激光測距講解

1、激光測距技術(shù)在空間的應(yīng)用隨著空間技術(shù)和航天工業(yè)的發(fā)展。空間距離測量已成為空間領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容。傳統(tǒng)雷達測距在太空中極易受到高能粒子和電磁波的干擾，測量精 度低，無法滿足高精度測量的要求。宇宙空間空氣稀薄、溫度變化劇烈，無法進行超聲波測距。因此。測量空間距離需要一種適合空間環(huán)境、抗干擾能 力強和測量精度高的測距方法。激光測距技術(shù)是一種自動非接觸測量方法，對電磁干擾不敏感，抗干擾能力強，測量精度高。與一般光學(xué)測距技術(shù)相比，它具有操作方便、系統(tǒng)簡 單及白天和夜晚都可以工作的優(yōu)點。與雷達測距相比，激光測距具有良好的抗干擾性和很高的精度。在重復(fù)測距的同時，以細激光束對空間掃描，同時獲得目標的距離、角度

2、和速度等信息，這就是激光雷達。激光雷達能實現(xiàn)很多傳統(tǒng)雷達達不到的 性能要求。激光的發(fā)散角小、能量集中。能夠?qū)崿F(xiàn)極高的探測靈敏度和分辨率；其極短的波長使得天線和系統(tǒng)尺寸可以很小，這些都是傳統(tǒng)雷達所不可 比擬的。與微波雷達相比，激光測距儀方向性好、體積小、重量輕。非常適用于搭載在航天器上進行空間目標距離測量。激光測距技術(shù)綜合了激光器技術(shù)、光子探測技術(shù)、信號處理技術(shù)等多項技術(shù)。測距精度高。測程大，可靠性高，能夠滿足空間目標高精度、大測程 測距的要求。在空間測量領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。11研究背景及意義激光是一種自然界原本不存在的，因受激而發(fā)出的具有方向性好、亮度高、單 色性好和相干性好等特性的光，激光的

3、特點有： 1方向性好普通光源 （ 太陽、白熾燈或熒光燈 ） 向四面八方發(fā)光，而激光的發(fā)光方向可以限制在小于幾個毫弧度立體角內(nèi)，這就使得在照射方向上的 照度提高千萬倍。激光準直、導(dǎo)向和測距就是利用方向性好這一特性。2亮度高一一激光是當(dāng)代最亮的光源，只有氫彈爆炸瞬間強烈的閃光才能與它相比擬。太陽光亮度大約是103瓦/（厘米2 球面度），而一臺大功率激光器的輸出光亮度經(jīng)太陽光高出 714個數(shù)量級。這樣，盡管激光的總能量并不一定很大，但由于能量高度集中，很容易在某一微小點處產(chǎn)生高壓和幾萬攝 氏度甚至幾百萬攝氏度高溫。激光打孔、切割、焊接和激光外科手術(shù)就是利用了這一特性。3 單色性好一一光是一種電磁波。

4、光的顏色取決于它的波長。普通光源發(fā)出的光通常包含著各種波長，是各種顏色光的混合。太陽光包含紅、登、黃、 綠、青、藍、紫七種顏色的可見光及紅外光、紫外光等不可見光。而某種激光的波長，只集中在十分窄的光譜波段或頻率范圍內(nèi)。如氦氖激光的波長為 632 8納米，其波長變化范圍不到萬分之一納米。由于激光的單色性好，為精密度儀器測量和激勵某些化學(xué)反應(yīng)等科學(xué)實驗提供了極為有利的手段。4 相干性好一一干涉是波動現(xiàn)象的一種屬性?；诩す饩哂懈叻较蛐院透邌紊缘奶匦?，它必然相干性極好。上世紀九十年代初，歐美等幾大公司相繼 生產(chǎn)出可供商用的半導(dǎo)體激光二極管，使激光的實際應(yīng)用價值發(fā)生了革命性的進步。其他種類的激光器由

5、于產(chǎn)生激光的機理過于復(fù)雜，使其體積，重量特別大，功耗高等原因，大大限制了激光的應(yīng)用。而半導(dǎo)體激光器的出現(xiàn)使這些問題迎刃而解。隨著半導(dǎo)體激光器的技術(shù)進一步成熟，價格逐步降低，其應(yīng)用批量和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，就目前的發(fā)展速度來看，應(yīng)用前景十分看好。半導(dǎo)體激光器體積小、重量輕、可靠性高、轉(zhuǎn)換效率高、功耗低、驅(qū)動電源簡單、能直接調(diào)制、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、使用安全、其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。如光存儲、激光打印、激光照排、激光測距、條碼掃描、工業(yè)探測、測試測量儀器、激光顯示、舞臺燈光及激光表演、激光水平尺及各種標線定位等。半導(dǎo)體激光器的一些獨特優(yōu)點使之非常適合于軍事上的應(yīng)用，如野外測距、槍炮等的瞄準、射擊模擬系統(tǒng)

6、、致盲、對潛通信制導(dǎo)、引信、安防等。由于可用普通電泡驅(qū)動，使一些便攜式武器設(shè)備配置成為可能。目前已開發(fā)出并投放市場的半導(dǎo)體激光器的波段有 370nto、390r 珊、405r 珊、430nto、480hm 635r 皿、650hm 670hm 780hm 808nm 850hm 980rm、1310hm 1550hm等，其中1310hm 1550hm主要用于光纖通訊領(lǐng)域。 405nm一670n,.為可見光波段，780nm一 1550hn為紅外光波段，390rm一370hm為紫外光波段。激 光器是強度很高的光源輻射器件，大功率的激光器可以用于切割焊接金屬材料，所以激光對人體，特別是人眼有嚴重傷害

7、，使用時需特別小心。國際上對激光有統(tǒng)一的分類和統(tǒng)一的安全警示標志，激光器分為四類（ClassiClass4），類激光器對人是安全的，二類激光器對人有較輕的傷害，三類以上的激光器對人有嚴重傷害，使用時需特別注意，避免對人眼直射。一、激光測距技術(shù)的基本原理激光測距是利用激光的單色性和相干性好、方向性強等特點瞪】，以實現(xiàn)高精度的計量和檢測，如測量長度、距離、速度、角度等等。激光測距在技術(shù) 途徑上可分為脈沖式激光測距和連續(xù)波相位式激光測距。脈沖式激光測距原理與雷達測距相似，測距儀向目標發(fā)射激光信號，碰到目標就要被反射回來， 由于光的傳播速度是已知的，所以只要記錄下光信號的往返時間，用光速（30萬千米秒

8、 ）乘以往返時間的二分之一，就是所要測量的距離?，F(xiàn)在廣泛使用的手持式和便攜式測距儀，作用距離為數(shù)百米至數(shù)十千米，測量精度為五米左右。我國研制的對衛(wèi)星測距的高精度測距儀，測量精度可達到幾厘米。連續(xù)波相位式激光測距是用連續(xù)調(diào)制的激光波束照射被測目標，從測量光束往返中造成的相位變化，可換算出被測目標的距離。為了確保測量精度，一般要在被測目標上安裝激光反射器。它測量的相對誤差為百萬分之一。激光測距儀與微波雷達結(jié)合，還可以發(fā)揮激光波速窄的特長，彌補微波雷達低仰角工作時受地面干擾的不足。激光測距與光學(xué)經(jīng)緯儀、紅外及電視跟蹤系統(tǒng)相結(jié)合，組成光電跟蹤測量系統(tǒng)，既可作為靶場試驗的測量設(shè)備，又常用作 武器的光電火

9、力控制系統(tǒng)。這種激光測距儀已廣泛用于地面火炮、坦克炮的火控系統(tǒng)，大大提高了命中率。激光測距技術(shù)按照測程可以分為絕對距離測量法和微位移測量法。按照測距方法細分。絕對距離測距法主要有脈沖式激光測距和相位式激光測距， 微位移測量法主要有三角法激光測距和干涉法激光測距。脈沖激光測距的原理是：由脈沖激光器發(fā)出一持續(xù)時間極短的脈沖激光（主波），經(jīng)過待測距離L后射到被測目標，有一部分能量會被反射回來，被反射回來的脈沖激光稱為回波?；夭ǚ祷販y距儀。由光電探測器接收。根據(jù)主波信號和回波信號之間的間隔。即激光脈沖從激光器到被測目標之間的往返 時間t，就可以算出待測目標的距離。D=1/2ct式中C為光速。脈沖法精度

10、一般在米量級。相位激光測距的原理是：對發(fā)射的激光進行光強調(diào)制，利用激光空間傳播時調(diào)制信號的相位變化量。根據(jù)調(diào)制波的波長，計算出該相位延遲所代表 的距離。即用相位延遲測量的間接方法代替直接測量激光往返所需的時間，實現(xiàn)距離的測量。這種方法精度可達到毫米級。三角法激光測距是由激光器發(fā)出的光線，經(jīng)過會聚透鏡聚焦后入射到被測物體表面上，接收透鏡接收來自入射光點處的散射光，并將其成像在光電 位置探測器敏感面上。當(dāng)物體移動時，通過光點在成像面上的位移來計算出物體移動的相對距離。三角法激光測距的分辨率很高，可以達到微米數(shù)量級。干涉法激光測距是通過移動被測目標并對相干光進行測量，經(jīng)計數(shù)完成距離增量的測量，因此干

11、涉法測量的靈敏度非常高，可以達到納米級。 固體激光器和半導(dǎo)體激光器技術(shù)的發(fā)展以及高功率、高亮度、高效率半導(dǎo)體激光二極管的出現(xiàn)。使得激光測距裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、壽命長、 效率高等特點，非常適合空間環(huán)境的應(yīng)用。從 20世紀 80年代后期開始。除了美國之外，歐洲和日本也開始研究開發(fā)空間用激光測距裝置。激光測距裝置 在空間任務(wù)中的運用越來越廣泛。二、激光測距在空間技術(shù)中的應(yīng)用簡況1 空間碎片探測 空間碎片俗稱太空垃圾，是指宇宙空間中除正常工作的飛行器外的所有人造物體，大到廢棄的衛(wèi)星、運載火箭末級。小到固體火箭發(fā)動機燃燒后的 三氧化二鋁小顆?；驈暮教炱魃蟿兟湎聛淼钠崞？臻g碎片的存在嚴重威脅著在軌

12、運行航天器的安全?？臻g碎片的不斷產(chǎn)生對有限的軌道資源也構(gòu)成了嚴重威脅，尤其是當(dāng)某一軌道高度的空間碎片 密度達到一個臨界密度時，碎片之間的鏈式碰撞過程將會造成軌道資源的永久破壞。裏1交會對接過捏與導(dǎo)航方式盼段地面易引自動 專的韻終遇近對接鎖挾距離大于100-1km*100范圍lOOknl1km100m10m方式地而引導(dǎo)、GPS微波雷達，s WV激光rw481 tcc激呢光學(xué)ninrcotn為了安全、持續(xù)地開發(fā)和利用空間資源，必須不斷提高對空間碎片的跟蹤監(jiān)視技術(shù)，增強對空間碎片環(huán)境的分析預(yù)測能力，同時尋求控制空間碎片 的有效措施?？臻g碎片監(jiān)測可以通過地基監(jiān)測和天基監(jiān)測兩種方式。一般來說，大尺度空間

13、碎片主要依靠地基手段：中小尺度空間碎片探測可以依靠天基手段。 而基于激光測距技術(shù)的激光雷達探測系統(tǒng)在空間碎片探測方面具有獨特的優(yōu)點。它采用主動探測方式。不受光照條件限制。波束窄。探測距離遠?？臻g 分辨率高，測量精度高，并且可以同時進行測距和測速。如毛伊島光學(xué)站基于激光雷達的美國空軍地基光電深空監(jiān)視系統(tǒng)就采用了激光測距技術(shù)。該系統(tǒng)由光學(xué)分系統(tǒng)(AMOS和跟蹤識別分系統(tǒng)(MOTIF)組成。前者包括一臺1.58m卡塞格林望遠鏡、一臺激光發(fā)射器和一臺AMO獲取設(shè)備，主要用于測量、跟蹤、紅外目標識別和補償成像；后者由兩臺并聯(lián)安裝的1.22m卡塞格林望遠鏡組成，主要用于測量軌道高度在4800kin以下的衛(wèi)

14、星的反射特性、熱輻射特性并對其成像。美國彈道導(dǎo)彈防御局在 20世紀90年代初開始研制“快速光束操縱系統(tǒng)”(ROBS。它是一種基于激光雷達的天基探測系統(tǒng)。ROB在結(jié)構(gòu)上包括目標識別捕獲分系統(tǒng)、跟蹤成像分系統(tǒng)和激光雷達分系統(tǒng)三部分，其中激光雷達分系統(tǒng)用來測量目標距空間站的距離和目標的多普勒頻移，進而確定目標的運 動速度和軌跡。另外，Visdyne公司和菲利浦斯實驗室還聯(lián)合提出了一種用于監(jiān)測尺寸小于10cm的空間碎片的監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由成像分系統(tǒng)、信號處理分系統(tǒng)和激光雷達分系統(tǒng)三部分組成。2空間交會對接航天器空間交會對接技術(shù)是發(fā)展空間技術(shù)的關(guān)鍵途徑。它包括兩部分相互銜接的空間操作：空間交會和空間對接

15、。所謂交會是指航天器之間在軌道 上按預(yù)定要求相互接近的過程，即兩個或兩個以上航天器通過軌道參數(shù)的協(xié)調(diào)在同一時間到達同一空間位置的過程。而對接則是在交會的基礎(chǔ)上，通過 專門的對接裝置將其在結(jié)構(gòu)上連成一個整體。由上表可以看出，基于激光測距技術(shù)的激光雷達在整個交會對接過程中起著很關(guān)鍵的作用，特別是在幾十公里到幾米這一范圍內(nèi)起著主要導(dǎo)航作用。 這是由交會對接的實際要求和激光雷達的性能所決定的。因為在這個階段，交會對接的精度要求很高，很短的距離對于微波雷達來說是測量盲區(qū)，而且 其精度也遠遠不能滿足要求。激光雷達由于自身的優(yōu)點，如動態(tài)范圍很寬、精度，極高等，最適合于交會對接。由于在太空中不存在大氣的影響。

16、加上激光雷達自身的巨大優(yōu)勢，使得激光雷達在空間交會對接中獲得了廣泛的應(yīng)用。表2為在各國空間交會對接中激光雷達的使用情況。表2各國的空間交會激光雷達系統(tǒng)名稱消息來源作用距離工作方式激光對接系統(tǒng)美國約翰遜空間中心9 1986年遠距離：22 100km,近距離：1000m連續(xù)波半導(dǎo)體激光器光源； 光電二極管接收.檢流計 式掃描，位吐敏感探測器 和沃拉斯頓棱鏡姿態(tài)測址多目標和單目標 定向敏感器吳國航空航夭局(NASA). 1986 年多目標：1006m,單目標：6M)m析像管接收，相位式測距. 遠距離為析像管測角空間交會對接用 掃描激光雷達門本宇宙航空研究所，1987年遠距離：20km-2COm近距離

17、：2000m連續(xù)波-停鋁郎激光二極 席，寓刪光電二級符 (APD)接收，相位法測 距，檢流計式掃描自主交會對接光電敏感器徳國MBB公司，1983 年20km接近連續(xù)波-稼鋁碑激光二極管 光源.APD接收，檢流計 式掃描.姿態(tài)測掀用CCD交會對接跟蹤激光信達日本電氣、三菱電機公司,1989年30km0.2m 碑化緣激光二級飯光源. 四象限檢測和CCD成像. 音頻測距交會對接光學(xué)敏感器系統(tǒng)日本宇宙開發(fā)那業(yè) 團(NASDA).1995 年6OOO3m半導(dǎo)體激光連續(xù)測距，CCD成像有源傳感器用于空間交會對接NASA. 1997 年1100m 仰角8。 方位角10.5850nm脈沖光源，安裝角反射臥審B

18、曲篩儉網(wǎng)目前美、俄所實現(xiàn)的空間交會對接都需要宇航員手動介入，而在未來的許多太空任務(wù)如衛(wèi)星服務(wù)計劃、空間站自動補給、深空探索、無人飛船等， 則需要無人自主交會對接。因此，美、俄、日及歐洲空間局等都在發(fā)展自主自動交會對接測量系統(tǒng)，特別是復(fù)合式激光雷達測量系統(tǒng)。3 對地觀測及深空探測 利用衛(wèi)星或航天飛機等航天器搭載激光測距裝置在空間軌道上對地球或其他星球表面進行觀測，這種激光測距裝置通常稱激光高度計。它測量航天 器到表面的距離，再根據(jù)航天器的位置和飛行姿態(tài)。計算出表面點的坐標。與地面及機載激光測距設(shè)備相比。星載激光器具有不少優(yōu)勢：首先。可在衛(wèi) 星上采集和處理數(shù)據(jù)。具有觀察

19、整個天體的能力，有助于制作天體的綜合地形圖。所以月球和火星等探測計劃都包含了激光高度計；其次，在北極等不 能用飛機執(zhí)行觀測任務(wù)的地方，可用星載激光高度計觀察北極地區(qū)冰層和海洋冰川的變化。因此。星載激光高度計在天體特征研究、陸地表面冰川海平 面高度變化和植被分布狀況研究、云層和氣溶膠的垂直分布和光學(xué)密度研究以及特殊氣候現(xiàn)象監(jiān)測等方面可發(fā)揮重要作用。早在20世紀70年代，激光測距裝置就在阿波羅登月工程中得到應(yīng)用。1971-1972 年間發(fā)射的阿波羅 15、16和17號飛船上，均搭載了閃光燈泵浦的紅寶石激光高度計。不過，閃光燈泵浦器件的壽命和效率問題極大地限制了它在空間環(huán)境中的應(yīng)用。據(jù)報道，阿波羅上

20、的激光高度計壽命僅為10個脈沖。20世紀90年代美國航空航天局（NASA）先后發(fā)射了裝有火星軌道器激光高度計（MOLA和MOLA-2）的探測器對火星進行探測：于1996和1997年分別發(fā)射了返回式激光測高衛(wèi)星 SLA-01和SLA-02，用于觀測地表植被和其它自然特性。后來，載有“地學(xué)激光測高系統(tǒng)”（GLAS）的“冰衛(wèi)星” （ICESat）于2003年1月13日發(fā)射升空。其使命是監(jiān)測冰川，觀測云層中懸浮微粒的垂直分布密度和光學(xué)密度，并測量植被分布和地面地形。1996年美國的“近地小行星交會探測器”（NEAR發(fā)射升空，于2000年成功進入愛神小行星的運行軌道，進行為期1年的近距離小行星觀測計劃。

21、激光測距儀作為其裝載的 5套精密觀測系統(tǒng)之一。用以觀測計算愛神星的體積大小和了解其密度。NEAR系統(tǒng)中的激光測距儀主要由 5個部分組成：帶光纖延遲的激光發(fā)射和激光電源部分、光學(xué)接收部分、帶探測器件的模擬電路及處理器、數(shù)字處理 電路和低電壓供電電源。這是世界上第一個進入小行星軌道的激光測距儀，在繞小行星軌道工作的1年時間中一直持續(xù)工作。我國最近發(fā)射的嫦娥一號探月衛(wèi)星的重要有效載荷一一月球軌道激光高度計是我國第一套進入太空的激光應(yīng)用系統(tǒng)。通過激光高度計與CC垃體相機相結(jié)合，可以獲取月球表面的三維影像和地形高度數(shù)據(jù)。嫦娥一號上的激光高度計開機兩個多月來，至今已隨星圍繞月球轉(zhuǎn)了720圈以上，差不多把月

22、球覆蓋了兩遍（包括南北極 ）。它幾乎每隔一秒就向月面發(fā)射一束激光并接收反射光， 使得月球上間隔十幾公里就可以“有”一個點， 而且分辨率精確到 5米。目前“激光足印”的密度已達每平方公里0.87個點，收發(fā)之間的成功采集率達 99左右。4 衛(wèi)星星座與編隊飛行 衛(wèi)星編隊飛行是近年來國內(nèi)外航天技術(shù)研究的重點問題之一。其目的是采用多顆小衛(wèi)星編隊飛行組成星座來實現(xiàn)傳統(tǒng)單顆大衛(wèi)星所不具備的強大功能。隨著微型航天器技術(shù)的不斷發(fā)展，由幾顆甚至十幾顆低成本微型航天器構(gòu)成的編隊星座受到廣泛重視。它能在同一時刻對同一目標實現(xiàn)立體探測， 并能提供大孔徑和長測量基線，在通信、遙感、導(dǎo)航、電子偵察、立體成像、精確定位以及大

23、氣、天文和地球物理觀測等領(lǐng)域都有著非常重要的意義。 星間實時、高精度的距離自主測量是編隊飛行衛(wèi)星進行隊形保持、協(xié)同控制的重要保障。利用激光相干性好和方向性強的特點，可以通過激光相位實現(xiàn) 高精度的星間測量，并通過激光的干涉來實現(xiàn)距離相對固定的兩星間距離變化測量。美國和日本都在這方面進行了很多研究和實驗。(1) “激光干涉儀空間天線” (LISA) 計劃由歐空局和NAS洪同實施、預(yù)計在201 1年左右發(fā)射的LISA計劃用于探測空間由雙星系統(tǒng)產(chǎn)生的重力波，對擁有強大能量的黑洞進行研究以驗證愛因 斯坦的廣義相對論，以及對早期宇宙進行探測等。LISA任務(wù)由3個航天器組成。它們運行在以太陽為中心的軌道上，

24、每個航天器之間的相對距離為500萬公里。LISA相當(dāng)于一個天基邁克爾遜干涉儀，通過激光干涉技術(shù)來測量相對距離的變化。(2) “微掃描激光測距儀” (MS -LRF)MS-LR是日本宇宙科學(xué)研究本部 (ISAS)計劃用于微衛(wèi)星編隊中星間狀態(tài)測量的激光測量系統(tǒng)。由于激光波束窄，采用傳統(tǒng)的激光雷達無法同時觀測 多顆衛(wèi)星，因此對于編隊衛(wèi)星而言。需要采用掃描型的激光探測設(shè)備，通過掃描裝置的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)多個目標的搜索與測量。MS-LR是基于微機械技術(shù)的雙軸掃描測量系統(tǒng)(如圖4所示)。該系統(tǒng)主要由光學(xué)掃描裝置、微透鏡、分光鏡、激光二極管、雪崩式光電二極管、用于驅(qū)動掃描器的壓電傳動裝置、驅(qū)動電路和信號處理環(huán)路組成。MS-LRF勺測量原理為：激光二極管產(chǎn)生的激光分別經(jīng)分光鏡和微掃描平面鏡的反射后射