КЛАССИФИКАЦИЯ СОВРЕМЕННЫХ ЛАЗЕРНЫХ ДАЛЬНОМЕРОВ

CLASSIFICATION OF MODERN LASER RANGEFINDERS

Ключевые слова: лазерный дальномер, импульсный метод, фазовый метод, триангуляционный метод, LiDAR, измерение расстояния.

Keywords: laser rangefinder, pulsed method, phase method, triangulation method, LiDAR, distance measurement.

Лазерные дальномеры представляют собой класс оптико-электронных устройств; предназначенных для бесконтактного определения расстояния с использованием лазерного излучения. Благодаря высокой направленности оптического пучка и быстродействию современной электронной аппаратуры такие приборы применяются в геодезии; строительстве; робототехнике; промышленной автоматизации; навигации и системах наблюдения. Разнообразие конструктивных решений и областей применения обусловливает необходимость их систематизации.

Наиболее существенным критерием классификации является способ формирования измерительной информации. По этому признаку можно выделить три основных подхода: импульсный, фазовый и триангуляционный [1, 2]. Помимо принципа измерения, дальномеры различаются по назначению, типу источника излучения, способу регистрации отражённого сигнала и организации сканирования. Сводная классификация приведена на рисунке 1.

Импульсные дальномеры определяют расстояние по времени прохождения короткого лазерного импульса до объекта и обратно. Для вычисления дальности измеряется временной интервал между моментом излучения и регистрацией отражённого сигнала. К преимуществам такого подхода относятся возможность работы на значительных расстояниях, высокая пиковая мощность зондирующего импульса и возможность временной селекции полезного сигнала. Основной сложностью является необходимость точного измерения малых временных интервалов и устойчивого обнаружения эхо-сигнала при широком диапазоне его амплитуд [1, 2].

Фазовые дальномеры используют непрерывное или квазинепрерывное лазерное излучение, интенсивность которого модулируется периодическим сигналом. Расстояние определяется по фазовому сдвигу между переданным и принятым сигналами. Метод позволяет получать высокую точность на малых и средних дистанциях, однако для расширения однозначно измеряемого диапазона требуется применение нескольких частот модуляции или дополнительных алгоритмов разрешения фазовой неоднозначности [2].

Триангуляционный метод основан на геометрическом определении положения изображения лазерного пятна на фоточувствительной матрице. Изменение расстояния до объекта приводит к смещению изображения, по величине которого вычисляется дальность. Такие системы обеспечивают высокую точность на небольших расстояниях и широко используются в промышленной автоматизации, контроле размеров и профилометрии. При увеличении дистанции чувствительность триангуляционной схемы снижается [2].

По функциональному назначению можно выделить ручные, телескопические, промышленные и сканирующие дальномерные системы. Ручные приборы применяются преимущественно в строительстве и при выполнении бытовых измерений. Телескопические дальномеры ориентированы на работу с удалёнными объектами и обычно оснащаются оптическим каналом наблюдения. Промышленные датчики предназначены для интеграции в автоматизированные комплексы и характеризуются повышенными требованиями к надёжности и устойчивости к внешним воздействиям [3].

Отдельную группу составляют сканирующие лазерные системы — LiDAR. В них последовательно измеряется расстояние по множеству направлений, что позволяет формировать пространственное представление окружающей среды. В зависимости от конструкции применяются одноканальные, многоканальные и матричные схемы. Такие устройства используются в робототехнике, автономном транспорте, картографии и системах технического зрения [3].

По типу лазерного источника применяются полупроводниковые, твердотельные и, реже, газовые лазеры. Полупроводниковые источники получили широкое распространение благодаря компактности, высокому коэффициенту полезного действия и возможности непосредственного управления током. Твердотельные лазеры применяются в системах, где требуется повышенная энергия импульса. При этом безопасность лазерного излучения определяется не типом рабочего тела как таковым, а длиной волны, мощностью, длительностью воздействия и классом лазерной аппаратуры.

По способу регистрации отражённого излучения дальномерные системы подразделяются на устройства прямого и когерентного детектирования. При прямом детектировании фотоприёмник регистрирует изменение мощности оптического сигнала. Когерентные системы дополнительно используют опорное излучение и анализируют интерференционный сигнал, что позволяет повысить чувствительность и селективность приёмного тракта, но усложняет оптическую и электронную части прибора [1].

Таким образом, классификация лазерных дальномеров должна учитывать не один, а совокупность признаков. Метод измерения определяет принцип построения измерительного тракта, тогда как назначение, способ детектирования и организация сканирования задают требования к конструкции и алгоритмам обработки. Для задач, связанных с измерением значительных расстояний и необходимостью быстрого получения результата, наиболее перспективными остаются импульсные дальномеры, поскольку они позволяют сочетать высокую пиковую мощность излучения с временной селекцией отражённого сигнала.

Список литературы

1. Аснис Л.А., Васильев В.П., Волконский В.Б. [и др.]. Лазерная дальнометрия / под ред. В.П. Васильева, Х.В. Хинрикуса. – М.: Радио и связь, 1995. – 256 с.
2. Бокшанский В.Б., Бондаренко Д.А., Вязовых М.В. [и др.]. Лазерные приборы и методы измерения дальности: учеб. пособие / под ред. В.Е. Карасика. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. – 92 с.
3. Соломатин В.А. Лидарные технологии: учебное пособие для вузов. – М.: Инновационное машиностроение, 2024. – 144 с.