激光扫描仪距离

#1 楼

可能值得考虑一下激光扫描仪的工作方式。我们知道可以在目标上发送光束，并检测反射到传感器所需的时间以测量其距离。

首先，我们使用激光是因为来自物体的光的反射是如此重要。激光使光集中在狭窄的光束中，并具有最小的折射。我们稍后再讲。

有几种测量距离的方法。首先是三角剖分。通常，这取决于光学器件的放置位置，以及返回光束照到的CCD传感器。您可以很容易地看到很大距离的问题-检测到的角度越来越接近$ 0 ^ \ circ $，因此我们需要在小比例尺下非常精确的传感器组件。我们还希望光束宽度较窄，以便准确检测光束的位置，但是在较窄的光束宽度处会有较大的衍射，这意味着返回的光束不会那么窄。在长距离上，由于衍射量很小，光束变得越来越宽。

第二种方法是测量往返时间。光的传播速度非常快，为$ 3 \乘以10 ^ 8 \ textrm {m / s} $。这意味着即使在$ 150 \ textrm {m} $处检测到某些东西，也将花费$ 1 \ textrm {μs} $。嵌入式计算机的时钟频率通常只有几兆赫兹，因此即使在这么长的距离上，系统也很难提供10％的精度，并且这是假定数据采集速度一样快-外围功能通常时钟速度较慢率。

数据采集​​通常要慢得多，从而可以构建更便宜的系统。关于他们如何摆脱这种情况-使用了一个有趣的现象。如果将正弦信号嵌入到光线中（通过强度），则返回信号也将是正弦信号。然而，取决于距离，信号将具有相移。也就是说，在$ 0 \ textrm m $处没有相移，并且如果波长为$ 20 \ textrm m $，则在$ 5 \ textrm m $处的对象将意味着光传播$ 10 \ textrm m $，从而创建了一个$ 180 ^ \ circ $的相移。如果将信号归一化到相同的幅度，并考虑出站信号和返回信号之间的差，我们将得到另一个模拟正弦信号（注意：这只是一种方法）。其幅度取决于相移。在$ 180 ^ \ circ $处，我们得到最大幅度-原始出站信号的两倍。即使使用慢速数字电路，我们也可以轻松检测到此信号的幅度。

主要问题是波长的选择限制了最大范围。例如，$ 20 \ textrm m $的波长将检测范围限制为仅$ 5 \ textrm m $。如果我们只是选择更长的波长，我们将获得相同的百分比精度。在许多情况下，如果我们想要更高的绝对精度，则系统将具有更高的成本，因为我们必须在面对环境噪声时更加准确地测量振幅。这可能涉及许多变化-例如，更大的激光束，更大的光强度和更精确的电子组件，更多的噪声屏蔽以及更多的运行系统功率。如果其中任何一个不够好，都会影响准确性。

影响所有方法的另一个问题是返回光束的强度。随着距离增加，强度降低。空气中没有太多的光散射，因此衰减并不是很大。但是，即使使用激光，衍射也非常小。尽管可以通过更宽的光束宽度减小衍射，但无法完全消除该衍射。衍射减少了入射在传感器上的返回光束量。因为光束宽度逐渐增加，所以传感器仅接收一小部分返回的光。这会影响测量的准确性。使用较大的传感器也会增加噪声。因此，在这里我们还看到了距离的另一个限制。我们可以通过增加光强度或增加光束宽度来增加距离。但是，增加光强度会增加功耗和热量，而增加光束宽度则需要更大的光学透镜和更大的光学组件之间距离。

本质上，成本，准确性，功耗和成本之间要达到平衡。系统的尺寸以及更长的距离通常需要更好的组件来保持精度。