光电传感器关于激光测距方面应用分析 3

题目：光电传感器关于激光测距方面应用分析

学院：信息工程学院

班级：B1409

姓名：蔡沛华

学号：0915140902

光电传感器关于激光测距方面应用分析

摘要: 激光传感器已经广泛应用于国防、生产、医学和非电测量等各方面，激光传感器正以自己独特的优势焕发勃勃生机,本文简单介绍了激光测距传感器工作的原理和应用。

关键字：激光测距、发展背景、生活应用、

一、激光测距应用发展背景

国内外在20世纪70年代初的一些测量仪器开始采用了激光技术。世界上第一台激光器，是由美国休斯飞机公司的科学家梅曼于1960年，首先研制成功的，被称作柯丽达1型。1971年，美国军方率先配置了AN/GVS-3型红宝石激光测距系统。自此，各国军队逐渐配备了用于侦查的激光测距机，各种型号的激光测距装置相应得到了应用。20世纪70年代，美国、俄罗斯等国的著名公司开展合作研究，其产品涉及工业、航天、海洋等多个方面。经过多年不断探索，激光测距机更新了两代，已经研制更新到了第3代。第1代激光测距系统是光电倍增管探测器和红外宝石激光器构成的。但是由于占地面积广、重量重、耗费电量多等缺点而被第2代测距系统取代。第2代激光测距系统采用近红外钕激光器（主要是Nd：YAG激光器）和PIN光电二极管或者雪崩光电二极管。与第一代相比，第2代激光测距系统的耗电量和体积都小很多，因此得到了迅速发展。到20世纪70年代，YAG激光器技术趋于成熟，将这种激光器应用于远程、中程、短程的激光测距雷达以成为一种趋势。但是由于其对全天候测距精度低、兼容性差及损伤人眼的缺点，伴随着激光技术与电子技术的发展，逐渐被第3代激光测距系统所取代。第3代激光测距系统相较于前两代而言有了十足的发展。其结构采用对人眼安全的激光器，并用最新电子的技术。并且体积小、耗电量少而精度更高。西方国家开发出了用途不同的测距系统，有单光束激光测距系统、二维激光扫描式测距系统等。其中，一维系统用于测量距离，二维系统用于扫描平面，监控一片区域，三维测距系统用于对空间的定位与三维轮廓测量等应用领域。由于激光测距系统的高精度、快速性及抗干扰性能强等优点而备受推崇。国外的许多科研机构和大学亦在此领域展开研究。

20世纪70年代，国内激光器样机的研究出现了。北京光学仪器厂，苏州第一光学仪器厂先后研制成功了以气体激光器，由于这个激光器体积大，使用寿命短，原则上每年都要更换，所以给以气体激光器作为光源的激光经纬仪带来许多不足。有两种结构使激光光束引入望远镜。一种是刚性直接导人式，这种型式虽然简单结构，光能损失小，但对仪器的使用并不利。由于激光器及其外壳较重，体积较大，横轴支承不方便，又因为激光器偏离横轴于一侧，所以望远镜做俯仰工作时重心不平衡。另外，由于需要联接外接电源线，使得仪器的横轴和竖轴都难以作360°旋转，给使用带来不便。另一种是光导纤维导人式。采用了光导纤维管联结，这是一种挠性联结。使用时仪器不装载激光器和激光的电源，因此没有不利于仪器横轴支承，同时激光器产生的热量引起望远镜视轴和激光束轴的变化也完全克服了，即光束发生漂移。光导纤维管联结存在着结构较复杂、传递光束光能损失大等问题。另外仪器的横轴和竖轴也难以作360°的旋转，给使用带来不便。

可以说，在起步的阶段，我国的激光技术迅速发展，在技术上都已接近国际先进水平。在激光测距方面的研究，我国于1972年成功的研制出了JCY-1型精密气体激光测距机，第二年，推出了JCY-2型。1996年，上海光机所成功设计出了便携式半导体激光测距机，测距精度为±0.5 m。接下来几年里，体积小、精度高的便携式测距机成为了研究的主题。在1999年，为提高测量精度，详细

的判别了误差来源，认为测距的误差主要是由于接收系统响应时间和自量化时钟的频率稳定度以及脉宽的影响。2005年，清华大学赵大龙、秦来贵等人对激光测距机的接受问题做了初步分析，并提出了自触发测距的方案，减少了测距所带来的误差。2007年，中国科学院上海物理研究所采用了专用的时间间隔测量芯片TDC-GP1，不仅增加了测距范围，提高了测量精度，还便于控制和使用。2008年，中科院成功研制出了基于时幅转换的激光测距系统，精度达到±5 mm，处于国际先进水平。

二、工作原理

传输时间激光传感器工作时，先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号。记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。传输时间激光传感器必须极其精确地测定传输时间，因为光速太快。

例如，光速约为3´108m/s，要想使分辨率达到1mm，则传输时间测距传感器的电子电路必须能分辨出以下极短的时间：

0.001m¸(3´108m/s)=3ps

要分辨出3ps的时间，这是对电子技术提出的过高要求，实现起来造价太高。但是如今廉价的传输时间激光传感器巧妙地避开了这一障碍，利用一种简单的统计学原理，即平均法则实现了1mm的分辨率，并且能保证响应速度。

三、解决其它技术无法解决的问题

传输时间激光距离传感器可用于其它技术无法应用的场合。例如，当目标很近时，计算来自目标反射光的普通光电传感器也能完成大量的精密位置检测任务。但是，当目标距离较远内或目标颜色变化时，普通光电传感器就难以应付了。

虽然先进的背景噪声抑制传感器和三角测量传感器在目标颜色变化的情况下能较好地工作，但是，在目标角度不固定或目标太亮时，其性能的可预测性变差。此外，三角测量传感器一般量程只限于0.5m以内。

超声波传感器虽然也经常用于检测距离较远的物体，而且由于它不是光学装置，所以不受颜色变化的影响。但是，超声波传感器是依据声速测量距离的，因此存在一些固有的缺点，不能用于以下场合。

①待测目标与传感器的换能器不相垂直的场合。因为超声波检测的目标必须处于与传感器垂直方位偏角不大于10°角以内。

②需要光束直径很小的场合。因为一般超声波束在离开传感器2m远时直径为0.76cm。

③需要可见光斑进行位置校准的场合。

④多风的场合。

⑤真空场合。

⑥温度梯度较大的场合。因为这种情况下会造成声速的变化。

⑦需要快速响应的场合。

而激光距离传感器能解决上述所有场合的检测。

四、激光测距传感器缺点

①太短距离无法使用