記事では、レーザー範囲について説明します
2023-02-13
Maims Consultingによると、1960年に世界初のRubyレーザーが発表された直後に、メインのターゲットが生まれたときに精度の範囲を持つレーザー範囲の技術があります。レーザーレンジの * *は、軍隊で長い間使用されてきました。その後、強力な干渉能力と高精度により、航空宇宙、建物の測量、風力産業、インテリジェント輸送、工業製造など、多くの分野で大きな役割を果たしました。
産業用自動化とマシンビジョンの急速な発展により、レーザー範囲は、検出、測定、制御などの多くのアプリケーションで非常に重要な非接触検出方法であることが証明されています。同時に、レーザー速度測定、レーザー追跡、レーザー3次元イメージング、レーザーレーダー（LIDAR）などのハイエンドテクノロジーの前提として、レーザー範囲がますます注目されています。 Mimes Consultingは、いくつかの現在の主流レーザー範囲の方法の導入と議論に焦点を当てます。
1。レーザー範囲の方法の分類
基本原則によれば、レーザー範囲の方法は、図1に示すように、飛行時間（TOF）方法と空間ジオメトリ法の2つのカテゴリに分けることができます。空間的幾何学的方法には、主に三角測量と干渉法が含まれます。
Pulse Laser Rangingは、レーザーテクノロジー * * *が測量とマッピングの分野で長い間使用されている方法です。図2に示すように、放出された光と受信光パルスの間の時間間隔を直接測定することにより、ターゲット距離の情報を取得します。測定距離は次のように表現できます。
ここで、dは測定距離であり、Cは空気中の光伝播速度であり、∆ tは放射から受信までのレーザービームの往復時間です。
パルスレーザーは、排出角度が小さく、宇宙に比較的集中したエネルギー、高瞬間的な出力を持っています。これらの特性は、さまざまな中程度の距離レーザー範囲、レーザーレーダーなどを作成するために使用できます。ただし、パルスレーザー範囲の方法は、高周波クロックドライブカウンターを介して受信と受信パルスの間の時間をカウントします。
現在、パルスレーザー範囲は、図3に示すように、地形および地形学的調査、地質探査、工学研究、航空機の高度調査、衛星相関、衛星相関、衛星相関、衛星相関、衛星相関、衛星相関、衛星相関、衛星の相関、距離測定など、長距離および低精度の調査で広く使用されています。
3。位相レーザー範囲 - 間接TOFメソッド
位相レーザーレンジングは、ラジオバンドの周波数を使用してレーザービームの振幅を変調し、1ラウンドトリップで変調光によって生成される位相遅延を測定し、変調光の波長に応じて位相遅延によって表される距離を変換します。この方法は、位相差を測定することにより間接的に時間を測定するため、間接TOFメソッドとも呼ばれます。
図4に示すように、変調周波数がfであると仮定すると、変調された波形λ= c/ f、cは光の速度であり、変調光波信号の測定位相シフトはΔφです。次に、測定点とターゲット間のレーザーの往復時間はΔt=ΔT= ∆φ/2πfで計算できます。
ただし、ターゲット距離dが増加すると、位相遅延の値は正弦波変調光波の1つの期間、つまり∆φ =2π（n+∆ n）、nおよび∆ nはそれぞれサイクルの積分および分数部分であるため、測定距離dは次のとおりです。
ここで、l = c/ 2f =λ/ 2は測定ルーラーの長さと呼ばれ、位相範囲の長さはλ/距離dを2のルーラーで測定すると見なすことができます。距離はnと∆ Nを決定することで得ることができます。この問題を解決するには、複数の周波数の変調光波信号で同じ距離を測定する必要があります。これは、位相範囲の定規周波数とも呼ばれます。測定された距離が定規の長さである場合n = 0の場合、ソリューション値は * * *です。位相測定の精度が固定されている場合、測定ルーラーの頻度が低いほど、高精度の範囲で許可されていない範囲の誤差が大きくなります。それどころか、選択された定規の頻度が高いほど、測定精度は高くなりますが、現時点でのN値は1より大きくなり、複数のソリューションの問題があります。この矛盾を解決するために、実際のアプリケーションでは、通常、機器の範囲の精度を決定するルーラーと、それぞれ微細な測定ルーラーとラフ測定ルーラーと呼ばれる範囲を決定するいくつかの補助定規を決定し、2つを組み合わせて高精度測定を取得します。
位相レーザー範囲の測定精度は（サブ）ミリメートルレベルに達する可能性があり、測定範囲はデシメーターからキロメートルまでであるため、短範囲と中範囲で広く使用されています。
4。マルチ波長干渉レーザー範囲
干渉範囲は、古典的な精度範囲の方法の1つです。光の干渉原理によれば、固定位相差で2列の光の列、同じ周波数で、同じ振動方向または振動方向の間の小さな角度が互いに重なり、干渉現象を生成します。
図6に示すように、一般的に使用されるマイケルソン干渉計の概略図が示されています。レーザーから放出されるレーザーは、反射光S1に分割され、分光鏡を介して光S2を透過します。 2つのビームは、固定ミラーM1と可動ミラーM2によってそれぞれ反射され、2つは分光鏡に収束してコヒーレントビームを形成します。次に、ビーム強度を組み合わせたIは次のとおりです。
距離d =mλ（mは整数）の場合、ビーム振幅 * *、光強度 * *、明るいストライプを形成する場合。 d =（2m+1）λ/ 2時の場合、2つの光ビームの位相が反対で、2つのビームの振幅が互いにキャンセルされ、光強度は * * * *濃いストライプを形成します。この原則によれば、干渉測定レーザー範囲は、光電気検出器からの明るい干渉フリンジを電気信号に変換することであり、光電気カウンターによってカウントされ、距離と変位の測定を実現することです。
レーザーλの波長により、干渉レーザー範囲の分解能はNMに達する可能性があり、精度は非常に高くなります。ただし、上記の従来のレーザー干渉範囲の技術は、相対的な変位のみを測定し、ターゲットの距離情報を取得することはできません。同時に、連続測定の精度を確保するために、ターゲットは固定ガイドレールに沿って移動する必要があり、光学パスを中断することはできません。さらに、干渉原理に従って、測定技術は0〜2πの範囲の位相値を取得することができ、レーザーの往復距離を考慮すると、2の範囲内で距離が変化する距離が変化する場合にのみ測定することに相当します。このλ/ 2範囲は、通常、レーザー * *距離測定の明確な範囲と呼ばれます。次のように：
ここで、dは測定距離であり、mとεは測定距離に含まれる干渉フリンジの整数と小数の順序です。小数の順序は測定によって取得できますが、mは無期限の値です。
この矛盾を解決するために、通常、非農業範囲の高解像度と拡大の要件を満たすために、多波長干渉の方法が採用されます。多波長干渉法の基本原理は、小数点以下の複数の方法を使用して、その上に合成波長の概念を開発することです。
1970年代初頭にアメリカの科学者ワイアントとポルヘムスが実施した二重波長干渉実験から、多波長干渉測量（MWI）が始まりました。この方法では、異なる波長を持つ2つのレーザーλ1、λ2が同時に未知の距離の干渉測定を実行し、上記の式の測定距離dに持ち込みます。
2つの方程式を解くには、次のようになります。
合成等価波長はここで、MSとεSはそれぞれλS干渉フリンジ整数と小数順序です。
複合波長が範囲の波長と見なされる場合、未知の距離に対応する位相情報は、元の2つの波長の範囲の位相の差であるため、未知の距離を解くことができます。距離測定の非波線範囲は、合成波長の半分に拡張されます。式から、合成波長はλ1よりも大きくなければなりません。
同様に、測定範囲と精度を考慮するために、複数の定規の概念とともにこの方法をさらに開発することができます。マルチ波長レーザーを使用して、距離を同時に測定して、異なるスケールのマルチレベルの複合波長を生成できます。 * * * *の長い合成波長は、 * * * *の測定範囲を実現するために使用され、得られた距離測定結果は、短い合成波長の範囲測定結果を解くために、短い合成波長の範囲測定結果を解くために、 * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *の距離測定値として使用されます。
ただし、この方法には複数の波長のレーザーが必要です。つまり、複数のレーザー源が必要です。各レーザーソースに独自のレーザー周波数安定化デバイスが必要であり、複数のレーザーが高精度の光ビームの組み合わせが必要であることを考慮すると、レーザー * *距離測定システム全体の構造が比較的複雑であり、システムの信頼性と精度は必然的にある程度影響を受けます。
5。FMCWレーザー範囲
周波数変調連続波（FMCW）レーザー範囲は、 * * * *測定を実現できる別の干渉法です。光学干渉法と無線レーダー技術の利点を組み合わせています。 FMCW測定の基本原理は、レーザービームの周波数を調節することにより干渉法を実現することです。一般に、出力レーザービームの周波数が時間とともに変化するレーザーは光源として使用され、マイケルソン干渉計は基本的な干渉光学パスとして使用されます。周波数差情報は、参照ライトの異なる光パスと測定ライトに従って生成されます。 2つのビームの距離情報は、信号と処理を抽出した後に取得でき、 * *距離の測定を実現できます。
たとえば、Sawtooth変調を例として取ります。それは、鋸歯状形の時間とともに周波数が直線的に変化する正弦信号です。図7に示すように、測定された光の瞬間周波数と基準光は時間とともに変化します。
参照光の周波数をft、測定光の周波数、frとしての測定光の周波数、∆ fとしての変調帯域幅、tとしての変調期間、およびDとしての距離を設定します。
次に、生成されたビート信号はFIFです。
したがって、測定された距離：
周波数変調された連続波レーザー範囲は、レーザーをキャリアにし、すべての環境干渉は測定された信号の光強度にのみ影響しますが、周波数情報には影響しません。したがって、高い範囲の精度と環境光の干渉に抵抗する強力な能力を得ることができ、精度はミクロンレベルに達する可能性があります。現在、大きなサイズと高精度測定アプリケーションの研究ホットスポットです。ただし、この測定方法には、レーザービーム周波数の高い安定性と直線性が必要であるため、システムの実現がより複雑になり、測定範囲は期間Tによって制限されます。
6。三角レーザー範囲
三角形のレーザー範囲は、光源、測定されたオブジェクト表面、および光受信システムが一緒に三角形の光学経路を形成することを意味します。レーザー源によって放出される光は、コリメーションレンズによって焦点を合わせ、次に測定されたオブジェクト表面に入射します。光受信システムは、入射点から散乱した光を受け取り、光電子検出器の敏感な表面に画像します。これは、測定されたオブジェクト表面の移動距離を、イメージング表面の光点の変位を介して測定するための測定方法です。
入射レーザービームと測定されたオブジェクト表面の通常の線との角度関係によれば、一般に2つの範囲の方法があります。図8に示すように、斜めと直接的な方法。一般的に、直接レーザー三角測量法は、斜めのレーザー三角測量法よりも幾何学的アルゴリズムで単純です。業界では、直接的なレーザー範囲の方法がよく使用されます。
位相レーザー範囲と周波数変調連続波レーザー範囲と比較して、三角測量レーザー範囲には、単純な構造、速いテスト速度、柔軟で便利な使用、低コスト、低コストなど、多くの利点があります。測定すると、この範囲の方法は一般に屋内の緊密な作業に適しています。屋外または屋内の強い軽い背景での作業には適していません。したがって、三角測量レーザー範囲のアプリケーション範囲は主に小さな変位測定であり、オブジェクトの表面の輪郭、幅、厚さ、および自動車業界のボディモデル表面設計、レーザー切断、スイープロボットなどのその他の量の測定に広く使用されています。
産業用自動化とマシンビジョンの急速な発展により、レーザー範囲は、検出、測定、制御などの多くのアプリケーションで非常に重要な非接触検出方法であることが証明されています。同時に、レーザー速度測定、レーザー追跡、レーザー3次元イメージング、レーザーレーダー（LIDAR）などのハイエンドテクノロジーの前提として、レーザー範囲がますます注目されています。 Mimes Consultingは、いくつかの現在の主流レーザー範囲の方法の導入と議論に焦点を当てます。
1。レーザー範囲の方法の分類
基本原則によれば、レーザー範囲の方法は、図1に示すように、飛行時間（TOF）方法と空間ジオメトリ法の2つのカテゴリに分けることができます。空間的幾何学的方法には、主に三角測量と干渉法が含まれます。
2。パルスレーザー範囲 - ダイレクトTOFメソッド
Pulse Laser Rangingは、レーザーテクノロジー * * *が測量とマッピングの分野で長い間使用されている方法です。図2に示すように、放出された光と受信光パルスの間の時間間隔を直接測定することにより、ターゲット距離の情報を取得します。測定距離は次のように表現できます。
ここで、dは測定距離であり、Cは空気中の光伝播速度であり、∆ tは放射から受信までのレーザービームの往復時間です。
パルスレーザーは、排出角度が小さく、宇宙に比較的集中したエネルギー、高瞬間的な出力を持っています。これらの特性は、さまざまな中程度の距離レーザー範囲、レーザーレーダーなどを作成するために使用できます。ただし、パルスレーザー範囲の方法は、高周波クロックドライブカウンターを介して受信と受信パルスの間の時間をカウントします。
現在、パルスレーザー範囲は、図3に示すように、地形および地形学的調査、地質探査、工学研究、航空機の高度調査、衛星相関、衛星相関、衛星相関、衛星相関、衛星相関、衛星相関、衛星相関、衛星の相関、距離測定など、長距離および低精度の調査で広く使用されています。
3。位相レーザー範囲 - 間接TOFメソッド
位相レーザーレンジングは、ラジオバンドの周波数を使用してレーザービームの振幅を変調し、1ラウンドトリップで変調光によって生成される位相遅延を測定し、変調光の波長に応じて位相遅延によって表される距離を変換します。この方法は、位相差を測定することにより間接的に時間を測定するため、間接TOFメソッドとも呼ばれます。
図4に示すように、変調周波数がfであると仮定すると、変調された波形λ= c/ f、cは光の速度であり、変調光波信号の測定位相シフトはΔφです。次に、測定点とターゲット間のレーザーの往復時間はΔt=ΔT= ∆φ/2πfで計算できます。
ただし、ターゲット距離dが増加すると、位相遅延の値は正弦波変調光波の1つの期間、つまり∆φ =2π（n+∆ n）、nおよび∆ nはそれぞれサイクルの積分および分数部分であるため、測定距離dは次のとおりです。
ここで、l = c/ 2f =λ/ 2は測定ルーラーの長さと呼ばれ、位相範囲の長さはλ/距離dを2のルーラーで測定すると見なすことができます。距離はnと∆ Nを決定することで得ることができます。この問題を解決するには、複数の周波数の変調光波信号で同じ距離を測定する必要があります。これは、位相範囲の定規周波数とも呼ばれます。測定された距離が定規の長さである場合n = 0の場合、ソリューション値は * * *です。位相測定の精度が固定されている場合、測定ルーラーの頻度が低いほど、高精度の範囲で許可されていない範囲の誤差が大きくなります。それどころか、選択された定規の頻度が高いほど、測定精度は高くなりますが、現時点でのN値は1より大きくなり、複数のソリューションの問題があります。この矛盾を解決するために、実際のアプリケーションでは、通常、機器の範囲の精度を決定するルーラーと、それぞれ微細な測定ルーラーとラフ測定ルーラーと呼ばれる範囲を決定するいくつかの補助定規を決定し、2つを組み合わせて高精度測定を取得します。
位相レーザー範囲の測定精度は（サブ）ミリメートルレベルに達する可能性があり、測定範囲はデシメーターからキロメートルまでであるため、短範囲と中範囲で広く使用されています。
4。マルチ波長干渉レーザー範囲
干渉範囲は、古典的な精度範囲の方法の1つです。光の干渉原理によれば、固定位相差で2列の光の列、同じ周波数で、同じ振動方向または振動方向の間の小さな角度が互いに重なり、干渉現象を生成します。
図6に示すように、一般的に使用されるマイケルソン干渉計の概略図が示されています。レーザーから放出されるレーザーは、反射光S1に分割され、分光鏡を介して光S2を透過します。 2つのビームは、固定ミラーM1と可動ミラーM2によってそれぞれ反射され、2つは分光鏡に収束してコヒーレントビームを形成します。次に、ビーム強度を組み合わせたIは次のとおりです。
距離d =mλ（mは整数）の場合、ビーム振幅 * *、光強度 * *、明るいストライプを形成する場合。 d =（2m+1）λ/ 2時の場合、2つの光ビームの位相が反対で、2つのビームの振幅が互いにキャンセルされ、光強度は * * * *濃いストライプを形成します。この原則によれば、干渉測定レーザー範囲は、光電気検出器からの明るい干渉フリンジを電気信号に変換することであり、光電気カウンターによってカウントされ、距離と変位の測定を実現することです。
レーザーλの波長により、干渉レーザー範囲の分解能はNMに達する可能性があり、精度は非常に高くなります。ただし、上記の従来のレーザー干渉範囲の技術は、相対的な変位のみを測定し、ターゲットの距離情報を取得することはできません。同時に、連続測定の精度を確保するために、ターゲットは固定ガイドレールに沿って移動する必要があり、光学パスを中断することはできません。さらに、干渉原理に従って、測定技術は0〜2πの範囲の位相値を取得することができ、レーザーの往復距離を考慮すると、2の範囲内で距離が変化する距離が変化する場合にのみ測定することに相当します。このλ/ 2範囲は、通常、レーザー * *距離測定の明確な範囲と呼ばれます。次のように：
ここで、dは測定距離であり、mとεは測定距離に含まれる干渉フリンジの整数と小数の順序です。小数の順序は測定によって取得できますが、mは無期限の値です。
この矛盾を解決するために、通常、非農業範囲の高解像度と拡大の要件を満たすために、多波長干渉の方法が採用されます。多波長干渉法の基本原理は、小数点以下の複数の方法を使用して、その上に合成波長の概念を開発することです。
1970年代初頭にアメリカの科学者ワイアントとポルヘムスが実施した二重波長干渉実験から、多波長干渉測量（MWI）が始まりました。この方法では、異なる波長を持つ2つのレーザーλ1、λ2が同時に未知の距離の干渉測定を実行し、上記の式の測定距離dに持ち込みます。
2つの方程式を解くには、次のようになります。
合成等価波長はここで、MSとεSはそれぞれλS干渉フリンジ整数と小数順序です。
複合波長が範囲の波長と見なされる場合、未知の距離に対応する位相情報は、元の2つの波長の範囲の位相の差であるため、未知の距離を解くことができます。距離測定の非波線範囲は、合成波長の半分に拡張されます。式から、合成波長はλ1よりも大きくなければなりません。
同様に、測定範囲と精度を考慮するために、複数の定規の概念とともにこの方法をさらに開発することができます。マルチ波長レーザーを使用して、距離を同時に測定して、異なるスケールのマルチレベルの複合波長を生成できます。 * * * *の長い合成波長は、 * * * *の測定範囲を実現するために使用され、得られた距離測定結果は、短い合成波長の範囲測定結果を解くために、短い合成波長の範囲測定結果を解くために、 * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *の距離測定値として使用されます。
ただし、この方法には複数の波長のレーザーが必要です。つまり、複数のレーザー源が必要です。各レーザーソースに独自のレーザー周波数安定化デバイスが必要であり、複数のレーザーが高精度の光ビームの組み合わせが必要であることを考慮すると、レーザー * *距離測定システム全体の構造が比較的複雑であり、システムの信頼性と精度は必然的にある程度影響を受けます。
5。FMCWレーザー範囲
周波数変調連続波（FMCW）レーザー範囲は、 * * * *測定を実現できる別の干渉法です。光学干渉法と無線レーダー技術の利点を組み合わせています。 FMCW測定の基本原理は、レーザービームの周波数を調節することにより干渉法を実現することです。一般に、出力レーザービームの周波数が時間とともに変化するレーザーは光源として使用され、マイケルソン干渉計は基本的な干渉光学パスとして使用されます。周波数差情報は、参照ライトの異なる光パスと測定ライトに従って生成されます。 2つのビームの距離情報は、信号と処理を抽出した後に取得でき、 * *距離の測定を実現できます。
たとえば、Sawtooth変調を例として取ります。それは、鋸歯状形の時間とともに周波数が直線的に変化する正弦信号です。図7に示すように、測定された光の瞬間周波数と基準光は時間とともに変化します。
参照光の周波数をft、測定光の周波数、frとしての測定光の周波数、∆ fとしての変調帯域幅、tとしての変調期間、およびDとしての距離を設定します。
次に、生成されたビート信号はFIFです。
したがって、測定された距離：
周波数変調された連続波レーザー範囲は、レーザーをキャリアにし、すべての環境干渉は測定された信号の光強度にのみ影響しますが、周波数情報には影響しません。したがって、高い範囲の精度と環境光の干渉に抵抗する強力な能力を得ることができ、精度はミクロンレベルに達する可能性があります。現在、大きなサイズと高精度測定アプリケーションの研究ホットスポットです。ただし、この測定方法には、レーザービーム周波数の高い安定性と直線性が必要であるため、システムの実現がより複雑になり、測定範囲は期間Tによって制限されます。
6。三角レーザー範囲
三角形のレーザー範囲は、光源、測定されたオブジェクト表面、および光受信システムが一緒に三角形の光学経路を形成することを意味します。レーザー源によって放出される光は、コリメーションレンズによって焦点を合わせ、次に測定されたオブジェクト表面に入射します。光受信システムは、入射点から散乱した光を受け取り、光電子検出器の敏感な表面に画像します。これは、測定されたオブジェクト表面の移動距離を、イメージング表面の光点の変位を介して測定するための測定方法です。
入射レーザービームと測定されたオブジェクト表面の通常の線との角度関係によれば、一般に2つの範囲の方法があります。図8に示すように、斜めと直接的な方法。一般的に、直接レーザー三角測量法は、斜めのレーザー三角測量法よりも幾何学的アルゴリズムで単純です。業界では、直接的なレーザー範囲の方法がよく使用されます。
位相レーザー範囲と周波数変調連続波レーザー範囲と比較して、三角測量レーザー範囲には、単純な構造、速いテスト速度、柔軟で便利な使用、低コスト、低コストなど、多くの利点があります。測定すると、この範囲の方法は一般に屋内の緊密な作業に適しています。屋外または屋内の強い軽い背景での作業には適していません。したがって、三角測量レーザー範囲のアプリケーション範囲は主に小さな変位測定であり、オブジェクトの表面の輪郭、幅、厚さ、および自動車業界のボディモデル表面設計、レーザー切断、スイープロボットなどのその他の量の測定に広く使用されています。
