激光測距實(shí)用教案

1、一、激光測距方程(fngchng)（圖9-1） 9-1 脈沖(michng)激光測距 圖9-1第1頁/共47頁第一頁，共48頁。 1、從測距儀發(fā)射的激光到達(dá)目標(biāo)上的激光功率 Pt激光發(fā)射功率（W） T大氣(dq)單程透過率 Kt發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)透過率 At目標(biāo)面積（m2） As光在目標(biāo)處照射的面積（m2） 欲使激光能量充分利用，則要求AtAs，此時(shí) 但當(dāng)AtW0=5解決這個矛盾的辦法是減小接收系統(tǒng)的相對孔徑 ，或增大(zn d)探測器面積。fD，51 fDfDWtgfDWfDwftg2221maxmax所以則第23頁/共47頁第二十三頁，共48頁。一、問題的提出 則脈沖激光測距中最小脈沖當(dāng)量的公式

2、： 可知(k zh)：與填充時(shí)鐘脈沖的頻率fT成反比， 例，設(shè)fT=150MHz，C=3108m/s 則=1m 因此在測量中，如果存在一個脈沖的誤差，則其測距誤差即為1m，這對遠(yuǎn)距離測量也許是允許的，但對近距離測量（如50m等），則誤差太大。如要求測距誤差為1cm，則要求時(shí)鐘脈沖的頻率應(yīng)為fT=15GHz，這將帶來三個問題：9-2 多周期(zhuq)脈沖激光測距 TTfNfC2C, 2第24頁/共47頁第二十四頁，共48頁。 過高的時(shí)鐘脈沖(michng)不易獲得； 高頻電子元器件價(jià)格昂貴，穩(wěn)定性較差； 對電路的性能要求很高。二、多周期測距原理 （一）非延時(shí)多周期脈沖(michng)激光測距

3、通過對脈沖(michng)激光在測距儀和目標(biāo)間往返多個周期累計(jì)時(shí)間求平均來提高測距精度的方法。 設(shè)晶振填充時(shí)鐘脈沖(michng)的頻率為fT，測距儀距目標(biāo)的距離為S，光脈沖(michng)經(jīng)過N個周期后所走的總路程和為L， 第25頁/共47頁第二十五頁，共48頁。 式中m：計(jì)數(shù)器在N個周期中所計(jì)的總晶振脈沖個數(shù)。 例：設(shè)N=150，fT=100MHz，C=3108m/s，則當(dāng)m=1時(shí)，多脈沖測量時(shí)的最小脈沖正量為： 而當(dāng)采用單脈沖測量時(shí) 結(jié)論表明(biomng)，多脈沖測量比單脈沖測量的測距精度提高了N倍。 TTfNCmSfmCSNL22則; 01. 01010015021103681mSm

4、多mfCT5 . 11010021031268單第26頁/共47頁第二十六頁，共48頁。 （二）固定延時(shí)多周期脈沖激光測距 當(dāng)測量距離很小時(shí)，則由“發(fā)射接收再發(fā)射”過程中所形成的振蕩回路的頻率就很高。 例：當(dāng)S=1.5m時(shí)，測量一次（光脈沖往返一次）所需時(shí)間 所以其振蕩回路的頻率為 如此高的振蕩頻率對驅(qū)動放大(fngd)電路響應(yīng)速度要求太高。 解決方法：在儀器接收到回波脈沖信號時(shí)，不馬上觸發(fā)下一個激光脈沖，而是增加一個固定的延時(shí)t0= m0/fT（m0為延時(shí)的時(shí)鐘脈沖數(shù)）后，才觸發(fā)下一個激光脈沖。 20CSt ， 1005 . 1210321802MHzSCtf第27頁/共47頁第二十七頁，共

5、48頁。 這樣，可有效降低振蕩回路的頻率。 具體按以下程序?qū)嵤?1發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出光脈沖； 2從發(fā)射時(shí)刻開始，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)； 3光脈沖從目標(biāo)返回被接收系統(tǒng)收到回波信號后，不關(guān)閉計(jì)數(shù)器，而是經(jīng)一固定延時(shí)t0后，再去觸發(fā)(chf)激光發(fā)出下一個光脈沖，同時(shí)計(jì)數(shù)計(jì)又開始計(jì)數(shù)。以形成周期振蕩信號； 4經(jīng)N個周期后，關(guān)閉計(jì)數(shù)器； 5將N個周期測量的總時(shí)間t減去N個周期延時(shí)的時(shí)間N t0的值取平均值，就可得到光脈沖往返一次所需的時(shí)間。 6將該時(shí)間代入測距公式后可得所測距離。 固定延時(shí)再發(fā)射形成：再接收再延時(shí)發(fā) 射接 收第28頁/共47頁第二十八頁，共48頁。 設(shè)時(shí)鐘脈沖頻率為fT，測距儀距目標(biāo)距離為S，光

6、脈沖經(jīng)過N個周期后所走的總路程為L， 式中m：計(jì)數(shù)計(jì)的總計(jì)數(shù)脈沖數(shù)； m0：延時(shí)t0內(nèi)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值(shz)。 例：設(shè)固定延時(shí)t0=200nS，N=150，fT=100MHz，則可算出延時(shí)脈沖個數(shù)為：TTNfNmmCNLSfNmmCNttCNSL2212000則2010100102006900Tftm第29頁/共47頁第二十九頁，共48頁。一、相位測距原理 通過檢測被高頻(o pn)調(diào)制的連續(xù)激光往返后和初始信號的相位差可使測距精度大大提高。 連續(xù)激光經(jīng)過高頻(o pn)調(diào)制后成為高頻(o pn)調(diào)制光，設(shè)調(diào)制頻率為f，如圖9-11所示。 激光往返一周的時(shí)間t可以用調(diào)制波的整數(shù)周期數(shù)及不足一

7、個周期的小數(shù)周數(shù)來表示。9-3 相位(xingwi)激光測距 第30頁/共47頁第三十頁，共48頁。圖9-11第31頁/共47頁第三十一頁，共48頁。 f調(diào)制頻率（Hz） N光波往返全程中的整周期數(shù) 不是一個周期的位相值 L定義為測距儀的電尺長度(chngd)：等于調(diào)制波長的二分之一。則相位測距方程為：結(jié)論：因?yàn)長為已知的，所以只需測得N和N即可求D。fNt12 fCNfCfNCCtD4212221則個調(diào)制頻率對應(yīng)的長度等校于令1,22TvCfCLLNNLLNLD2第32頁/共47頁第三十二頁，共48頁。二、相位測距的多值性 在測距方程中是可以通過儀器測得的，但不能測得N值，因此，以上方程存在

8、多值解，即存在測距的多值性。但若我們(w men)預(yù)先知道所測距離在一個電尺長度L之內(nèi)，即令N=0，此時(shí)，測距結(jié)果將是唯一的。 其測距方程變?yōu)椋?例：設(shè)光調(diào)制頻率為f=150103Hz 則電尺長度 當(dāng)被測距離小于1000m時(shí)，測距值是唯一的。 即在1000m以內(nèi)的測距時(shí)N=0（不足一個電尺長度）LD2mmfCL1000101502103238第33頁/共47頁第三十三頁，共48頁。三、相位測距精度 將 兩邊微分后，取有限微量， 其中 為相對測相精度（一般1/1000可比較容易做到的） 例如，對上例而言， 即此時(shí)測距精度可達(dá)1m。 從上式可以看出D與調(diào)制(tiozh)頻率f成反比，即欲提高儀器的

9、測距精度(即使D減少)，則須提高調(diào)制(tiozh)頻率fv.而由電尺長度公式可知,此時(shí)可測距離減少。因此在測相精度受限的情況下，存在以下矛盾：LD22)(22)(2fCLLD則100012mD1100011000第34頁/共47頁第三十四頁，共48頁。 若想得到大的測量距離則測距精度不高 若想得到高的測量精度（電尺長度短），則測量距離受限制。 如何解決這個(zh ge)矛盾呢？四、雙頻率相位激光測距 即設(shè)置若干個測量頻率進(jìn)行測量，現(xiàn)以兩個頻率為例加以說明。 設(shè)測量主頻為1，輔助頻率為2=k 1（k為L1 “游標(biāo)”原理： 設(shè)兩頻率的光波從儀器發(fā)出(fch)時(shí)的初位相相同， 則只有當(dāng)D=10L1或

10、10L1的整數(shù)倍時(shí)，兩者位相才相等。即兩個調(diào)制頻率的相位差第二次等于0時(shí)，兩個頻率的電尺長度L1和L2的末端經(jīng)過若干次后又剛好重合。且在一個周期內(nèi)，相位差與被測距離成正比。（圖9-12）112 fCL 1111229109 . 022LLKLKfCfCL第36頁/共47頁第三十六頁，共48頁。圖9-12第37頁/共47頁第三十七頁，共48頁。 因此，只有測量距離不大于10L1（N10），就可根據(jù)（1-2）的值來確定N和距離D。 采用兩個(lin )頻率測距時(shí)的測距方程：DLLNDDLLNDLNLD2222211111222得：由2222111122LLNDLLND可以寫成：12Kff 因?yàn)?2

11、212LKfCL所以第38頁/共47頁第三十八頁，共48頁。 上兩式相減，并以L2代入得： 式中： 為可測距離的放大倍數(shù)， 為新的電尺長度。 對上例： ，即將電尺長度放大了10倍，或者說在儀器測相精度不變的條件(tiojin)下，可測距離擴(kuò)大了10倍，即Dmax=10L1。2112111212212222NNLDKNLDKNLDKLNND1212121整理得：MK11KL11109 . 011M第39頁/共47頁第三十九頁，共48頁。N的確定(qudng)：（圖9-12） )(212 0 02:112121121212121MLKLDNNNN則，即時(shí)，即）第一種情況102:2212121NN時(shí)

12、，即）第二種情況12121221121MLKLD 則11212221121MLKLD 或第40頁/共47頁第四十頁，共48頁。 結(jié)論： 1、采用兩個頻率，能使最大可測量距離增大(zn d)倍 倍，（f2=Kf1）； 2、當(dāng) 時(shí)，采用 計(jì)算D值； 3、當(dāng) 時(shí)，采用 計(jì)算D值； 4、可采用多個頻率進(jìn)行測量。 如取02112112MLD021121221MLD1111999. 0 99. 0 9 . 0 ffff、KM11第41頁/共47頁第四十一頁，共48頁。 例：設(shè)測量儀器的分辨率為0.01m，最大可測距離為100m，測相精度為 ，采用2個頻率測量，設(shè)計(jì)L1L2及f1，f2。 （1）求L1： 所

13、以(suy)：L1=10m （2）求測距放大倍率： （3）求K：由 10001221LD由 mLLD01. 01000211得xM10101009 . 010111111MKKM，則第42頁/共47頁第四十二頁，共48頁。（4）求L2：（5）求f1和f2 mLL91009 . 0109 . 012fCL2由HzLCffCL781111105 . 110210322得HzHzLCffCL76822221035. 11095 . 19100210322第43頁/共47頁第四十三頁，共48頁。 （二）第二方案：采用一個精頻：如f1=15MHz，相應(yīng)L1=10m，和一個粗頻：如f2=150KHz，相應(yīng)

14、L1=1000m，粗尺確定（1-1000）m的距離，電尺長度(chngd)為1000m，（測量精度為1m），精尺確定（0.01-10）m的距離，電尺長度(chngd)為10m，（測量精度為0.01m）。 注：測相精度為1/1000。 該方案既擴(kuò)大了可測距離，又提高了測量精度。第44頁/共47頁第四十四頁，共48頁。三、相位差的測量 1、移相法：通過(tnggu)移相器改變參考信號的位相使之與測距信號位相一致即可得相位差值。 2、脈沖填充法：將參考信號與測距信號的正弦波整形成方波，微分后觸發(fā)計(jì)數(shù)器并在開、關(guān)門之間填充晶振脈沖，從而得到位相差值。（圖9-13） 第45頁/共47頁第四十五頁，共48頁。圖9-13四、相位(xingwi)測距儀的光學(xué)系統(tǒng) 和激光脈沖測距儀原理基本相同，但需設(shè)置角偶反射器（角錐鏡、三面直角棱鏡）。 第46頁/共47頁第四十六頁，共48頁。謝謝您的觀看(gunkn)！第47頁/共47頁第四十七頁，共48