激光测距传感器在宇宙空间探测领域的应用

传感器技术 发表于 2018-06-13 14:43:08 收藏 已收藏
赞(0) •  评论(0

激光测距传感器在宇宙空间探测领域的应用

传感器技术 发表于 2018-06-13 14:43:08

前面我们了解了几种主要的测距/距离传感器的原理及特点,其中,激光测距传感器因其抗干扰能力强,精度高的优势,自诞生以来,得到了极大的发展,在各行各业都发挥着巨大的作用。

1960年世界上第一台红宝石激光器问世不久,以精密测距为主要功能的激光测距技术便随之诞生了。

第一台红宝石激光器

经过了50多年的发展,其发展大致表现在两个方面:首先是应用各种新技术和设备提高测距精度和观测数据量;其次是提高测距系统的自动化程度,减小人力和物力的消耗。具体为:

1、在测距精度上,从最初的米级逐步提高到分米级、厘米级,目前国际上最先进的台站其测距精度已能达到毫米级。

2、在测距能力上,从最初的最远1000~2000km提高到2万km,乃至3.6万km。激光测月的实现使测距能力达到了38万km。

3、在测距频率上,从最初的每秒一次发展到目前每秒1000~2000次,更高频率的激光测距(如10kHz测距)也在试验中。

4、在测距波长上,目前普遍采用的仍是单色测距系统,一些台站也在使用双色/多色激光测距系统。双波长激光测距系统不再需要大气物理参数和大气模型的修正,只需测量结果本身即可修正大气延迟,就能达到更好的数据精度。

5、在自动化程度上,从初期的人工目视跟踪,发展到今天计算机控制、自动跟踪。

激光测距传感器在宇宙空间探测领域的应用

空间激光测距技术在监测大陆板块运动、地壳形变、地球自转,改进地球重力场和地心引力常数,确定地球和海洋潮汐变化的规律,监测空间碎片等方面具有重要作用。它也是当前高精度卫星精密定位观测的主要手段之一,是现代各种定位观测手段中单点采样精度最高的一种,是支持国际地球自转与参考系服务(IERS)的技术手段之一。卫星激光测距技术在如下应用方面已经取得了显著的成就,具有广阔的应用前景。

精密测定激光卫星的轨道

利用卫星的激光观测数据所确定的轨道精度,3天弧段可达1cm;对于径向定轨精度可达到2~2.5cm。

精确测定地球引力场模型及其时变性

在研究地球质心的位置变化过程中,激光技术测定了目前最准确的地球引力常数GM,其测定值为:GM=398600.4415km3/s2;利用不同轨道倾角和高度的激光卫星,精确测定了地球引力场模型,并且测定了地球引力场低阶球谐系数的季节性变化;同时还得出了地球质心位置的周期性变化,包括季节性和年际变化,最新的测定值为:J2=-2.6*10-11/年(历元1986.0);地球引力场的变化反映了地球内部及各圈层(包括海洋、大气、地下水、冰层等)的复杂运动和相互作用过程,具有重要研究价值。

精确测定地球自转参数

地球自转参数(ERP)定义了地球旋转轴和随时间序列的定向运动以及在天球参考框架中的旋转速度。地球自转参数包括极移和日长(LOD)变化。利用激光测虎技术测定的地球极移分量(XP,YP)精度目前已达到0.1~0.2mas;日长(LOD)的测定精度目前已达到0.1ms。

监测全球地壳板块运动

利用激光长期观测数据可以精确地测定地面测站的地心坐标,高精度测站坐标的解算使得人们监测板块运动的愿望成为可能。利用激光测距技术获得的数据,已经估计了40多个测站的站速度和站间基线的变化率。如果测站位于板块的刚性部分,则其站速度就代表了板块运动。利用测站基线的变化率和站速度可以解算板块间的相对运动。

高精度海平面和冰盖地形的测量

激光测距技术与其他空间技术(如GNSS、雷达高度计、SAR等)联合应用,将可能实现毫米级精度的海平面和冰盖地形的测量。

空间碎片轨道确定和监测

利用激光测距技术可以精确测定空间碎片,确定碎片轨道位置,为空间碎片监测和空间碰撞预警系统提供精密轨道信息。

激光测距传感器在军事领域的应用

轻型便携式脉冲激光测距仪

轻型便携式脉冲激光测距仪包括步兵和炮兵侦察用的手持式以及前沿侦察和前沿对空控制(FAC)双用途的激光测距仪—目标指示器。对上述用途的系统,要求机动灵活、重复轻、体积小、用电池组作电源、可靠性和维修性高以及单一产品的成本低等。

在现代战争中,由以前单一的步兵、炮兵独立作战发展到有步兵、炮兵和海军陆战队组成的特种部队联合作战,武器系统也由单一的地炮、高炮逐渐采用多功能综合高技术。因此激光测距仪也由单一测距功能的便携式、手持式发展到激光测距、红外瞄准的昼夜观测仪以及激光测距、目标指示、红外瞄准的激光红外目标指示器等。

地面车载脉冲激光测距仪

地面车载脉冲激光测距仪包括坦克、步兵战车(IFV)、火控、对空防御、火炮或导弹制导火控以及目前发展的地面车载激光测距仪—目标指示器等。其主要技术性能:最大测程4~10km,测距精度±5~10m,目标分辨约20m,重复频率0.1~1Hz,束散角0.4~1mrad。

激光测距仪在坦克火控系统中的应用是提供弹道轨迹的超仰角修正信息和因逆风或目标移动引起的方位角校正信息以及距离信息。步兵战车主要是使用激光测距仪去测量目标是否在反坦克导弹的距离内,其次用于枪炮火控和对目标的分选。

对空火炮和导弹防御脉冲激光测距仪

对空防御的脉冲激光测距仪以及采用了自保护措施的步兵战车对空防御脉冲激光测距仪均应按火控系统和作战系统的要求工作,在距离和距离速率以内对空中高速机动目标提供稳定的跟踪信息和距离信息,以对抗武装直升机、隐身飞机和巡航导弹、反辐射导弹的威胁。

这要求激光测距仪提供比较高的数据率(高的激光脉冲速率)和相当高的距离精度,如最大测程为4~20km,测距精度为±2.5~5m,重复频率为6~20Hz,束散角为0.5~2.5mrad等。

机载脉冲激光测距仪

机载脉冲激光测距仪可以用来装备武装直升机的导弹指令制导和装备固定翼飞机,用于封锁支援的光电飞行器等目标以及拦截飞机和导弹的攻击。

机载脉冲激光测距仪的主要技术性能:测程远、测距精度高、重复频率高、束散角小,同时机载设备应体积小、重量轻并要与航空指示器共用。

因此,激光器必须使用高效循环液体作冷却器,以适应高的运转速率要求,否则要采用气体或混合气体升压冷却。

舰载脉冲激光测距仪

舰载脉冲激光测距仪的发展在轻型便携式、车载和对空防御激光测距仪之后,它包括水面舰载和潜艇潜望两大类。

水面舰载脉冲激光测距仪在技术性能指标方面与车载火控和对空防御激光测距仪相同,在环境使用方面要适应舰载海空、海面以及海上盐雾的荷刻要求,而在体积、重量、电效率、维护保养能力和成本等方面的要求又不苛刻。

因此,目前大量用来装备常规火控和对空防御的海军舰只,如掩护(无声雷达)舰载飞机回收和与红外热成像、电视等组成跟踪系统,全天候监视和跟踪空中目标等独特的舰上应用正在出现,其应用前景相当广泛。

潜艇潜望脉冲激光测距仪目前采用两种组合方式,第一种将激光测距仪、图像增强器和热成像仪装于其潜望镜中,而距离显示器、触发按钮等分别装于操作手上方或附近。

其优点是传输光路中激光损耗小,但光束飘移,不易捕获目标;第二种将上面三部分均装在潜望镜底部,整个系统的安装,调试、拆卸均很方便,但采用这种方法的激光束要通过12m长的潜望镜管和15~20块透镜,能量损耗较大。

云高脉冲激光测距仪

利用脉冲激光测距仪来测量云层垂直高度的仪器称为云高激光测距仪。这类激光测距仪主要用来测量机场的云层高度,也可用来测量卫星发射点的云层高度,为飞机的起降或卫星发射提供安全的气象数据。

这类脉冲激光测距仪可以为前沿军事基地、机场或军用卫星发射点(近距离)的安全提供可靠的气象数据,是现代战争不可缺少的仪器;若使用它为大型国际机场、小型商业民用机场和民用通信卫星发射点(近距离)提供飞机起降或卫星发射的安全气象数据,将对国民经济建设和提高国际信誉产生巨大的经济效益和社会效益。

激光测距传感器在智能交通领域的应用

激光测距技术在物联网智能交通中的一些可能应用方向,主要包括:激光测速传感器、汽车防撞系统、车流量监控、车型描画、车辆行人违法监测以及其他一些精密监控测量中的应用等。

汽车防撞探测器

一般来说,大多数现有汽车碰撞预防系统的激光测距传感器使用激光光束以不接触方式用于识别汽车在前或者在后形势的目标汽车之间的距离,当汽车间距小于预定安全距离时,汽车防碰撞系统对汽车进行紧急刹车,或者对司机发出报警,或者综合目标汽车速度、车距、汽车制动距离、响应时间等对汽车行驶进行即时的判断和响应,可以大量的减少行车事故。在高速公路上使用,其优点更加明显。

车流量监控及车轮廓描画

这种使用方式一般固定到高速或者重要路口的龙门架上,激光发射和接收垂直地面向下,对准一条车道的中间位置,当有车辆通行时,激光测距传感器能实时输出所测得的距离值的相对改变值,进而描绘出所测车的轮廓。

这种测量方式一般使用测距范围小于30米即可,且要求激光测距速率比较高,一般要求能达到100赫兹就可以了。

这对于在重要路段监控可以达到很好的效果,能够区分各种车型,对车身高度扫描的采样率可以达到10厘米一个点。对车流限高,限长,车辆分型等都能实时分辨,并能快速输出结果。

在没有车辆到来时,激光测距传感器测出的是一个距离常量,也就是激光测距传感器到地的距离,当有车辆从激光测距传感器下面经过时,距离值改变,当距离值再次回到常量就认为有一辆车通过,根据这种方式我们可以对通过一些路段的车流量进行监控。

现在常用的方法是对一段时间内的车流进行统计平均的方法,带有很大的估计成分,而视频统计的方法还有很多现实应用的困难,因此,激光测距统计方法为车流量统计提供了一种可行的方案。

车辆行人违法监测

由于激光测距传感器的光束不是实质性的障碍,在利用激光测距传感器对路面进行监控的时候,并不会阻碍交通的正常运行。

因此,在一些禁停或者禁止行人车辆通行的路段,用激光束平行路面以一定高度进行固定发射或者以一定角度进行扫描,当遇到有车辆违法停车闯红灯或者行人违法跨越护栏等,激光测距距离值改变,可以进行报警或者警示。

这种应用光束不必要太宽,但一般要求测距距离比较长,以确保一定路段长度的防护距离。这种方式构成的智能交通违法监控系统将在交通物联网中得到很大的应用。

激光测速传感器

激光测距传感器是激光测距技术在交通管理领域最早的一种形式,因为其卓越的性能,在实际应用中逐渐得到普及。激光测距传感器是采用激光测距的原理,是对被测物体进行两次有特定时间间隔的激光测距,取得在此时间间隔内被测物体的距离变化,从而得到该被测物体的移动速度。

激光测速仪分为固定式的和移动式两种,固定式的一般固定在路边或者龙门架上,以一个比较小的角度迎向来车,一般通过车牌反射进行测量,测量精度比较高,可以达到±1公里/小时,测速范围可达250公里/小时,测距范围在此应用中不用太大,一般80到100米即可。

移动式激光测速仪对操作要求比较高,一般光束发散角度要大于3 mrad,鉴于激光测速的原理,激光光束必须要瞄准垂直与激光光束的平面反射点,又由于车辆处于移动状态,车体平面不大,且测速需要一定时间,只能作为临时测速,取证应用。

激光测距传感器由于光束发散角度较小,便于测速取证,不像雷达多普勒测速仪,在多车道测量时不能确知超速的具体车辆,且由于激光测速传感器发射的是近红外的光波,不能被雷达探测器、电子狗等探侧,且不易受市区雷达杂波干扰。

在当下最火热的无人驾驶领域,也是激光测距传感器大显身手的地方

谷歌的无人驾驶汽车一个“突出”的特点就是其车顶上方的旋转式激光测距仪,该测距仪能发出 64 道激光光束,帮助汽车识别道路上潜在的危险。该激光的强度比较高,能计算出 200 米范围内物体的距离,并借此创建出环境模型。

谷歌无人汽车

据负责无人驾驶汽车项目的总工程师Sebatian Thrun介绍,整个系统的核心是车顶上的激光测距仪(Velodyne 64-beam)。该设备在高速旋转时向周围发射64束激光,激光碰到周围的物体并返回,便可计算出车体与周边物体的距离。

计算机系统再根据这些距离数据描绘出精细的 3D 地形图,然后跟高分辨率地图相结合,生成不同的数据模型供车载计算机系统使用。

汽车顶部的激光测距仪是整套系统的核心

无人驾驶系统描绘出的3D地形图

总结

实际上,激光测距传感器的运用范围远不至上述这些,它还被广泛应用于:电力,水利,通讯,环境,建筑,地质,警务,消防,爆破,航海,铁路,反恐/军事,农业,林业,房地产,休闲/户外运动等各个领域。

目前激光测距技术越来越朝着小型化、结构简单、高精度、高适用范围的方向发展,特别是随着数字处理技术的发展,激光测距技术将变的更加完善。如先进的背景抑噪技术和三角测量技术的引入,可以使激光测距传感器在更加复杂的情况下更好地工作。我们相信,随着技术的发展,激光测距传感器及激光测距技术一定会得到越来越广泛的应用。

收藏

相关话题
文章来源专栏
+关注

评论(0)

加载更多评论

参与评论

相关文章

分享到

QQ空间 QQ好友 微博
取消