替氪灯光做光子尺,其“刻度”精度非常高。另外激光波长极为稳定,只要按照同一条件制造激光器,在相同的工作条件下使用,各个激光器射出的激光波长会准确一致,即复制精度极高。因此,可以根据1983年第十七届国际计量大会的决定中指出:“国际计量局还认为必须根据总则为实际工作者规定一个新的实用的米定义,以保证各个长度实验室之间的量值统一”。这个新的实用米定义,可以选用氦氖激光器输出的激光波长作为长度的基准。

21由于激光的高方向性,高光度性等特点,作为激光测距。

激光测距按其技术途径可分为脉冲式激光测距和相位式激光测距。

脉冲式激光测距:其原理与雷达测距相似,不过雷达是辐射脉冲电磁波,波束有扩散性,同样脉冲功率则测距较近,而激光波束近似直线性,很少扩散,波束能量集中,传输距离远,即激光测距仪向目标发射激光脉冲信号,信号碰到目标后就被反射回来,因此只要记录激光的往返时间,用光速乘以往返时间的1 2,就得到要测的距离。用此方法测量月球与地球之间的距离,实际误差只有几厘米。

相位式激光测距:它是用连续调制的激光光束照射被测目标,通过测量光束往返中产生相位变化,换算出被测目标的距离,这种相位式激光测距法其相对误差仅有百万分之一,在几千米的距离上误差只有几毫米。

31激光推动了计量测距仪器的发展。

由于现代技术发展的需要已形成新技术仪器系列发展,目前已应用激光高精确性与计量形成系列激光测距仪器:

(1)用在计量实验室的长度计量仪器——激光测长仪;

(2)测量丝杆产品等级仪器——激光丝杆动态测量仪;

(3)用作检测标准尺寸长度计量基准仪器——激光线纹干涉仪;

(4)用于检定各种等级块规的专用设备——激光量块干涉仪;

(5)用于精密测量光学平面度的仪器——激光平面干涉仪等。

以上仪器由于使用激光器原理及其特性,其测量精度比一般仪器精度高1～2个数量级,且测量手续简便,为计量的普及与提高具有重要意义。以上几种测距方法对于一般光源来说,因其不具备激光的特性而无法实现。

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