激光测距与光速测量实验方法研究

0　引言

    激光测距技术诞生后,以其测量精度高、分辨率高、抗干扰能力强、体积小和重量轻等一系列优点,很快代替了传统的非接触测距方法,无论在军用方面还是民用方面都起着十分重要的作用。本文介绍了一种相位激光器激光测距的方法,既可达到试验演示的目的,又可以达到较高的精度。

1　测距原理

    激光测距广泛采用传播时间法,飞行时间法是指测量光在测线上往返传播所需的时间tD来测量距离。即向被测物体发射激光,用探测器接收物体的反射光,记录光发射和反射时间差,来确定被测物体与测试点的距离。其基本原理如图1所示^[1]

    要测A、B两点之间的距离D,可以分别在A、B两点架设测距仪和反射器,测距仪发射一束激光,激光在被测距离A、B之间传播,到达B点后,激光被反射器反射。反射回的激光被测距仪接收,如果激光测距仪能测出激光从发射到接收这一段时间,那么,在A、B之间的距离就可以计算出来。根据光速c,则距离D为:

    相位式激光测距一般应用在精密测距中,其精度为mm级,为了有效地反射信号,这种测距仪大多配置了被称为合作目标的反射镜。相位测距原理如图2所示

^[2][3]。 

    相位法测距是用一调制信号对发射光波的光强进行调制,利用测定“调制光波”往返于被测距离的相位差,间接求得待测距离D。其距离的计算公式为:

式中,λ为调制波的波长,Φ为调制光在距离为2D上的相位差,C为调制光的传播速度,t为调制光在待测距离往返所需要的时间,f为调制光的频率^[4][5]。

2　实验装置

    本实验是利用相位法的激光测距,实验装置如图3所示,激光被调制成为调幅波,光强变化的频率为10MHz,这种调幅波至半反镜分出两束光波:一束经L₁直接传回至探测器1,称为参考信号;另一束经L²、L³返回至探测器2。两束光强均为10MHz,光探测器将光信号转化为电信号。用示波器测出两信号的相位差,从而可以计算出两束光先后到达探测器的时间差Δt,从而我们可以得到下面的公式:

    如果把上述试验稍加改进,我们就可以进行光速的测量,具体测量情况如图4所示。

    图中L₁和L₂都是固定的,我们从示波器上得出两束光到探测器的时间差Δt,从而我们就可以得出光速的公式

    图5为示波器的波形图,我们可以看见先后进入示波器的两束光的相位差情况。

3　结论

    根据多次测量的结果,测得距离取平均后为14. 965m,而实际上我们选取的距离为15m,单程误差约为0. 035m,误差为0. 233%,最大误差为0. 50%。基本上能够满足一些普通测距的要求^[6]。光速测量取平均数值后约为c =2·97×10⁸m /_s,1975年第十五届国际计量大会确认光速值为2.99792458±1·2×10⁸m /_s,本实验产生的误差约为2%。