《激光探测技术》PPT课件.ppt

第五章 激光探测技术 本章学习要求 1 理解激光产生的基本原理2 熟练掌握激光的定距及测距原理3 了解激光雷达的基本原理4 掌握激光探测的抗干扰措施 探测与识别技术 第五章激光探测技术 典型应用之一 激光测距仪 LeicaDISTOA 激光测距仪性能指标 典型测量精度 1 5mm测量范围 0 05m至60m测量单位 1mm每电池组可测量 至5 000次电池 9V复合电池防雨 防尘 IP54尺寸 124 55 35mm连同电池的重量 152g功能 面积 体积测量 跟踪测量 加 减功能 放样功能 显示屏照明功能温度范围用途 适合进行室内设计 施工等工作的专业人士使用 LeicaDISTOA 激光测距仪 典型应用之二 激光探测系统 2005年年底 在美国国防部的GrandChallenge无人驾驶挑战赛中 几乎所有参赛车辆都使用了激光探测系统 LMS 作为它们的 眼睛 LMS291安装在这辆车的车顶上 主要作用是在X Y平面上描绘出车辆前方道路 然后利用机载电脑绘制出车辆行驶前方的3维图像 在Z平面上 绘制出车辆前方的地形 其次是探测越野路线两旁的石头 碎片等障碍物 LMS291的最大探测距离为80米 分辨率为10毫米 第五章激光探测技术 Sick公司的LMS291激光探测系统 5 1激光的产生 基态 按量子力学原理 任何原子 离子或分子只能稳定地存在于一系列能量不连续的定态中 或存在于一系列分立的能级状态中 其中原子的最低能级 稳定 激发态 处于基态以上的能级 不稳定 第五章激光探测技术 5 1 1相关概念 跃迁 原子能量的变化 跃迁的形式包括 吸收和辐射 5 1激光的产生 吸收两能级之差的能量 由基态跃迁至激发态的过程 原子吸收 自发辐射 处于激发态的原子释放光子返回基态的过程 受激辐射 在发生自发辐射前 受到外来关子作用的两能级之差的能量 由激发态跃迁至基态 同时释放一相同状态的光子 受激辐射示意图 激光的全称 受激辐射的光放大 光放大示意图 5 1激光的产生 5 1 2产生激光的条件 1 粒子数反转 热平衡状态下 粒子数满足波尔兹曼分布 低能态粒子数远远大于高能态原子数 为了实现光放大 必须选用适当的物质 采用特殊的手段破坏粒子数平衡 使得高能态原子数远远大于低能态原子数 外界供给系统一合适的能量 使工作物质的原子一次跃迁至激发态E4 而后通过无辐射跃迁很快地跃迁至亚稳态E3 在此态停留一段时间 约为10 3s 之后跃迁至激发态E2 很快地又从E2态返回E1 由于E2态的寿命极短 所以E2态上存在的原子数总是接近于零 这样就很容易地在E3与E2间形成粒子数反转 5 1激光的产生 2 能级结构 3 光学谐振腔 两反射镜保持严格的平行 当光线在其间反射时 只有平行于镜面法线的光线保留下来其他方向的光线经过多次反射后逸出腔外 平行于法线的光线在平行腔内不断振荡同时激发新的受激辐射而使这一组平行光不断增强 最后从窗口M2射出 光学谐振腔组成原理 5 1激光的产生 另外 适当选择谐振腔的长度 使其满足稳定驻波的振荡条件 即 从而可以对激光器所发激光的频率加以选择 5 1激光的产生 4 阈值条件 外部环境必须满足一定的阈值条件 包括减少损失 加快抽运速度 促进反转等 5 1 3激光的特性 单向性好 激光沿一条直线传播 能量集中在传播方向上 发散角小 一般为10 5 10 8球面度 激光束射向几千米以外 光束直径仅扩展几个厘米 单色性好 普通光源如钠灯 汞灯等得到单色光的谱线宽度为10 2纳米 激光的谱线宽度为10 9纳米 两度高 相干性好 5 1激光的产生 5 2激光的定距原理 激光近炸引信 激光近炸引信是导弹的重要组成部分 可在近场区域内对目标探测和定距 并且在动态条件下输出适时引爆信号 该产品可以感知导弹距地面的高度 根据预先装定 在导弹越过目标或未及目标时引出爆弹头 使弹头碎片取得最大的杀伤效果 第五章激光探测技术 5 2 1几何截断定距 三角定距法 1 原理 将4 6组激光发射器和接收器在弹体周向均匀排列形成360 的发射接受视场 安装时发射器与接受器存在一定倾角 这样使发射视场与接受视场在前方某一区域重合 发射光束轴线与接受光束轴线交与一点 其底边高即为作用距离 5 2激光的定距原理 目标作用区 接收视场 由于半导体激光器发出激光通常具有较大的束散角 所以采用凸透镜或透镜组对激光器发出的激光进行准直 并采用柱镜或反射光锥在弹体径向进行扩束 2 组成 发射光学系统 接受光学系统 将目标发射光能量收集并聚到光电探测器上 一般单个透镜 并将光电探测器放在透镜焦平面上 系统的半场视角为 系统立体角为 5 2激光的定距原理 接收的回波功率由激光引信的距离方程可知 d 光电探测器直径 f 透镜焦距 Ad 光敏面积 注 接收视场的大小与光敏面积及光学透镜的焦距有关 获得尽可能大的接收视场必须选用光敏面积大的探测器及减小光学镜头焦距 Pr 接收功率 Pt 发射功率 t 发射光学系统效率 r 接收光学系统效率 K R 发射视场与接收视场部分重合造成的衰减 目标发射率 大气衰减系数 R 激光器到目标的距离 Ar 接收光学系统的孔径面积 5 2激光的定距原理 光电探测器中主要采用光敏二极管 光敏二极管原理与普通二极管基本相同 正常工作时 在未受光照时 电流几乎为零 受光照时 电流迅速增加并随光强度增加而增大 5 2激光的定距原理 光电探测器 注 光敏二极管需在反向偏压条件下工作 2 特点 优点 定距精度高 360度全向探测 处理电路简单 缺点 对于发射特性差别大的目标难以设定统一的作用门限 作用距离不能现场装定 5 2激光的定距原理 5 2 2距离选通定距 1 原理 脉冲调制器激励半导体激光器发射光脉冲 通过发射光学系统形成一定形状的激光束 光脉冲照射到目标后 一部分光反射到接收光学系统 然后聚在光敏管上输出电脉冲 经过放大整形等信号处理送到选通器 另一路脉冲调制器发出激励信号经延迟器适当延时后控制选通门 通过适当的延时可以实现预定距离范围内起爆 目标 前置放大器 完成传感器与后续电路的性能匹配 要求必须为低噪声且有足够高的增益两项指标 原因 多级放大器的噪声模型为 等效到输入端的噪声电压为 2 组成 5 2激光的定距原理 放大电路 roi 第I级放大器的输出电阻 Eni 第I级放大器等效噪声电压 Ki 第I级增益 Ini 第I级放大器的等效噪声电流 Ens 信号源等效噪声电压 由上式可知 当第一级放大器的增益足够高时 多级级联放大器的等效输入噪声主要由第一级的噪声水平决定 主放大器需满足高增益和宽带频 为提高定距精度需调整主放大器增益来控制回波脉冲幅值 对于距离分档可调时 装定距离的同时装定增益使每个距离档对应一个增益档 另外对于目标反射率造成信号幅值变化则使用自动增益控制来解决 调整延时参数实现作用距离装定并补偿系统各元器件延时容差 5 2激光的定距原理 延迟器 选通器 近似认为数字电路中的 与 门 3 特点 利用脉冲相位差比利用脉冲强度更可靠 避免功率波动 目标光特性及大气传输条件的影响 降低了虚警率 提高了效率 5 2激光的定距原理 5 2 3脉冲鉴相定距原理 1 原理 选通器改为鉴相器 基本原理同上 目标 5 2激光的定距原理 2 组成 脉冲鉴相器 当回波脉冲与参考脉冲重合时即目标作用距离 或回波脉冲超前参考脉冲即小于目标距离 鉴相器触发输出信号 当回波脉冲滞后参考脉冲时鉴相器无输出信号 注 在较近距离时为避免空中悬浮粒子向后散射造成系统虚警 则采用双鉴相电路 3 特点 定距精度进一步提高 作用距离现场装定 抗干扰能力进一步提高 第五章激光探测技术 5 3激光的测距原理 5 3 1脉冲激光测距机原理 当回波脉冲与参考脉冲通过测定由测点射向目标 并经目标反射回来的光脉冲飞行时间来测定目标与测定间的距离 设光在大气中的传播速度均匀 测定到目标间距离r为 1 原理 c 光速 t 脉冲飞行时间 当测距精度为 5 3激光的测距原理 2 组成 脉冲式激光测距机是通过时间的直接测量而测距的 即用脉冲光波 当发射的光脉冲被远处目标反射回来后 通过一个测量时间的装置直接测出激光往返的时间t 进而求出距离D 具体如下图所示 它包括时标振荡器 门电路 脉冲计数电路和记录装置几部分 脉冲激光测距机系统组成 测距时 激光脉冲射向目标 在同一瞬间由光电二极管取出一小部分光脉冲信号送入接收系统的门电路 把 门 打开 使时标振荡器输出的时标脉冲通过 门 进入计数显示系统记录下来 当目标反射回来的脉冲信号被接收后 通过放大器送入门电路 即刻把 门 关闭 使计数器停止工作 5 3激光的测距原理 5 3 2相位式激光测距机原理 1 组成 相位式激光测距机是对时间的间接测量 即用连续光波通过一个调制器让激光强度按调制信号随时间而变 测出该光波在时间t内的位相变化从而计算出时间t 具体组成如图示 回波信号经物镜接收后送到光电探测器 经鉴相器比较返回光束和发射光束之间的相位 从而求出相差 5 3激光的测距原理 N 整数周期的数目 N 周期的小数 f 调制频率 考虑时间与距离的关系 有 c 光速 在测距机中 常称c 2f 为测尺长度 f为测尺频率 相位式激光测距机系统组成 5 3激光的测距原理 注 在鉴相器只能测出小数周期 还未能测出整数相位数N 为此在测距机设置几种不同的测尺频率进行分段测量 每一频率所测量的距离均小于相应的测尺长度 用它们分段测量某一距离 然后将各自所测的结果组合起来 就可得到所有测量的距离 5 3 3激光测距的作用距离方程 Pr 接收到的回波信号功率 Pt 激光源的发射功率 TA1 激光光源到目标的大气透过率 TA2 目标到接收机的大气透过率 t r 发射 接收光学系统光学效率 K 激光光束轮廓参数 光束束宽 r1 发射机到目标距离 r2 目标到接收机的距离 目标的激光截面 D 接收机的接收系统有效孔径 目标跟踪激光雷达 精密制导雷达 运动目标探测激光雷达 气象激光雷达 环境监测 战场化学毒剂探测雷达等 第五章激光探测技术 5 4激光雷达简介 5 4 1分类 1 按功能分 2 按测量参数分 有回波强度测量 目标距离测量 目标速度测量 目标角位置测量 吸收或散射光谱测量 3 按激光发射波形调制技术分 有脉冲 连续 调幅 调频 混合式 4 按回波信号探测方法分 有直接探测和相干探测 5 4激光雷达简介 激光雷达 5 4 2外差激光雷达原理 5 4激光雷达简介 外差激光雷达系统组成 激光发射机发射出单频稳频激光束 经整形光学元件使其光束发散角和光束直径与激光雷达其它部分匹配 激光束经收 发隔离器使收 发光路分开 发射激光束经扩束和扫描光学系统射向目标 由目标反射回来的激光信号反向经过扫描器和扩束器后 在收 发隔离器内与发射光路分开并到达光学混频器 在此与本地振荡光混频 混频后的光束经成像光学系统聚焦到光学检测器上 光学检测器输出差频信号 经高通匹配滤波器消除背景噪声低频信号与本地振荡直流信号 最后将获得的差频电信号经信号处理器及数据处理输出 如信号光场为 5 4激光雷达简介 本地振荡光场为 则两束光混频后产生的差频光强度为 式I t 为探测器光敏面上的光功率强度 W m2 探测到的光信号包括三部分 即回波光信号 本地振荡光信号及外差拍频信号 5 4激光雷达简介 注 其中前两项直流信号通过高通滤波器后被清除 最后只剩下差频信号 外差接收技术的特点 极高的探测灵敏度 包含更多的信息 比直接探测灵敏度高两个数量级 5 4 3激光雷达的数据测量 1 激光测速 方法一 对运动目标进行连续测距 由距离随时间的变化率计算出目标的速度 测量速度精度不高 方法二 采用外差多普勒频移效应测量 目标多普勒频移量为 频移量与激光波长成反比 因此激光产生的频移量比无线电雷达大许多倍 目标速度测量精度比无线电雷达高许多 激光波长 vT 目标径向速度 2 角度测量 采用多元探测器 如四象限探测器 目标被激光照射后产生回波信号成像 由于每个象限元参数相同且彼此绝缘 所以每个象限元接收回波光能量不同 每个象限信号大小不同 比较相邻两个象限的信号幅度就能判断出角偏差 当四个象限元的信号强度相等时所对准的角度就是目标准确的空间角度 5 4激光雷达简介 5 4激光雷达简介 3 激光雷达目标特征识别 方法一 角分辨距离成像 如同电视光栅扫描方式连续扫描 目标形状用灰度或彩色显示出来 从而可通过目标三维外形轮廓识别 方法二 速度角分率扫描成像 探测并区分运动目标与地物背景 用于飞机或导弹地形匹配跟踪和障碍回避 方法三 距离多普勒成像 区分目标各个部分的相对运动方法四 多普勒频移识别技术 根据每个运动目标具有的机械振动频谱 目标受激光照射后目标表面的机械振动对激光束进行调制并产生多普勒频移 把测得的信号频谱经变换处理与计算机数据库中各个目标振动数据进行比较 自动判断结果 4 5磁共振法测量磁场 5 5激光探测的抗干扰措施 5 5 1探测系统的噪声组成 背景干扰噪声 包括太阳的直射或经地物漫反射的杂散光 在中红外波段主要是来自背景的自热辐射 探测器的几种主要的固有噪声散粒噪声 与光电探测器的暗电流有关 与工作频率无关 热噪声 任何电阻材料都有热噪声 与工作温度成正比 放大器噪声 4 5磁共振法测量磁场 5 5 2激光探测的抗干扰措施 合理选择接收视场 插入窄带滤光片 抑制背景光干扰 合理选择发射激光的调制波型 以获得最好的信噪比 采用抗干扰能力的探测方法 信号处理中 采用适当的处理措施 如采用低噪 高增益前置放大器 采用双鉴相电路等 4 5磁共振法测量磁场 射频振荡器它用于产生固定频率的电磁辐射 通常频率为6 107 HZ 这个辐射的磁场起B 的作用 扫描线圈用于使外磁场作微小振荡 从而使我们能在示波器上看到尖锐的共振峰 探测器用于探测从振荡器中吸收的能量 调磁场核磁共振实验示意图 4 5磁共振法测量磁场 调频核磁共振实验示意图 样品 如水 装在小瓶中置于磁体两极之间 瓶外绕以线圈 由射频振荡器向它输入射频电流 这电流就向样品发射同频率的电磁波 其频率大致与外磁场对应的频率相等 为了精确地测定共振频率 就用一个调频振荡器使射频电磁波的频率在共振频率附近连续变化 当电磁波频率正好等于共振频率时 射频振荡器的输出就出现一个吸收峰 它可以从示波器上看出 同时由频率计数器读出此共振频率 4 5磁共振法测量磁场 当调节射频振荡器频率为 0时 共振峰出现在示波器中心位置 对应的场值即为被测磁场值B0 如射频场频率偏离了 0 则共振峰也会偏离示波器的中心点 由此可见 只要测出共振峰在示波器中心位置时的射频振荡器的频率 在根据便可计算出被测磁场值 第四章磁探测技术 4 6超导效应法测量磁场 4 6 1基本原理 相关概念 超导电性 在某一温度TC以下电阻值突然消失的现象 超导体 具有超导电性的物体 临界温度 TC 超导体从具有一定电阻值的正常态转变为电阻值突然为零时所对应的温度 其值一般从3 4K至18K 电阻随温度变化曲线a 正常导体 b 超导体 4 6超导效应法测量磁场 2 超导体特性 零电阻特性 理想导电性 若将一超导环置于外磁场中 然后使其降温至临界温度以下 再撤掉外加磁场 此时发现超导环内有一感生电流I 超导环内无电阻消耗能量 此电流将永远维持下去 因无电阻 4 6超导效应法测量磁场 完全逆磁性 迈斯纳效应 超导体不管在有无外磁场存在情况下 一旦进入超导状态 其内部磁场均为零 即磁场不能进入超导体内部而具有排磁性 亦称之为迈斯纳效应 4 6超导效应法测量磁场 磁通量子化 假定有一中空圆筒形超导体按下列步骤进行 1 常态让磁场H穿过圆筒的中空部分 2 超导态筒的中空部分有磁场 3 超导态撤掉磁场H 圆筒的中空部分仍有磁场 并使磁场保持不变 称为冻结磁通现象 超导圆筒在超导态时 中空部分的磁通量是量子化的 并且只能取 0的整数倍 而不能取任何别的值 h 普郎克常数 e 电子电量 0 磁通量量子 磁通量自然单位 中空部分通过的总磁通量 4 6超导效应法测量磁场 3 约瑟夫逊效应 两块超导体中间隔着一厚度仅10 30 的绝缘介质层而形成的 超导体 绝缘层 超导体 的结构 通常称这种结构为超导隧道结 也称约瑟夫逊结 超导电子能通过绝缘介质层 表现为电流能够无阻挡地流过 表明夹在两超导体之间的绝缘层很薄且具有超导性 约瑟夫逊结能够通过很小超导电流的现象 称为超导隧道结的约瑟夫逊效应 也称直流约瑟夫逊效应 超导结在直流电压作用下可产生交变电流 从而辐射和吸收电磁波 这种特性称为交流约瑟夫逊效应 4 6超导效应法测量磁场 直流约瑟夫逊效应表明 超导隧道结的介质层具有超导体的一些性质 但不能认为它是临界电流很小的超导体 它还有一般超导体所没有的性质 实验证明 当结区两端加上直流电压时 结区会出现高频的正弦电流 其频率正比于所加的直流电压 即f KV式中K 2e h 483 61012Hz V 根据电动力学理论高频电流会从结区向外辐射电磁波 可见 超导隧道结在直流电压作用下 产生交变电流 辐射和吸收电磁波 这种特性即交流约瑟夫逊效应 4 6超导效应法测量磁场 4 IC H特性 约瑟夫逊的直流效应受着磁场的影响 而临界电流IC对磁场亦很敏感 即随着磁场的加大临界电流IC逐渐变小 4 6超导效应法测量磁场 根据量子力学理论 超导结允许通过的最大超导电流Imax与 的关系式 IC是的 周期函数 沿介质层及其两侧超导体边缘透入超导结的磁通量 0 磁通量子 IC 0 没有外磁场作用时 超导结的临界电流 临界电流随外磁场周期起伏变化 这是由于在一定磁场作用下 超导结各点的超导电流具有确定的相位 相位相反的电流互相抵消 相位相同的电流互相迭加 4 6超导效应法测量磁场 5 测磁方法 在超导结的两端接上电源 电压表无显示时 电流表所显示的电流是为超导电流 电压表开始有电压显示时 则电流表所显示的电流为临界电流IC 此时 加入外磁场后 临界电流将有周期性的起伏 且其极大值逐渐衰减 振荡的次数n乘以磁通量子 0 可得到透入超导结的磁通量 n 0 而磁通量和磁场H成正比关系 如果能求出 磁场H即可求出 同理 若外磁场H有变化 则磁通量亦随变化 在此变化过程中 临界电流的振荡次数n乘以 0即得到磁通量的大小 亦反映了外磁场变化的大小 因而 可利用超导技术测定外磁场的大小及其变化 4 6超导效应法测量磁场 4 6 2超导量子干涉器件 超导量子干涉器 SQUID 是指由超导隧道结和超导体组成的闭合环路 其临界电流是环路中外磁通量的周期函数 其周期则为磁通量子 0 它具有宏观干涉现象 通常 人们称这样的超导环路为超导量子干