第六章激光在精密測量中的應(yīng)用

激光由于有優(yōu)異的單色性、方向性和高亮度，使它在多方面得到應(yīng)用。例如，激光在加

工工業(yè)中被用來完成打孔、焊接、切割、快速成型，在醫(yī)學(xué)中制造了激光手術(shù)刀、激光近視

眼治療儀、激光輻照儀，在IT產(chǎn)業(yè)中大量用來做光通訊、光存儲、光信息處理的光源，在近

代的科學(xué)研究中用于受控核聚變、光譜分析、操縱原子、誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)、乃至探索宇宙的起

源，但是其最早期的應(yīng)用還是在計量領(lǐng)域。尤其因為它可以與自然基準一一光的波長直接相

聯(lián)系，實現(xiàn)高精度測量，在長度測量領(lǐng)域得到/大量的應(yīng)用。以下本書將要對激光在各方面

的應(yīng)用進行討論，本章首先介紹激光在精密測量中的應(yīng)用。

激光的高度相干性使它一經(jīng)發(fā)明就成為替代氮86作為絕對光波干涉儀的首選光源，經(jīng)

過四十年的發(fā)展，激光干涉計量已經(jīng)走出實驗室，成為可以在生產(chǎn)車間使用的測量檢定標準,

激光衍射測量也成為許多在線控制系統(tǒng)的長度傳感怒。激光的良好方向性和極高的亮度不僅

為人們提供了一條可見的基準直線，而且為長距離的光電測距提供了可能。激光同時具有高

亮度和高相干性使得光的多普勒效應(yīng)能夠在測速方面得到應(yīng)用。激光雷達則綜合應(yīng)用了激光

的各方面的優(yōu)點，成為環(huán)境監(jiān)測的有力武器。

6.1激光干涉測長

6.1.1干涉測量技術(shù)是以光的干涉現(xiàn)象為基礎(chǔ)進行測量的一門技術(shù)。在激光出現(xiàn)以后，加

之電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，隔振與減振條件的改善，干涉技術(shù)得到了長足進

展。干涉測量技術(shù)大多數(shù)是非接觸測量，具有很高的測量靈敏度和精度，而且應(yīng)用

范圍十分廣泛。常用的干涉儀有邁克爾遜干涉儀、馬赫一曾德干涉儀、菲索干涉儀、

泰曼一格林干涉儀［22-24］等；70年代以后，具有良好抗環(huán)境干擾能力的外差干涉

儀，如雙頻激光干涉儀［25-27］、光纖干涉儀也很快的發(fā)展了起來。激光干涉儀越來

越實用，其性能越來越穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)也越來越緊湊。

6.1.2干涉測長的基本原理

激光干涉測長的基本光路是一個邁克爾遜干涉儀（如圖6-1示），用干涉條紋來反映被

測量的信息。干涉條紋是接收面上兩路光程差相同的點連成的軌跡。激光器發(fā)出的激光束到

達半透半反射鏡P后被分成兩束，當(dāng)兩束光的光程相差激光半波長的偶數(shù)倍時，它們相互加

強形成亮條紋；當(dāng)兩束光的光程相差半波長的奇數(shù)倍時，它們相互抵消形成暗條紋。兩束光

的光程差可以表示為

A'A/

(6-1)

i=lJ=l

式中分別為干涉儀兩支光路的介質(zhì)折射率：分別為干涉儀兩支光路的兒何路程。將被

測物與其中一支光路聯(lián)系起來，使反光鏡M2沿光束2方向移動，每移動半波長的長度，光束2

的光程就改變了一個波長，于是干涉條紋就產(chǎn)生一個周期的明、暗變化。通過對干涉條紋變化的

測量就可以得到被測長度。

被測長度L與干涉條紋變化的次數(shù)N和干涉儀所用光源波長2之間的關(guān)系是

L=N-(6-2)

2

式(6-2)是激光干涉測長的基本測量方程。

從測量方程出發(fā)可以對激光干涉測氏系統(tǒng)進行基本誤差分析

——即8L=8N中歆(6-3)

LN2

式中分別為被測長度、干涉條紋變化計數(shù)和波長的相對誤差。這說明被測長度的相對誤差

由兩部分組成，一部分是干涉條紋計數(shù)的相對誤差，另一部分是波長也就是頻率的相對誤

差。前者是干涉測長系統(tǒng)的設(shè)計問題，不是本書研究的內(nèi)容。后者除了與前面講過的激光穩(wěn)

頻技術(shù)有關(guān)之外還與環(huán)境控制，即對溫度、濕度、氣壓筆的控制有關(guān)。因此激光干涉測長系

統(tǒng)測量誤差必須根據(jù)具體情況進行具體分析。

6.1.3激光干涉測長系統(tǒng)的組成

除了邁克爾遜干涉儀以外，激光干涉測長系統(tǒng)還包括激光光源，可移動平臺，光電

顯微鏡，光電計數(shù)器和顯示記錄裝置。激光光源一般是采用單模的He-Ne氣體激光器，輸出

的是波長為632.8納米的紅光。因為氮凝激光器輸空激元的頻率和功率穩(wěn)定性高，它以連續(xù)

激勵的方式運轉(zhuǎn)，在可見光和紅外光區(qū)域里可產(chǎn)生多種波長的激光譜線，所以氮敏激光器特

別適合用作相干光源。為禿高光源的單色性，對激光器要采取穩(wěn)頻措施?？梢苿悠脚_攜帶著

邁克爾遜干涉儀的一塊反射鏡和待測物體一起沿入射光方向平移，由于它的平移，使干涉儀

中的干涉條紋移動。光電顯微鏡的作用是對準待測物體，分別給出起始信號和終止信號，其

瞄準精度對測量系統(tǒng)的總體精度有很大影響。光電計數(shù)器則對干涉條紋的移動進行計數(shù),顯

示和記錄裝置是測量結(jié)果的輸出設(shè)備，顯示和記錄光電計數(shù)器中記下的干涉條紋移動的個

數(shù)及與之對應(yīng)的長度，可以用專用計算機或也可以用通用的PC機替代。

邁克爾遜干涉儀是激光干涉測長系統(tǒng)的核心部分，其分光器件、反射器件和總體布局有

若干可能的選擇。

干涉儀的分光器件原理可以分為分波陣面法、分振幅法和分偏振法。常用的分光器有分

振幅平行平板分光器（圖6T）和立方棱鏡分光器。其中立方棱鏡分光器上還可以膠合干涉

儀的其他元件，組成整體式干涉儀布局，能與系統(tǒng)的機座牢固連接減少誤差。在偏振干涉儀

系統(tǒng)中需要采用偏振分光器（參見圖6-6B2）,它由一對玻璃棱鏡相膠合而成，在其中一塊

楂鏡的膠合面上蒸鍍偏振分光膜，得到高度偏振的S分最反射光和P分量透射光。偏振分光

器也可由晶軸正交的偏光棱鏡組成，如沃拉斯頓棱鏡。

干涉儀中常用的反射器件中最簡單的是平面反射器，這種器件的偏轉(zhuǎn)將產(chǎn)生附加的光

程差，在采用多次反射以提高測量精度的系統(tǒng)或長光程干涉儀中此項誤差不可忽略。角錐棱

鏡反射器（圖6-2a）的反射光與入射光反向平行，具有抗偏擺和俯仰的性能，可以消除偏

轉(zhuǎn)帶來的誤差，是干涉儀中常用的器件。直角棱鏡反射器（圖6-2b）只有兩個反射面，加工

起來比較容易，并只對一個方向的偏轉(zhuǎn)敏感。貓眼反射器（圖6-2c）由一個誘鏡L和一個

凹面反射鏡M組成，反射鏡放在透鏡的焦點處，若反射鏡的曲率中心5與透鏡的光心C重

合，當(dāng)透鏡和反射鏡一起繞著C旋轉(zhuǎn)時，光程保持不變。貓眼反射器的優(yōu)點是容易加工和不

影響偏振光的傳輸，而且在光程不太長時還可以用平面反射鏡代替凹面反射鏡，更容易加工

與調(diào)整。

圖6-2（a）角錐棱鏡反射器：（b）直角棱鏡反射器：（c）貓眼反射器

激光干涉儀光路的總體布局也有若干可能的選擇。在激光干涉儀光路設(shè)計中，一般遵循

共路原則，即測量光束與參考光束盡量走同一路徑，以避免大氣等環(huán)境條件對兩條光路影響

不一致而引起的測量誤差。典型光路布局有使用角錐棱鏡反射器的常用的光路布局，如圖

63示。圖63a中角錐棱鏡可使入射光和反射光在空間分離一定距離，這種光路可避免反射

干涉條紋計數(shù)時，通過移相獲得兩路相差冗/2的干涉條紋的光強信號，該信號經(jīng)放大，

整形，倒向及微分等處理，可以獲得四個相位依次相差n/2的脈沖信號(圖6-5)。若將球沖

排列的相位順序在反射鏡正向移動時定為1.234,反向移動時定為1.4.3.2；后續(xù)的邏輯電路

便可以根據(jù)脈沖1后面的相位是2還是4判斷脈沖的方向，并送入加脈沖門或減脈沖門,

便實現(xiàn)了判向的目的。同時經(jīng)判向電路后，將一個周期的干涉信號變成四個脈沖輸出信號。

實現(xiàn)干涉條紋的四倍頻計數(shù)，相應(yīng)的測量方程變?yōu)?/p>

L=N-(6-4)

8

1一干涉條紋；2一移相系統(tǒng)；3—光電接收器：4一放大器；5一倒相

6-微分電路；7—可逆計數(shù)器；8—計算機；9一顯示器

圖6-5判向計數(shù)原理

6.1.4激光外差干涉測長技術(shù)

激光的發(fā)明和應(yīng)用使干涉測長技術(shù)提高了精度，擴大了量程并且得到了普及，但是使

干涉測長技術(shù)走出實驗室進入車間，成為生產(chǎn)過程質(zhì)量控制設(shè)備的是激光外差干涉測長技

術(shù)，具體來講就是雙頻激光干涉儀。

激光干涉儀產(chǎn)生的干涉條紋變化頻率與測量反射鏡的運動速度有關(guān)，在從靜止到運動

再回到靜止的過程中對應(yīng)著頻率從零到最大值再返回到零的全過程，因此光強轉(zhuǎn)化出的直

流電信號的頻率變化范圍也是從零開始的。這樣的信號只能用直流放大器來放大處理。但是

在外界環(huán)境干擾下，干涉條紋的平均光強會有很大的變化，以至于造成計數(shù)的錯誤。所以?

般的激光干涉儀抗干擾能力差，只能在恒溫防振的條件卜.使用。為了克服以上缺點，"J以在

干涉儀的信號中引入一定頻率的載波，使被測信號通過這一載波來傳遞，使得干涉儀能夠采

用交流放大，隔絕外界環(huán)境干擾造成的直流電平漂移。利用這種技術(shù)設(shè)計的干涉儀稱作外差

干涉儀，或交流干涉儀。產(chǎn)生干涉儀載波信號的方法有兩種，一種是使參與干涉的兩束光產(chǎn)

生一個頻率差，這樣的兩束光相干的結(jié)果會出現(xiàn)光學(xué)拍的現(xiàn)象，轉(zhuǎn)化為電信號以后得到差頻

的載波，另?種是在干涉儀的參考臂中對參考光束進行調(diào)制，與測量臂的光干涉直接生成我

波信號。前者稱為是光外差干涉，而后者常常稱作是準外差干涉。本節(jié)以前i種原理的雙頻

激光干涉儀為主來介紹激光外差干涉測長技術(shù)。

雙頻激光干涉儀的光路如圖6-6所示，其中氮嵐激光器上沿軸向施加以磁場，由于塞曼

效應(yīng)激光被分裂成有一定頻率差的左旋偏振光和右旋偏振光（常用的雙頻激光干涉儀把

這一頻差設(shè)計成）。通過1/4波片后，和變成相互垂直的線偏振光，又被分束鏡

分成兩束，其中一束反射到主截面與相互垂直的兩線偏振光偏振方向成45°的檢偏器，產(chǎn)

生拍頻信號。光電探測器對兩倍光頻的和頻信號沒有響應(yīng)，接收到的只是頻率為的參考

差頻信號“另一束光透過分束鏡向前傳播進入偏振分比棱鏡后，偏振方向垂直紙面的

被完全反射，偏振方向在紙面內(nèi)的完全透射。再經(jīng)由參考臂反射鏡和測量臂反射鏡反

射回來合束，通過類似檢偏器的檢偏器，產(chǎn)生的拍頻信號被光電探測器接收。由于測

量反射鏡以速度運動，光的多普勒效應(yīng)使由返光的頻率產(chǎn)生多普勒頻移（正負號

取決于測量反射鏡的運動方向），接收到的測量信號頻率為。將測量信號與參考信號進

行同步相減便得到多普勒頻移，多普勒頻移對測量時間積分，也就是說進行累計計數(shù)就可

以測出測量反射鏡的位移量。

測量反射鏡運動產(chǎn)生的多普勒頻移可以表示為

2V2V

=——v=(6-5)

CT

式中為光速，為光波長。若測量所用時間為，則測量鏡的位移量可由下式計算

（6-e）

式中N為記錄下來的累計脈沖數(shù)。

雙頻激光干涉儀的被測信號是作為頻率調(diào)制加在載頻之上的，一般應(yīng)小于載頻的三分之一，

因此對應(yīng)的多普勒頻移不能超過，允許的最大測量速度約為。這樣一來，處理電路的工

作頻率可以設(shè)定在之間.從而濾掉小于的全部噪聲。

6.1.4激光干涉測長應(yīng)用舉例網(wǎng)

1.激光干涉測長除了測量長度還可以測量各種能夠轉(zhuǎn)化為被測長度的物理量，比如長

度計量中的角度，再如壓力、溫度、折射率等。本節(jié)以角度和折射率測量為例來說

明激光干涉測長的應(yīng)用。

2.激光測角

激光測角的原理與小侑度干涉儀類似，都是采用三角正弦原理。如圖6-7所示，雙頻激

光器發(fā)出的相互垂直的線偏振光進入偏振分光棱鏡組1后被分離成為相距為R的兩個平行

光束，分別射向角錐棱鏡組件2的角錐棱鏡和。平移一段距離后沿原方向返回，在分光

榜鏡組上重新匯合，經(jīng)過瞼偏器3和3'在光電接收器4和4'形成差頻信號。當(dāng)角錐楂

鏡組件2移動過程中發(fā)生轉(zhuǎn)動，角錐棱鏡和反射回來的光的多普勒頻移和不再相同,

由此可通過下式得到被測的轉(zhuǎn)角

c.\L.M麗”-△人上〃

0-arcsin——=arcsin---------------------------(6-7)

R2R

雙頻激光干涉儀的測角分辨率為0.1",測量范圍可達±1000〃。

12

1一偏振分光棱鏡組；2一角錐棱鏡組：3、3'一檢漏器；4、4'一光電接收器;

5、5'一放大器；6一倍頻和計數(shù)卡；7—計算機

圖6-7雙頻激光干涉儀測量角度原理圖

3.激光測氣體折射率

激光測折射率也利用雙頻激光干涉技術(shù)，具光路如圖6-8。從激光器發(fā)由的正交線偏振光

在分光鏡的前后表面上分成兩束，每束均包含有兩種頻率。其中一束在真空室4中通過,

另一束在真空室外通過，兩者相互平行，經(jīng)角錐棱鏡6返回。兩次在真空室中通過的光在

1/4波片上經(jīng)過兩次，相當(dāng)于通過一次1/2波片，線偏振光的偏振面轉(zhuǎn)過90度。真空室內(nèi)

外的兩束光在分光鏡上重新匯合后，又在偏振分光棱鏡1上分光。同方向的光振動被分到?

個光電接收器上形成拍頻信號。得到的兩路拍頻信號的頻率分別為和（式中為排氣造

成的多普勒頻移）。

測量過程開始時?，真空室內(nèi)外充以同樣的氣體，隨著抽氣的過程，真空室內(nèi)的氣體越來

越少，最后變成折射率為1的真空狀態(tài)。測量結(jié)果就是氣體折射率造成的兩路光程差，根據(jù)

已知的真空室長度不難計算出測量過程開始時的氣體折肘率。設(shè)真空室長度為，激光在

真空中的波長為，則被測氣體折射率可以用記錄下來的累計條紋數(shù)表示為

n=A/v-1（6-3）

"2L

實際上，上述方法可以用來對折射率變化做適時監(jiān)測，并可以進一步轉(zhuǎn)化為氣體溫度、壓力、

濕度乃至氣體中某些成分變化的精密監(jiān)測。

6.2激光衍射測量

衍射是波在傳播途中遇到障礙物而發(fā)生偏離直線傳播的現(xiàn)象。由于光的波長較短，只有當(dāng)光

通過很小的孔或狹縫，很小的屏或細絲時才能明顯的察覺到衍射現(xiàn)象。因此反過來，當(dāng)觀察

到明顯的衍射現(xiàn)象時，產(chǎn)生衍射的物體是很小的。這就告訴人們，衍射現(xiàn)象可以用作精密測

量。但是觀察到明顯的衍射現(xiàn)象需要一個基本條件，即高度的相干性。用普通光源只能在條

件很好的實驗室中才能觀察到可供測量的衍射圖象。激光發(fā)明后高度的相干性變得很容易獲

得，因此衍射測量變成一種普通的可用于生產(chǎn)現(xiàn)場的精密測量手段。激光衍射測量方法同時

具有非接觸、穩(wěn)定性好'自動化程度及精度高等優(yōu)點，因而被廣泛應(yīng)用。

6.2.1激光衍射測量原理

光的衍射現(xiàn)象，按衍射物和觀察衍射條紋的屏幕（即衍射場）之間的位置關(guān)系一般分為

兩種類型：菲涅耳衍射和夫瑯和費衍射，前者是有限距離處的衍射現(xiàn)象，即觀察屏到衍射物

的距離比較小的情況，也稱近場衍射。后者是無限距離處的衍射現(xiàn)象，在觀察屏離衍射物可

以近似做無限遠時才能觀察到，也稱遠場衍射。因為透鏡的后焦面的共輾面就在無限遠處，

所以用透鏡可以觀察到準確的夫瑯和費衍射。在實際的衍射測量系統(tǒng)中透鏡得到廣泛的應(yīng)

用。

用于衍射測量系統(tǒng)的衍射物通常只有兩種，一種是單縫，一種是圓孔。以下從介紹單縫

和圓孔衍射測量原理［29］出發(fā)對激光衍射測量方法進行全面討論。

1.單縫衍射測量

(1)單縫衍射測量的原理

激光單縫衍射測量的基本原理是單縫夫瑯和費衍射，圖6-9為其原理圖。用激光束照射被測

物與參考物之間的間隙，當(dāng)觀察屏與狹縫的距離L?b2/入時，形成單縫遠場衍射，在觀察屏

上看到清晰的衍射條紋。條紋的光強可表示為

仍

式中，，為衍射角，是時的光強，即光軸上的光強。由上式可以得出，當(dāng)6=±九

±2兀，…土nil時，出現(xiàn)的一系列1=0的暗條紋。測定仟一個喑條紋的位置及其變化就可以

精確知道被測間隙b的尺寸及尺寸的變化，這就是衍射測量的基本原理。

(2)單縫衍射測量的基本公式

對第k個衍射暗條紋有—|sin<9=^,即Z?sin6>=U,當(dāng)。不大時，

A)

sin<9=/^=^-(式中Xk為第k級暗條紋中心距中央零級條紋中心的距離)。所以

L

b=—(6-10)

上式就是衍射測量的基本公式。當(dāng)用測量時，已知、，測定出第個暗

條紋的，便可由上式算出間隙的精確尺寸。當(dāng)被測物體尺寸改變6時，相當(dāng)于狹縫尺寸

改變6,衍射條紋的位置也隨之改變，可得

d=b-bo=kLA,--------1(6-11)

式中〃，尻分別為起始縫寬和變化后的縫寬；8，與。分別為第4個暗條紋的起始位置和變化

后的位置。

(3)單縫衍射測量的分辨力、精度和量程

測量分辨力是指激光衍射測量能分辨的最小量值，即測量能達到的靈敏度。把衍射測

量基本公式改寫為再進行微分，得到衍射測量的相對靈敏度

(6-12)

~~kH

這表明縫寬越小、越大、激光波長越長、所選取的衍射級次越高，則越小,

測量分辨力越高，測量就越靈敏。如果取=1000mm,=0.1mm,=4,=0.63uin,代入

上式得到「1/250。這就是說通過衍射，使的變化量放大了250倍。如果的測量分辨力

是0.1mm,則衍射測量能達到的分辨力為0.4Mmo

從式(6T0)可知,衍射測量的測量精度決定于，和的測量精度。對其進行微分,

用儀器的隨機誤差理論進行處理，可得到的衍射測量誤差

式中為激光器輸出波長的變化量，為觀察屏的位置誤差，為衍射暗條紋位

置的測量誤差。氮筑激光器波長穩(wěn)定度一般優(yōu)于10-6,可不予考慮，衍射測量誤差

主要是和的測量誤差。一般情況下，和不超過0.1%。如果取=1000mni,

=0.63u,k=3,=10mm,從前式得到6b=±0.3u。此時的狹縫寬度b=0.19mm,則

6b/b=±1.6X10-3o實際測量中還包括環(huán)境因素的影響，衍射測量可達到的精度一

般在±0.5um左右。

式(6-12)表示的衍射測量相對靈敏度是激光衍射放大倍數(shù)的倒數(shù)。它說明縫寬越小,

衍射效應(yīng)越顯著，光學(xué)放大比越大；縫寬越大，條紋密集，測量靈敏度低。實際上當(dāng)

b>>0.5mm時，放大倍數(shù)太小，衍射測量就失去意義。另一方面為了滿足夫瑯和費衍射

條件L?b2/入，L一定后,被測最大縫寬b已被限定，如果LlOOOmm,則b?0.8mnu

說明增大L可以擴大量程，但L增大往往受儀器結(jié)構(gòu)和體積的限制。所以衍射測量儀

器的量程一般為0.31到0.5mm。

2.圓孔衍射測量

當(dāng)平面光波照射的汗孔為圓形時，其遠場的夫瑯和費衍射像是中心為一圓形亮瓦，外

面繞著明暗相間的環(huán)形條紋。

圖(6-10)表示了圓孔的夫瑯和費衍射原理，接收屏上衍射條紋的光強分布為

〃［也也］2(6-14)

x

式中Jl(x)為一階貝賽爾函數(shù)，，為激光波長，為圓孔半徑，為衍射角。當(dāng)Jl(x);O

時可求得條紋極小值。衍射圖中央是亮斑(愛里斑)，它集中了8攸左右的光能量。設(shè)中心

亮斑(即第一暗環(huán))的直徑為，因，所以

』.22二(6-15)

a

式中，為會聚透鏡的焦兆。當(dāng)已知和時，測定就可以由上式求出圓孔半徑。因此,

測定愛里斑的大小或其變化可以精密地測定或分析微小內(nèi)孔的尺寸。

1.6.2.2激光衍射測量的方法［22,23,28］

2.在實際應(yīng)用中，基于單縫衍射的各種測量方法大都根據(jù)式(6-10)。而基于圓孔衍

射的測量方法根據(jù)式(6-15),通過計算衍射暗條紋(暗環(huán))間距來確定被測量。

具體的測量方法有如下幾種。

3.間隙測量法

間隙測量法基于單縫衍射的原理，是衍射測量的基本方法。可以用作尺寸的比較測量，如圖

6-11(a)。先用標準尺寸的工件相對參考邊的間隙作為零位，然后放上工件，測定間隙的變化量

而推算出工件尺寸。還可作工件形狀的輪廓測量，如圖6-11(b)。同時轉(zhuǎn)動參考物和工件，由間

隙變化得到工件輪廓相對于標準輪廓的偏差。也可以作為應(yīng)變傳感器使用，如圖6-11(c)。當(dāng)試

件上加載力P時，引起單縫的尺寸變化，從而可以用測量衍射條紋的變化得到應(yīng)變量。

間隙測量法可按式(6-10)通過測量xk來計算間隙寬度，也可通過測定兩個暗條紋之間的

間隔值來得到間隙寬度。,用間隙測量法測量位移時，即測量狹縫寬度b的改變量，可采用絕

對法，求出變化前后的兩個縫寬b和b',然后相減。也可以用增量法。后者所用公式為

3=h'-h==(k-=(6-16)

sin。sin。sin。sin。

4.式中，是通過某一固定的衍射角來記錄條紋的變化數(shù)目。因此只要測定AN就

能求得位移值6。這種情況類似于干涉儀的條紋計數(shù)。間隙法作為靈敏的光傳感

器可用于測定各種物理量的變化，如應(yīng)變，壓力，溫度，流量，加速度等。

5.反射衍射測量法

反射衍射是利用被測物的邊緣和反射鏡構(gòu)成的狹縫來進行衍射測量的，圖6-12所示

為其原理。在P點處出現(xiàn)第級暗條紋的光程差應(yīng)滿足

2bsin0-2bs\n(fi-(/))=kA(6-17)

式中為入射的平行激光束與反射鏡之間夾角，為衍射角即由狹縫與反射鏡交點和

P點連線與滿足反射定律的反射光線之間夾角。在該圖的幾何關(guān)系下縫寬可以表示為

b=kL^I2xkcose+；；sin。(6-18)

式(6-18)表明，由于反射的原因，測量靈敏度提高了一倍。反射衍射技術(shù)主要用于表面質(zhì)

量評定、直線性測定、間隙測定等方面。這種方法易于實現(xiàn)檢測自動化，其檢測靈敏度可達

2.5-0.025Pmo

6.分離間隙法

在實際測量中，常會遇到組成狹縫的兩邊不在同一平面內(nèi)即存在一個間隔的情況。

此時衍射圖出現(xiàn)不對稱現(xiàn)象。利用參考物與被測物不在同一平面內(nèi)情況下所形成的衍射條紋

進行精密測量的方法稱為分離間隙法。分離間隙法的測量原理如圖6-13所示，測量出正負

不同級次和上的暗條紋的位置和即可由下式計算中狹縫寬度和間隔

b=(6-19)

圖6-13分離間隙法原理圖

7.互補測量法

激光互補衍射測量法的原理是匕俾涅定理。圖6-14所示為兩個互補衍射屏。用平面九波照射這

兩個屏?xí)r，產(chǎn)生的衍射圖形的形狀和光強完全相同，僅位相相差叫這就是巴俾涅互補定理。利

用互補原理，可以對各種細金屬絲（如漆包線,鐘表游絲等）和薄帶的尺寸進行高精度的非接觸測

量，其結(jié)果與測量狹縫相同。互補測量法測量細絲直徑的范圍一般是O.Ol-O.lmm,測量精度可達

至ljO.O5Pnio

8.愛里斑測量法

基于圓孔夫朗和費衍射的測量方法稱作愛里斑測量法。通常用愛里斑中歸一化光強的大小的測量

來確定被測孔的直徑。圖6-15是用愛里斑測量人造纖維或玻璃纖維加工中的噴絲頭孔徑的原理

圖。測量儀器和被測件作相對運動，以保證每個孔順序通過激光束。通常不同的噴絲頭，其孔的

直徑約在10-90um范圍之內(nèi)。由激光器1發(fā)出的激光束，照射到被測孔2上，通過孔以后的衍

射光束由分光鏡3分成兩部分，分別照射到光電接收器5和7上，兩接收器分別將照射在其上的

衍射圖案4.6的先信號轉(zhuǎn)換成電信號送到電壓比較器8中。然后由顯示器9講行輸出顯示。通過

微孔衍射所得到的明暗條紋的總能量，可以認為不隨孔的微小變化而變化。但是衍射圖案的強度

分布（分布面積）是隨孔徑的變化而急劇改變的。因而，在衍射圖上任何給定半徑內(nèi)的光強度，即

所包含的能量，是隨激光束通過孔的直徑變化而顯著變化的。因此，需使光電接收器5接收被分

光鏡反射的衍射圖的全部能量，使它所產(chǎn)生的電壓幅度可以作為不隨孔徑變化的參考量。光電接

收器7只接收愛里斑圓中心的部分光能量，通常選取愛里斑圓面積的一半，其接收的光能隨被測

孔在的變化和愛里斑圓面積的改變而改變，從而輸出電壓幅值改變。電壓比較器將光電接收器5

和7的電壓信號進行比較從而得出被測孔徑值。

6.2.3激光衍射測量的應(yīng)用

1.激光衍射測量的成功實例很多，這里只舉兩個例子加以說明。

2.薄膜材料表面涂層厚度測量

薄膜材料表面涂層用度測量是使用分離間隙法，圖6-16所示為其原理。被測件4是表面有

可塑性涂層的紙質(zhì)材料或聚脂薄膜，滾筒6用于傳送被測薄膜。激光器1發(fā)出的激光束經(jīng)柱

面透鏡2和3擴展，以寬度的入射光束照射由薄膜表面和棱緣7組成的狹縫。為便「?安裝

被檢薄膜，棱緣7和薄膜表面錯開一定距離；調(diào)整柱面透鏡2和3之間的距離，使通過狹

縫后的衍射光聚焦于預(yù)定更離處，衍射條紋16垂直于狹縫展開；光電探測器14由光電二

極管組成，置于一給定的位置處，將衍射條紋的光強信號變換為電信號，并經(jīng)放大器13后,

由顯示器1U顯示。一般選取第二級或第二級暗條紋作為檢定定位條紋。調(diào)苗校緣7改變縫

寬，使定位條紋進入光電二極管。測量開始時將沒有涂層的薄膜通過滾筒，調(diào)整顯示器使之

為零。當(dāng)有涂層的薄膜通過滾筒時，狹縫寬度變小，條紋位置移動，顯示器顯示出涂層的厚

度。利用測微計可以測出棱緣7的移動量，模擬涂層引起的縫寬的變化量，對儀器進行校準。

干涉濾光片15用來消除雜散光的影響，容性濾波網(wǎng)絡(luò)12起平均濾波作用，驅(qū)動馬達9由探

測電路控制，在儀器調(diào)整過程中，帶動棱緣移動直到對準定位條紋。

圖6-16薄膜材料表面涂層厚度測量

3.顯示器顯示的是涂層厚度相對于標準涂層厚度的偏差，當(dāng)涂層厚度為標準值時,

顯示為零“這種檢測儀可以穩(wěn)定的分辯出0.3nm的變化.

4.薄帶寬度測量

鐘表工業(yè)中的游絲以及電子工業(yè)中的各種金屬薄帶(一般寬度在I毫米)以下，均可利

用激光衍射互補測量法進行測量。在測量時要求薄帶相對激光束的光軸有準確的定位，否則

將引起測量誤差。只有當(dāng)薄帶面嚴格垂直于激光束光軸時，測得的值是準確的帶寬，不允許

薄帶有相對的轉(zhuǎn)動。因此、為了保證薄帶相對于激光束軸線的準確位置，必須在薄帶的測量

裝置中裝有定位裝置。

圖6-17是薄帶寬度測量原理圖。激光器1發(fā)出的激光束經(jīng)過反射鏡2和半反射鏡3

轉(zhuǎn)向，照射在寬度為b,厚度為I的薄帶5上(b?t)。在距離為L的接收屏上得到隨薄帶寬度

b的尺寸而變化的衍射條紋6。通過測量條紋之間的間距S,求得薄帶寬度b。

為保證薄帶和激光束互相垂直的準確位置，薄帶表面的反射光通過半反半透鏡3照射到

定位指示光電二極管4上，薄帶的轉(zhuǎn)動將引起光點在光目二極管上位置的變化，由其發(fā)出信

號使調(diào)整機構(gòu)調(diào)整溥帶復(fù)位，達到準確定位。

如果選取中心亮條紋作為測量對象，須測量k=+l和k=-l兩個暗點之間的距離。設(shè)此距

離為X,則X=2s。當(dāng)L為足夠大時，帶寬的計算公式為,測得距離X或其變化量，即可求

出帶寬b或其變化量。

6.3激光測距

在生產(chǎn)實踐和科學(xué)研究中，常常會遇到測量距離的問題。如在大地測量和地質(zhì)勘探中，

需要測出兩個山頭之間的距離；在建造大橋時，則需要測量大江兩岸的間隔。而在軍事」.，炮

位的瞄準、遠距離打擊等更離不開距離的正確測顯。光電測距是較早提出的一種物理測距方

法，早在四十年代末五十年代初就制成了光電測距儀并實際應(yīng)用「地面目標之間距離的測

量。但是，當(dāng)時的光電測距儀，受到了光源的亮度與單色性的限制，沒有能得到很大的發(fā)展。

六十年代初期，激光的出現(xiàn)對光電測距儀的發(fā)展起了極大的推動作用。激光亮度高、單

色性好、方向性強、光束狹窄，是光電測距儀的理想光源。與其他測距儀(如微波測距儀、

光電測距儀等)相比，激光測距儀［30］具有探測距離遠、測距精度甑抗十?dāng)_性強、保密性

好以及體積小、重量輕、重復(fù)頻率高等特點。在成功地進行了月球和人造地球衛(wèi)星的激光測

距后，各種民用和軍用激光測距儀歷經(jīng)幾代的研究改進，現(xiàn)已大展用于實際工作中。

不同于激光測長.激光測明測量的長度要大得多。若按測程劃分，激光測距大體有如下三類：

短程激光測距儀，它的測程僅在五公里以內(nèi)，適用于各種工程測量；中長程激光測距儀，測

程為五至幾十公里，適用于大地控制測量和地震預(yù)報等：遠程激光測距儀，用于測量導(dǎo)彈、

人造衛(wèi)星、月球等空間FI標的距離。

根據(jù)測量方法.激光測距又可分為脈沖測距法和相位測距法，前者測量精度比較低.適用于

軍事及工程測量中精度要求不太高的場合；后者測量精度比較高.在大地和工程測量中得到

了廣泛的應(yīng)用。下面按照后一種分類分別介紹脈沖測距和相位測距。

6.3.1激光脈沖測距

1.激光脈沖測距原理

因為光速是個常數(shù)，而光又沿著直線傳播，只要測量出光束在待測距離上往返傳播的時

間就可以計算出兩點之間的直線距離。激光脈沖測距原理就是通過發(fā)射激光脈沖控制計時器

開門，接收返回的激光脈沖控制計時器關(guān)門，測量出激光光束在待測距離上往返傳播的時間,

完成測距的。其計算公式為：

d=-ct(6-20)

2

式中d為待測距離：c為激光在大氣中的傳播速度：t為激光在待測距離上的往返傳播時間。

2.激光脈沖測距儀的結(jié)構(gòu)

激光脈沖測距儀的簡化結(jié)構(gòu)如圖(6-18)所示。它的工作過程大致如下：當(dāng)測距儀對準目標

后，激光器就發(fā)出一個很強很窄的光脈沖。這個光脈沖經(jīng)過發(fā)射望遠鏡壓縮發(fā)散角。以紅寶

石激光器為例，它的光束發(fā)散角一般是幾個毫弧度，經(jīng)過發(fā)射望遠鏡，壓縮到零點幾個毫弧

度。這樣的光脈沖射到十公里遠的地方，只有幾米直徑的一個光斑。在光脈沖發(fā)射出去的同

時，其中極小一部分光立即由兩塊反射鏡反射而進入接收望遠鏡,經(jīng)過濾光片到達光電轉(zhuǎn)換

器變成電信號，亦即光脈沖變成電脈沖。這個電脈沖經(jīng)過放大整形后送入時間測量系統(tǒng),使

其開始記時。而射向目標的光脈沖，由于目標的漫反射作用，總有一部分光從原路返回來，而

進入接收望遠鏡，它同樣也經(jīng)過濾光片、光電轉(zhuǎn)換器、放穴整形電路而進入時間測量系統(tǒng)，使

其停止計時。時間測量系統(tǒng)所記錄的時間，再經(jīng)過計算在顯示器上直接給出測距儀到目標的

距離O

3.激光脈沖測距儀對光脈沖的要求

為了擴大測量范圍，提高測量精度，測距儀對光脈沖應(yīng)有以下要求：

光脈沖應(yīng)具有足夠的強度。無論怎樣改善光束的方向性，它總不可避免的要有一定的發(fā)

散,再加上空氣對光線的吸收和散射，所以目標越遠，反射回來的光線就越弱，甚至根本接收

不到。為了測出較遠的距更，就要使光源能發(fā)射出較高功率密度的光強。

發(fā)射激光

反射鏡

放

大

整

形

反射激光束

圖6-18激光脈沖測距儀的簡化結(jié)構(gòu)圖

(1)光脈沖的方向性要好C這有兩個作用，一方面可把光的能量集中在較小的立體角內(nèi)，以

射得更遠一些同時提高保密性；另一方面可以準確地判斷目標的方位。

光脈沖的單色性要好，因為無論是白天還是黑夜，空中總會存在著各種雜散光線，這些

光線往往會比反射回來的光信號強的多。假如這些雜散光和光信號一起進入接收系統(tǒng)，那就

根本無法進行測量了。圖（6-18）中的濾光片的作用是只允許光信號的單色光通過而不讓其

他頻率的雜散光通過。顯然，光脈沖的單色性越好，濾光片的濾光效果也就越佳，這樣就越

能有效的提高接收系統(tǒng)的信噪比，保證測量的精確性。

光脈沖的寬度要窄。所謂光脈沖的寬度，是指閃光從“發(fā)生”到“熄火”之間的時間間隔。

光脈沖的寬度窄一點，就可以避免反射回來的光和發(fā)射出去的光重疊起來。由于光速根快,

假如目標離測距儀15km,則光脈沖往返一個來回只需要萬分之一秒，因此光脈沖的寬度要

遠小于萬分之一秒才能正常測量，若要測更近的距離，則光脈沖還要更窄才行。

目前用于測距儀的激光器有紅寶石激光器、軌玻璃激光器、二氧化碳激光器、半導(dǎo)體激光器

等多種。一般在遠距離的測距儀中，常見的脈沖光源是固體激光器；近距離的測距儀則多用

半導(dǎo)體激光器。

4.激光巨脈沖的產(chǎn)生

測距時用的光脈沖功率是很人?的.一般其峰俏功率均在一兆瓦以匕脈沖寬度在J1十亳

微秒以下。這樣的光脈沖通常叫做“巨脈沖”。但是，一般的激光脈沖并不是巨脈沖，它的寬

度較大（約1ms左右），同時脈沖功率也不夠大，所以不能滿足測距要求。對激光器采用4.6

節(jié)介紹的調(diào)Q技術(shù)可使之滿足測距要求。

5.距離顯示

脈沖測距中脈沖在測程上往返時間極短，所以通常是用記錄高頻振蕩的晶體的振動次數(shù)

來進行計時。圖（6J9）就是這種設(shè)備的方框圖。

當(dāng)發(fā)射的參考光脈沖進入接收器并轉(zhuǎn)變成電脈沖后，輸入圖（6-19）中的“主門”（主門

電路），同時將主門打開。此時由石英晶體振蕩器所產(chǎn)生的電脈沖就經(jīng)過主門而進入計數(shù)器,

計數(shù)器開始計數(shù)，同時數(shù)碼顯示器就不斷指示出計數(shù)器所記錄的電脈沖數(shù)。待到反射光脈沖

信號進入接收器并轉(zhuǎn)變成電脈沖輸入主門時，主門立即關(guān)閉，石英晶體振蕩器所產(chǎn)生的電脈

沖信號不能再進入計數(shù)器、計數(shù)器也就停止計數(shù)。在顯示器上顯示出的數(shù)字，就是光脈沖從

發(fā)出到返回這段時間里振蕩器所產(chǎn)生的電脈沖數(shù)。它的半再乘以九速就得到距離。

圖6-19脈沖計時方框圖

激光脈沖測距儀測距精度大多為米的量級。因此，它適用于軍事及工程測量中精度要求不太

高的某些項目。遠距離的空間測量也都利用脈沖法,因為對遙遠空間來說，測量誤差在米的

量級.精度已經(jīng)相當(dāng)高了。

6.3.2激光相位測距

1.激光相位測距原理

相位測距是測定連續(xù)的調(diào)制激光在待測距離d上往返的相位差q來間

接測量傳播時間的。圖(6-20)所示激光相位測距儀的無路與脈沖激光測距儀類似，只是光

源不用脈沖激光器，而用強度被調(diào)制的激光器，可以是半導(dǎo)體激光器也可以是其他連續(xù)發(fā)光

的激光器。這樣連續(xù)的調(diào)制光波在傳播過程中的調(diào)制相位不斷變化，每傳播等于調(diào)制波長的

一段距離，相位就變化。所以距離d、光波往返相位差和調(diào)制波長之間的關(guān)系為

(6-21)

這里，相當(dāng)于一把測量用的尺，在相位測距中叫做測尺。就是跖離d

內(nèi)包括測尺長的數(shù)目。若令(其中N為正整數(shù)或0,是相位差中不足的尾數(shù))，并考慮到

,則(6-21)式可改寫為

…(N+等(6-22)

需要指出，任何兩連續(xù)的調(diào)制信號之間相位差的測吊方法都不能確定出相位差的整周期

數(shù)，而只能測定其中不足的相位差的尾數(shù)。因此，式(6-21)中N是不能確定的，這樣d

也就不能確定。換句話說、當(dāng)d大于測尺長時:僅用一把光測尺是無法測定距離的。

但是，當(dāng)d小于時,N=0,于是(6-22)式變?yōu)?/p>

d=Ls—(6-23)

這就是相位測距的基本公式，用這一公式就完全可以確定被測距離do如果被測距離較長,

可以選擇一個較低的調(diào)制頻率，使其相應(yīng)的測尺長度大于待測距離,這樣就不會出現(xiàn)d的不

確定性。但是由于儀器的測相系統(tǒng)的測相靈敏度是有限的，一般在左右，對應(yīng)的測距靈敏

度為，測尺長度大了測距靈敏度就低，距離d的測量誤差增大。例如，當(dāng)測尺長為10m時

會引起1cm的測距誤差；而測尺長為l()()0m時，所引起的測距誤差會達到Im。所以，要在

儀器的最大測程內(nèi)保持測距d的確定性而選用的較低的測尺頻率,就會造成較大的測距誤

差。為了解決這一矛盾，必須采用幾個長度不同的測尺配合使用。用較長的測尺粗測，用較

短的測尺精測，這樣既可保證測量的確定性（單值性），又可保證較高的測距精度。通常測

距儀都有一個基本測尺長度和若干個輔助測尺長度。基本測尺決定測量精度.又叫精測測

尺；輔助測尺用來粗測，又叫粗測測尺。例如.選用兩把測尺，其中基本測尺長度而一個輔

助測尺，用它們分別測量一段的距離。用可測得不足的尾數(shù)，用可測得不足的尾

數(shù)（因為測相靈敏度為，測量結(jié)果均給出三位有效數(shù)字），將二者組合起來，考慮至J是

重疊部分，于是就可得到。

2.分散的直接測尺頻率和集中的間接測尺頻率

一定的測尺長度對應(yīng)著一定的激光調(diào)制頻率，又叫做測尺頻率。測尺長度和測尺頻率之間

的關(guān)系是

式中c為光在大氣中的傳播速度。測尺頻率的選定有兩種方式：分散的直接測尺頻率方式和

集中的間接測尺頻率方式。

分散的直接測尺頻率方式選定的測尺頻率是直接和測尺長度相對應(yīng)的。例如選用兩把測

尺和,則相應(yīng)選用的測尺頻率為（取c=3X103m/s）

v6=—工15MHz和v.=—x150KHz

2〃2Lvl

如果儀器的測程更長，在要求一定的測相精度和測距精度的情況下，就必須增加測尺的

數(shù)目，因而測尺的頻率也要相應(yīng)增加。表6-1列出了在測相精度為，測距精度為1cm,測程

不大于100公里，測距儀可選擇的一組測尺長度和測尺頻率值。表中測尺頻率依次相差一個

數(shù)量級，實際上，川三把測尺就可以完成精度為1cm,測程不大于100公里的距離測量。

表6-1

直接測尺頻率測尺長度Ls精度

15MHz10m1cm

匕|1.5MHz100m10cm

匕2150KHz1kmIm

匕315KHz10km10m

匕4l.5KHz100km100m

從表6-1可以看出，在這種直接測尺頻率方式中各測尺頻率值相差較大，最大和最小測

尺頻率之間竟相差一萬倍，因此我們乂把這種直接測尺頻率叫做分散測尺頻率。由于高低頻

率相差懸殊，使得放大器、調(diào)制器電路都難以對各測尺頻率都具有相同的增益及相位穩(wěn)定

性。因此，多數(shù)儀器不采用這種測尺頻率方式，而是采用集中的間接測尺頻率方式。

所謂集中的間接測尺頻率方式使采用?組數(shù)值接近的調(diào)制

頻率，間接獲得各個測尺的一種方法。卜面說明其原理：假定用兩個頻率為和的光波分

別測量同一距離，則由（6-22）式可得

(6-25)

(6-26)

在（6-25）、（6-26）兩式中和是分別對應(yīng)于和的測尺長度，和分別是利用

測尺頻率為和的光波測距時得到的位相差中包括的整數(shù)倍數(shù).和為相應(yīng)的位相差的

尾數(shù)。由（6-25）、（6-26）兩式可得到

（乂川）+（小到(6-27)

(6-28)

N=N「N(6-29)

△0=△必—△必(6-30)

則（6-27）式可改寫為

d=+（6-31）

上式中可以認定為一個新的測尺長度，其相應(yīng)的測尺頻率可由（6-24）式給

出。將（6-28）式代入（6-24）式，并考慮到和，則有

不難看出，（6-31）式中的正是用和的差額的光波測量距離d時所得到的相位尾數(shù)，由

（6-30）知正好等于用頻率為和的光波測量同一距離得到位相尾數(shù)之差。例如,用

和的調(diào)制光波測量同一距離得到位相尾數(shù)差與用頻差的調(diào)制光波測量該距離所得的位

相尾數(shù)值相同。間接頻率方式正是基于這一原理進行測距的。它通過測量和的位相尾數(shù),

取其差值來間接測定相應(yīng)的差頻頻率的位相尾數(shù)。通常把頻率和稱為間接測尺頻率，

而把差頻頻率稱為相當(dāng)測尺頻率。表6-2列出了和表6-1測程和精度都相同的?組間接測

尺頻率以及相當(dāng)測尺頻率和對應(yīng)之測尺長度。

表6-2

間接測尺頻率相當(dāng)測尺頻率fS測尺長度Ls精度

=f-fi

fsiF=15MHz15MHz10m1cm

fs2F=0.9f1.5MHz100m10cm

fs3F=0.99:150kHz1kmIm

F=0.999f15kHz10km10m

fs5F=0.9999f1.5kHz100km100m

由表6-2可以看出，這種方式各間接測尺頻率值非常接近，最人頻差僅為1.5MHZ,五個間接

測尺頻率都集中在較窄的頻率范圍內(nèi)，故間接測尺頻率又可稱為集中測尺頻率。采用集中測

尺頻率不僅使放大器和調(diào)制器能夠獲得相接近的增益和位相穩(wěn)定性.而且各頻率對應(yīng)的石

英晶體也可統(tǒng)一。

3.相位差的測量

最后再簡單介紹一下相位測距儀中相位差的測量。眾所周知，信號頻率越低，其相位變

化需要的時間就越長，這樣也就越便于相位的測量。所以中、低頻率的相位測量精度總是運

遠高于高頻信號的測相精度。因而高頻信號相位差的測量大都采用差頻的方法。把高頻信號

轉(zhuǎn)化為低頻信號（即“同步解調(diào)”），再進行相位差測量就是所謂的“差頻測相”。

差頻測相原理如圖（6-20）所示中的電路部分。設(shè)主控振蕩電信號（圖中的“主振”）

為

ed=Acos（2w/+。。）

該信號發(fā)射到外光路經(jīng)過一定距離的傳播后用位變化了，該信號被光電接收放

大后變?yōu)?/p>

G=83（2叼+%+耙）

設(shè)本地振蕩信號（圖中的“本振”）為

5=Ccos(2^vzr+0)

輸送到混頻器i和n,在那里分別與和混頻，在混頻器的輸出端分別得到差頻參考信號

%=OcospM匕/—匕>+（。0+創(chuàng)

和測距信號

4=EcospM匕/一匕>+他+―）+耙］

由上兩式知，差頻后得到的兩個低頻信號和的相位差仍然保留原高頻信號和的

相位差。通常選取測相的低頻頻率為幾千赫到幾十千赫。經(jīng)過差頻后的低頻信號輸入相位差

計進行比較就可以檢測出相位差。

最后還需要說明，激光測距儀盡管有許多優(yōu)點，但是它對氣候的依賴關(guān)系很強。在晴朗

的天氣下可測距離較大，而在霧天或陰雨天，可測距離就大大縮短，甚至根本無法進行測

量。這是激光測距儀的最大缺點（當(dāng)然對一般的光電測距儀來說，此缺點更為嚴重），所以

激光測距儀并不能完全取代其他的測距儀。

在激光測距儀的基礎(chǔ)上，可以進一步制成激光雷達。它不僅能夠測出目標的距離，還能

測出FI標的方位、運動速度和加速度等，以便對目標進行跟蹤。與無線雷達相比，激光雷達

最主要的優(yōu)點是抗干擾性強，保密性能好，而且裝置輕便、消耗功率小、作用距離大、測量

精度高。同樣，激光雷達也受氣候條件的限制，且由于光束的發(fā)散角窄小，不便于進行大面

積的搜索。所以激光雷達也不能完全代替無線電雷達，它們可以互相配合組成多波段、抗干

擾的雷達系統(tǒng)。

6.4激光準直及多自由度測量

激光具有極好的方向性，一個經(jīng)過準直的連續(xù)輸出的激光光束，可以認為是一條粗細兒

乎不變的直線。因此，可以用激光光束作為空間基準線。這樣的激光準直儀能夠測量平值度、

平面度、平行度、垂直度，也可以作三維空間的測量基準。由于激光準直儀和平行光管、經(jīng)

緯儀等一般的準直儀相比較，具有工作距離長、測量精度高、便于自動控制、操作方便等優(yōu)

點，所以廣泛的應(yīng)用丁開鑿隧道、鋪設(shè)管道、蓋高層建筑、造橋修路、開礦以及大型設(shè)備的

安裝定位等方面。

激光還有極好的單色性，因此可利用衍射原理產(chǎn)生便于對準的衍射光斑（如十字亮線）來進一

步提高激光準直儀的對準精度，制作激光衍射準直儀［1］。

6.4.1激光準直儀

1.激光準直儀的原理和結(jié)構(gòu)

激光準直儀一般都用具杓連續(xù)輸舟的氮筑激光器，并且通常使用的是基橫膜輸由。激光

束橫截面上的光強分布是高斯分布，光束的能量大部分集中在有效半徑為3Z0的截面

內(nèi)的。激光光束中心上光強最大，其分布中心的連線可以構(gòu)成一條理想的準直基準線。

由于衍射效應(yīng)，光束略有發(fā)散，光斑半徑3Z0也隨著傳播距離的增加而增加，但其分布

中心的連線總是直線.而且其遠場發(fā)散角2。（參閱圖（3?8）和式（3-40））可表示為

20*

儂。

式中人為激光波長，30為光束腰部的截面半徑。當(dāng)時，光斑半徑3zO可用遠場發(fā)散

角表示

%）才°『0

例如，對于30=0.4rmr