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激光測距的原理

&常見應用

激光，英文名稱為Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（簡稱LASER），意思為原子受激輻射的光，故稱激光，激光的產生原理，是原子中的電子吸收能量后從低能級躍遷到高能級，再從高能級回落到低能級的時候，所釋放的能量以光子的形式放出，被引誘（激發）出來的光子束（激光）。

激光與普通光源相比，具有單色性、高亮度、方向性等優勢，被廣泛應用于工業生產和科研實驗等各個領域，激光測距便是其中應用較為廣泛的一項技術。

1.激光測距技術的特點

激光測距技術是一項非接觸式的工業測量技術，與傳統的接觸式測距技術相比，具有以下的特點【1】：

（1）激光測距時，無需與測量表面進行接觸，物體的表面不會產生形變

（2）激光測距時，被測物體表面不會發生磨損，降低了額外的損失

（3）在很多特殊的環境下，沒有條件用常規測量工具接觸測量，只能使用激光測距技術

2.激光測距技術的原理

激光測距目前主要的測量方法有：激光脈沖測距、激光相位測距、激光三角法測距等，不同的測量方法對應不同常用的測量范圍和精度。

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

下面，簡單介紹一下這三種測量方法的測量原理。

（1）激光脈沖測距法【2】

激光脈沖測距法工作時，先由激光發射二極管對準目標發射激光脈沖。經目標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，被光學系統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部具有放大功能的光學傳感器，因此它能檢測極其微弱的光信號，并將其轉化為相應的電信號。通過測量光脈沖往返待測點的時間，乘以光速并除以2，計算出被測目標的距離，計算公式如下：

D=ct/2

D:測量點A、B間的距離，c：光速，t：光脈沖往返AB兩點間1次所需時間，

（2）激光相位測距【3】

圖1：虹科—Dimetix相位式激光測距傳感器

激光相位測距的原理，是將一低頻調制信號對發射光波的光強進行調制, 利用測定“調制光波”往返于被測距離的相位差, 間接求得待測距離D。其距離的一般計算公式為:

其中，?：調制光在距離為 2D 上的相位差, c : 調制光的傳播速度, t : 調制光在待測距離往返一次所需要的時間, f : 調制光的頻率。

在圖 2 中, A 表示調制光波的發射點, B 表示安置反射器的地點, A′表示所發出的調制光波經反射器反射后的接收地點。AA′兩點間的距離即是待測距離D的2倍。故: ? =N1 2π+Δ?1 , 由于N1并不是一個定值, 所以這可能引起多值解。為解決這一問題, 我們常采用多個頻率的調制信號來測定同一距離。該頻率在相位測距中也稱為測尺頻率，測尺頻率的波長稱為測尺長度，當被測距離小于測尺長度時, 則不存在多值解，由于測尺長度越大，測量精度就越低，所以出于精度的考慮，我們需要將測尺長度控制在合適的范圍內。

圖2：激光相位測距的原理圖【3】

（3）激光三角法測距【1】

使一束激光以特定角度照射到待測物體的參考位置上，然后激光在待測物體上會發生散射、漫反射，將光敏傳感器件放置在另一特定位置接收經透鏡匯聚后的散射光、漫反射光。待測物體發生位移后，再使一束激光以特定角度照射到待測物體的待測位置上，將光敏傳感器期間放置在同一特定位置接收此時的散射光、漫反射光，因為待測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系中，從而計算出物體的位移距離。

3.相位式激光測距傳感器的應用：

相位式激光測距傳感器的應用非常廣泛，其測量距離從幾十米到幾百米不等，精度一般在毫米級，與工業中大多數的應用需求相符合，相位式激光測距傳感器的用途包括尺寸測量、位置測量、液位測量、形變監測、海嘯/泥石流等自然災害監測、定位等，根據不同的應用領域和工況，其作用也不同：

（1）金屬工業

例如金屬切割應用中，我們常常需要切割指定規格指定長度的金屬，通過將激光測距設備安裝在切割設備上，對切割長度進行監測，準確進行切割。此外還包括鋼鐵的鍛造和灌裝等，由于金屬鍛造時溫度很高，激光測距傳感器可以無接觸的對金屬的鍛造工藝過程進行監測和控制，提高了工藝生產的效率。