脉冲半导体激光测距机的典型应用
1 船舶和海洋应用
(1)1984 年 ,美国 EXXON 公司研制了一种基于激光测距仪的脉冲半导体激光角度距离测量系统 ,到 1993 年 ,已有 8家公司将其应用于离岸海洋石油勘探 ,其中有墨西哥海湾和新加坡北部海域。该系统采用 30°(垂直) ×0.5 mrad (水平) 扇形激光束 ,装置安装在船尾。激光束在水平方向进行扫描 ,扫描范围达 180°。船后拖着的浮标装有后向反射镜 ,它将激光束反射到接收机探测器上 ,实现距离测量。每扫到一个浮标即测出一个距离值 ,每个浮标的角位置是由轴角编码器确定的。系统测距范围 25～900 m ,测距精度 ±0. 5 m ,角位置精度 0. 02°。
(2)20 世纪 90 年代初 ,美国 Schwartz Electro2Optics 公司研制了一种激光海浪测量装置 ,提供给美国国家数据中心。将该装置置于远海 ,在无人看管的情况下 ,实现对海浪高度和周期的连续测量。这些数据对天气预报机构非常有用 ,海浪数据还可用于离岸石油平台定位、结构设计。该装置经改进由 Shell Oil公司安装在墨西哥海湾的石油平台上。装置发射和接收光路采用并行结构 ,激光束垂直向下照向海面 ,激光波束角 20 mrad ,在 6～50 m 的距离范围内照在海面上的光斑直径为 12～100 cm。为适应船上环境 ,全套装置放在一个密封的盒体中 ,收发窗口使用时要加热 ,以防结雾和防冻。
2 交通管制方面
(1)汽车速度和高度测量
从 20 世纪 80 年代开始 ,SEO 公司为美国联邦政府高速公路管理局研制了一套激光自动传感系统。该系统能探测到运动或静止目标 ,并适于智能化高速公路的车辆速度和高度的测量。该装置采用脉冲半导体激光测距技术 ,激光束由上向下照向地面并测距 ,如发现距离读数减少 ,表明有车辆。车速测量是通过两束激光返回的时间间隔计算测得的 ,微处理器可以确定车辆的存在、车速和车辆的种类。初期测试工作是在美国佛罗里达州的奥兰多完成的 ,测试表明有 99. 4 %的车辆 (包括 :小轿车、卡车、公共汽车和摩托车) 在通过传感器下方时被探测到 ,在车速为 50 m/ h 时 ,测速误差为 ±1 m/ h。
(2) 廉价手持式车辆测速用激光测距装置
美国亚特兰大激光公司于 20 世纪 80 年代开始研制警用半导体激光测速装置 ,用于对车辆的测距和测速 ,克服了以前微波多普勒测速雷达和超声波探测器的一些缺点 ,比如发射波束角太宽 ,很难定位指定目标 ,测速数据有时出错。经过 8 年研制 , 截止到1992 年 ,已生产警用“ProLaser”和非警用“Atlas1000” 产品。目前已有很多美国执法部门购买了这种装置?！?/span>
该装置可以精确测定接近或远离车辆的距离和速度 ,其测距范围可达 960 m ,精度为 0. 76 m ,测距速率 381 次/ s ,测速精度 ±1. 6 km/ h ,测速速率 3 次/ s。该装置采用收发同轴光学系统 , 孔径 75 mm ; 采用GaAs 激光器 ,发射频率 381 Hz ,脉冲宽度 20 ns ,峰值功率 60 W ,接收视场 4 mrad ;采用 30 nm 窄带滤波片和雪崩光电探测器 ;测距电路采用 8 倍线性展宽电路 ,晶振为 25 MHz ,其最终测距误差相当于 200 MHz晶振计数方式的误差。测距数据经 16 位单片机80196 进行运算 ,提供速度数据。
3 工业应用
(1)炼钢炉内表面轮廓测量
炼钢炉是大型钢容器 ,直径大约 6 m ,内部砌阻热砖 ,砖厚在 50～100 cm 范围。在炼钢过程中 ,砖被磨损 ,一般 50 天左右要更换。为节约经费 ,要尽可能延长使用时间 ,同时要防止温度过高而烧坏钢容器。激光测距装置可用来监视磨损过程 ,选择最佳时间更换隔热砖。要求测量时间尽可能短 , 最好小于 10 min ,以防降温太多。测量时砖温大 约 1 100 ～1 400 ℃,从而会使接收机背景噪声增大 ,要采取滤噪措施。
与奥鲁大学及 Noptel Ltd. 联合开发的 LR22000 ,制造商是 Rautaruukki New Technology Ltd. 。该装置由激光光学头、测距电路及 PC 机组成 ,彼此用光纤联接。光学头由步进电机控制 ,可进行快速扫描 ,测量过程按预设程序自动完成。测距范围 10～15 m ,精度是 ±1 cm ,每测一个点大约需要 0. 5 s。系统质量100 kg(包括热防护层) 。
(2) 船舶制造过程的精确控制
这种装置主要用于造船厂对船体某个装配阶段水平度的连续精确测量 ,可以减少不必要的安装和返工 ,减少生产周期和成本。该装置由 Prometrics Ltd.生产 ,由三个部分组成 :装在三角支架上的光学测量头、测距电路及手持显示装置。光学测量头包括在所测距范围内可自动调焦的同轴光学系统和轴角编码器 ,可用于三维测量。用手动方式通过装在上面的He2Ne 红光指示器把光学测量头对准待测点 ,电路部分的计算机可以精确地确定所测物体的形状 ,把它与设计尺寸相比较 ,以此为依据调整船体位置。对均匀漫反射目标 ,其测量距离大约 30 m ,在 1 s 的测量时间内 ,距离分辨率可达 1 mm。
4 军事应用
(1)直升飞机防撞告警装置
直升飞机失事主要是因螺旋浆在盘旋或着陆时撞击物体。20 世纪 80 年代开始 ,美国 SEO 公司开发了一种障碍物接近传感器 ,该传感器可以在 106. 7 m距离内为飞行员提供声音和视觉告警 ,同时为接近直升飞机危险区的人们提供声音告警。告警装置使用一个旋转镜 ,使激光束在 360°水平面内扫描 ,完成全方位测距。每旋转一周可连续提供障碍物 4 096 个距离和角度值 ,每秒两周。一台微机将数据输出显示在视频显示器上 ,实验装置已能探测到 106. 7 m 以外低反射率 (10 %) 的目标 ,甚至探测到了 22. 9 m 外的 1 cm 直径的铝质电缆。
采用半导体激光扫描装置可防止直升机夜间飞行时与沙丘碰撞 , 研制这种装置的有美国的 Laser Technology 公司、Laser Atlanta 公司 ,此外美国的休斯公司、Schwartz 公司、Sparta 公司、洛雷尔公司 及法国的汤姆逊公司等在 20 世纪 80 年代末到 90 年代初还分别研制出扫描测距装置 ,用于飞机战场侦察、低空飞行器下视和防撞以及主动激光制导。
5 结束语
在国外脉冲半导体激光测距技术已进入应用阶段 ,有几种产品已投放市场。文中列举了几种典型应用 ,希望对同行及各行业有所启发。
