激光測距方法的綜述

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上激光測距方法綜述引言激光測距就是通過激光往返的時間來測定距離。由于激光器與普通光源有顯著的區(qū)別，它利用受激發(fā)射原理和激光腔的濾波效應(yīng)，使所發(fā)光束具有一系列特點(diǎn)：激光有小的光束發(fā)散角，即所謂的方向性好或準(zhǔn)直性好；激光的單色性好，或者說相干性好，普通燈源或太陽光都是非相干光；激光的輸出功率雖然有限度，但光束細(xì)，所以功率密度很高，一般的激光亮度遠(yuǎn)比太陽表面的亮度大。因而采用激光器做光源的測距儀也就有一些優(yōu)于其他測距儀的特點(diǎn)：測量精度高、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、重量輕。因此廣泛應(yīng)用于軍事、科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)、建設(shè)等各個方面。一、 激光測距的國內(nèi)外現(xiàn)狀1960年，世界上第一

2、臺紅寶石激光器誕生，激光所具有的單色性好、方向性強(qiáng)和高亮度性引起了人們的普遍關(guān)注。隨后科學(xué)家和工程師們就提出了激光測距、激光雷達(dá)、激光制導(dǎo)研制的構(gòu)想，并開展了大量研究工作。作為激光雷達(dá)的原型，激光測距儀以其體積小巧，性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)迅速取代了傳統(tǒng)的光學(xué)測距儀，成為光學(xué)測距主導(dǎo)產(chǎn)品。最突出發(fā)展的是衛(wèi)星測距機(jī)。1961年，美國已成功開發(fā)出世界上第一臺紅寶石激光測距系統(tǒng)。1969年，美國的坦克火控系統(tǒng)中的首次使用激光測距系統(tǒng)。同年，科學(xué)家們利用激光測距系統(tǒng)精確測量出地球測試點(diǎn)和月球反射器間的距離。二極管激光測距儀的研究起始于在20世紀(jì)60年代末，80年代中期開始陸續(xù)解決了激光裝置、光學(xué)系統(tǒng)和信號處理電

3、路的關(guān)鍵技術(shù)，在20世紀(jì)80年代后期進(jìn)入應(yīng)用研究階段，并開發(fā)了各種不同用途的射頻模組原型，20世紀(jì)90年代中期，各種成熟的產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。國外大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)和公司都進(jìn)行了對脈沖半導(dǎo)體激光測距系統(tǒng)的研究。Schwartz Electro-Optics公司為美國的國家數(shù)據(jù)中心研制了激光波長測量裝置，開發(fā)了無人海浪測量站，并為美國聯(lián)邦政府的公路總局開發(fā)了激光自動感應(yīng)車輛行駛速度和高度的測量系統(tǒng)，提高了交通效率；還開發(fā)了軍用直升機(jī)激光防碰撞報警裝置。EXXON公司研制了用于海洋石油勘探開發(fā)的激光二極管角度測距系統(tǒng)。1992年，美國亞特蘭大激光公司研制了警方使用的手持式人眼安全激光二極管測距儀，用于測量車

4、輛的距離和速度。在1996年下半年，美國Bushnell公司開發(fā)了400米的400型LD激光測距儀Yaddaga400，1997被評為世界上100個重大科技成果之一，同年，他們推出了測距能力為800米的800型激光測距機(jī)。美國Lecia公司也研制了小型LD測距儀，測量距離為0.230m。自1995年以來對人眼安全的半導(dǎo)體激光測距技術(shù)的發(fā)展十分迅速，推出了波長為800900nm范圍內(nèi)、峰值功率為KW、脈沖寬度2050ns、測量距離10m1km非合作目標(biāo)激光測距系統(tǒng)。目前國際上脈沖式激光測距的系統(tǒng)研究主要向著髙精度、遠(yuǎn)距離、發(fā)射脈沖窄、測距范圍廣等方向進(jìn)行。在這種研究方向的指引下，國際上對激光測距

5、研究的技術(shù)水平有了很大提高：Leica公司所生產(chǎn)的測距望遠(yuǎn)鏡，其測距的范圍從10m 1.2km，其測距精度小于±lm，Bushnell公司的激光測距儀的測量范圍從15m1.5km，加拿大NEWCON公司生產(chǎn)的LRM2500CI型激光測距機(jī)的最大測程可達(dá)2500m。在20世紀(jì)80年代開始研究開發(fā)的國內(nèi)的激光測距機(jī)是在原來的固體、氣體激光測距儀的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。目前，已具備了基礎(chǔ)技術(shù)，主要是為了解決工程難題，開發(fā)出各種應(yīng)用產(chǎn)品。航天科工集團(tuán)公司八三五八所研制了測量范圍200m， 0.5m精度，重復(fù)頻率l00Hz的激光測距儀。上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研制的便攜式激光測距儀，對漫反射混凝土墻

6、的測距可達(dá)100m，釆用300MHz的計數(shù)方法，精度為0.5m，重復(fù)頻率1KHz。中國計量學(xué)院信息工程系光電子所與國外合作研發(fā)了低成本、便攜式半導(dǎo)體激光測距儀。常州萊賽公司開發(fā)了作用距離為200m的半導(dǎo)體激光測距儀。由西南技術(shù)物理研究所研制的半導(dǎo)體激光髙度表，工作波長為905nm，重復(fù)率l00Hz。二、 激光測距的方法及原理激光的出現(xiàn)，標(biāo)志著人們掌握和利用光波進(jìn)入一個新階段。激光技術(shù)出現(xiàn)之后，很快被應(yīng)用到各類測量 (大地測量、地形測量、工程測量、航空攝影測量，以及人造地球衛(wèi)星的觀測和月球的光學(xué)定位等航天測量)中，使測量方法不斷革新，測量精度顯著提高引起了測量領(lǐng)域內(nèi)的深刻變化。激光測距是其中應(yīng)用

7、最早且最為成熟的一種。激光測距分為相對距離測量和絕對距離測量，常用的方法有:干涉法、反饋法、脈沖法、相位法、三角測量法、縱模拍頻測距法等多種方法，這些方法各有特點(diǎn)，分別應(yīng)用于不同的測量環(huán)境和測量領(lǐng)域。2.1 干涉法干涉法激光測距是通過移動被測目標(biāo)并對相干光進(jìn)行測量，經(jīng)計算的數(shù)量完成距離增量的測量，因此干涉法測量的靈敏度非常高，達(dá)到納米級的測量。激光的干涉測距是經(jīng)典的精密測距方法，根據(jù)光的干涉原理，兩列具有固定相位差，而且有相同頻率、相同的振動方向或振動方向之間夾角很小的光相互交疊，將會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。圖（2.1.1）圖（2.1.1）為常用的邁克爾遜干涉儀的原理示意圖。由激光器發(fā)射的激光經(jīng)分光鏡分

8、成反射光束S1和透射光束S2。兩光束分別由固定反射鏡M1和可動反射鏡M2反射回來，兩者在分光鏡處匯合成相干光束。若兩列光S1和S2的路程差S= S1- S2。設(shè)兩束光迭加時，其合成的光強(qiáng)為 （1）其中為激光的波長，當(dāng)L=N/2時，兩束反射光的相位差為2的整倍數(shù)，迭加后振幅增大，即I最大，出現(xiàn)亮條紋；當(dāng)L=(2N+l) /2時，兩束光的相位相反，二者振幅相抵消，I最小，出現(xiàn)暗條紋。將這兩束光再經(jīng)分束器反射到光探測器上，則其輸出信號與迭加后光線的亮暗有關(guān)。假設(shè)開始時反射器1、2的間距為L，然后沿光線前進(jìn)方向慢慢移動反射器2。每移動一個/2，兩束光的相位關(guān)系從相同到相反，變化一個周期()，出現(xiàn)一次亮

9、暗光交替，光探測器的輸出信號也變化一次。從該輸出信號變化的次數(shù)，就可以確定反射器2移動的距離。由于光的波長極短，特別是激光的單色性高，其波長值很準(zhǔn)確，所以利用干涉法測距的分辨率至少為/2，精度為微米級。利用現(xiàn)代電子技術(shù)還可能測定0.01個光干涉條紋，因此干涉法測距的精度極高，這是任何其它測距法無法比擬的。2.2 反饋法反饋法測距適用于各種電磁波波源，并且測距精度高、速度快、便于儀器小型化、數(shù)字化。反饋法測距采用距離與傳輸時間、傳輸時間與振蕩頻率相互轉(zhuǎn)換的技術(shù)，通過測量系統(tǒng)閉環(huán)振蕩頻率的手段，來測量激光傳輸時間，從而達(dá)到激光測距的目的。反饋法測距的設(shè)想最早由前蘇聯(lián)人提出。60年代末日本慶應(yīng)大學(xué)進(jìn)

10、行了實驗研究，結(jié)果表明反饋法測距是很有發(fā)展前景的方法，但此后未再發(fā)現(xiàn)詳細(xì)報道。國內(nèi)對反饋法測距的研究剛剛起步，北方交通大學(xué)物理系姚淑娜等人對反饋測距法進(jìn)行了初步研究，并取得了一定的結(jié)果。姚淑娜等人對反饋法測距進(jìn)行了原理探討和方案論證，設(shè)計了一套實驗裝置，在實驗室內(nèi)進(jìn)行了短距離測量，取得了一定的效果。她們將待測距離L作為探測器和反射器之間的振蕩反饋通道，使光-電脈沖信號的振蕩頻率與待測距離相關(guān)，從而由測量頻率值求得距離。如圖（2.2.1）是反饋法測距的原理圖。圖（2.2.1）在反饋法測量中，主要問題是測距的精度隨著距離的增加而降低，此外，大氣湍流造成反饋信號的起伏，也將引起振蕩頻率的不穩(wěn)定性，會

11、導(dǎo)致測量誤差，因此反饋法測距比較適用于短程測距。2.3 脈沖法脈沖激光測距方法即為激光飛行時間(TOF)的距離測量，目前已經(jīng)有了非常廣泛的應(yīng)用，如地形的測量、戰(zhàn)術(shù)測距、導(dǎo)彈軌跡跟蹤、以及衛(wèi)星、地球到月球距離的測量等。脈沖激光測距利用激光脈沖瞬時功率大(可至兆瓦)，持續(xù)時間短，能量在時間上相對集中的特點(diǎn)來進(jìn)行測量。在存在合作目標(biāo)時，脈沖激光測距能夠到達(dá)很遠(yuǎn)的測程。在不存在合作目標(biāo)時，通過被測物體對脈沖激光的漫反射所得到的反射信號也可以進(jìn)行測距。脈沖激光測距儀的原理如圖（2.3.1）所示。由激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射一個持續(xù)時間極短脈沖激光，經(jīng)過測量范圍R后，被目標(biāo)物體反射，脈沖激光接收系統(tǒng)收到回波信號，計

12、時電路開始計時，通過計算脈沖激光發(fā)射和回波信號到達(dá)探測器之間的時間間隔，可以計算出目標(biāo)對象和激光測距儀之間的距離。該距離可表示為： （1）其中C為光速，t為計時電路計算出的脈沖激光發(fā)射與回波信號到達(dá)之間的時間間隔。由式(1)可以看出，脈沖式激光測距的測量精度主要取決于脈沖發(fā)射到回波信號達(dá)到之間的時間差的測量精度。其中如何精確的確定t的起止時刻和精確測量飛行時間，如何減小測量誤差及消除輸入噪聲引起的時間抖動，是脈沖式激光測距的重要研究方向。圖（2.3.1）2.4 相位法相位式激光測距儀，是利用一種固定頻率的高頻正弦信號，通過連續(xù)調(diào)制激光源的發(fā)光強(qiáng)度，測定調(diào)制激光往返一次所產(chǎn)生的相位延遲。通過該延

13、遲測量的距離。即用相位延遲間接的測定信號的傳播時間，代替直接測量激光往返所需的時間變化量，從而測量出距離。相位式激光測距測量精度高，可達(dá)毫米級，適用于近距離測量。相位式激光測距的基本原理圖如圖所示設(shè)調(diào)制頻率為f，調(diào)制波形，c為光速，則光波的相移為式中m為0或正整數(shù)，m為小數(shù)，則圖中兩括號間的距離式中，t表示光在兩括號間傳播的時間，如果測得光波相移表達(dá)式中的整數(shù)m和小數(shù)，就可以由上式確定出被測距離R，所調(diào)制光波被認(rèn)為是一把“光尺”，即波長就是相位式激光測距度量的尺子。相位式激光測距通常有粗尺和細(xì)尺兩種測量手段，這是為了保證足夠的精度并擴(kuò)大測量距離，所以一般需要兩種調(diào)制頻率。2.5 三角測量法三角

14、法激光測距是由激光器發(fā)出的光線，經(jīng)過會聚透鏡聚焦后入射到被測物體表面上，接收透鏡接收來自入射光點(diǎn)處的散射光，并將其成像在光電位置探測器敏感面上，當(dāng)物體移動時，通過光點(diǎn)在成像面上的位移來計算出物體移動的相對距離，三角法激光測距的分辨力很高，可以達(dá)到微米數(shù)量級。激光三角法具有結(jié)構(gòu)簡單、測試速度快、實時處理能力強(qiáng)、使用靈活方便的特點(diǎn)，隨著半導(dǎo)體技術(shù)、光電子技術(shù)等的發(fā)展，尤其是計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，三角法測試技術(shù)在長度、距離及三維形貌等的測試中有廣泛的應(yīng)用。激光三角法測量常采用直射式和斜射式兩種結(jié)構(gòu)。直射式激光三角法原理如圖（2.5.1）所示圖（2.5.1）激光器發(fā)出的光線，經(jīng)會聚透鏡聚焦后垂直入射到

15、被測物體表面上，物體移動或其表面變化，導(dǎo)致入射點(diǎn)沿入射光軸的移動。入射點(diǎn)處的散射光經(jīng)接收透鏡入射到光電位置探測器(PSD或CCD)上。若光點(diǎn)在成像面上的位移為x，則被測面在沿軸方向的位移為 ，其中，a為激光束光軸和接收透鏡光軸的交點(diǎn)到接收透鏡前主要的距離；b是接收透鏡后主要到成像面中心點(diǎn)的距離;是激光束光軸與接收透鏡光軸之間的夾角。斜射式三角法測量原理如圖（2.5.2）所示。激光器發(fā)出的光線和被測面的法線成一定角度入射到被測面上，同樣地，物體移動或其表面變化，將導(dǎo)致入射點(diǎn)沿入射光軸的移動。入射點(diǎn)處的散射光經(jīng)接收透鏡入射到光電位置探測器上。若光點(diǎn)在成像面上的位移為x，則被測面在沿法線方向的移動距

16、離為 ，公式中，是激光束光軸與被測面法線之間的夾角。色是成像透鏡光軸與被測面法線之間的夾角。從圖（2.5.2）中可以看出，斜射式入射光的光點(diǎn)照射在被測面的不同點(diǎn)上，無法知道被測面中某點(diǎn)的位移情況，而直射式結(jié)構(gòu)卻可以。因此，當(dāng)被測面的法線無法確定或被測面形復(fù)雜時，只能采用直射式結(jié)構(gòu)。圖（2.5.2）一般三角法測距系統(tǒng)由激光器、成像系統(tǒng)、光敏傳感器和數(shù)字控制系統(tǒng)組成，激光器發(fā)射激光照射到物體表面上，成像系統(tǒng)收集反饋光形成成像點(diǎn)，當(dāng)被測物體移動后，成像系統(tǒng)中的成像點(diǎn)也隨之移動，測量出成像點(diǎn)的移動量，則根據(jù)己知的基線長度，結(jié)合三角測量的方法既可求出被測物體與測距系統(tǒng)的距離。2.6 縱模拍頻測距法縱模拍

17、頻測距法只能使用激光源。它的工作原理是，未選頻激光器的頻譜是由一組等間隔的譜線組成，即是一種多縱模激光輻射。由于縱模間存在拍頻，光強(qiáng)便按某種規(guī)律變化。將這種輻射投射到光電檢波器上，從檢波器檢出的信號頻譜中將產(chǎn)生各種差頻成分，此差頻通過無線電裝置分出而進(jìn)行測距。這種測距法不必對激光輻射作人為的調(diào)制。它有以下兩個特點(diǎn)：一是為保證測距精度，拍頻必須穩(wěn)定，而多模穩(wěn)頻是十分難辦的；二是光電倍增管的接收頻率上限在100MHz 左右，這時諧振腔長度達(dá) 1.5 米以上。雖然可用外差接收法(在光電倍增管陰極區(qū)饋以超高頻電場)來提高頻率上限，但這時又失去了拍頻測距無需高頻電路的優(yōu)點(diǎn)。由于上述等原因，縱模拍頻測距法

18、目前尚停留在實驗階段，還未達(dá)到實用階段。2.7 脈沖-相位式激光測距法在平均發(fā)射功率相等的情況下，激光的脈沖幅射比連續(xù)輻射傳播的距離要大，如果將脈沖串嵌入到相位式激光測距系統(tǒng)當(dāng)中，則可以很有效地改進(jìn)相位式激光測距儀的測距精度和測量量程，這種測距方法就稱為脈沖-相位式激光測距。根據(jù)發(fā)射脈沖的波形及工作原理的不同，脈沖-相位式測距法可以分為調(diào)制法和諧波法。三、 激光測距方法的比較及展望測距方法測距范圍精度應(yīng)用領(lǐng)域脈沖法激光測距幾十米到上萬公里米量級軍事、科研相位式激光測距幾米到數(shù)公里毫米量級大地、工程、體育測量干涉法激光測距厘米級微米量級地殼變形、大陸、地震火山預(yù)報反饋法幾米到幾厘米厘米級大地、工

19、程等測量三角測量法毫米級微米量級工業(yè)方面：曲線板表面、二維或三維的形狀結(jié)構(gòu)及位置測量?？v模拍頻測距法試驗階段十余年來，精密激光測距儀已經(jīng)取得了很大的發(fā)展，形成了從短程到超遠(yuǎn)程系列，極大地改變了測距技術(shù)的面貌。但是，“在生產(chǎn)斗爭和科學(xué)實驗范圍內(nèi)，人類總是不斷發(fā)展的，自然界也總是不斷發(fā)展的，永遠(yuǎn)不會停止在一個水平上?！本芗す鉁y距技術(shù)繼續(xù)向著新的水平前進(jìn)。自動化與數(shù)字化是測量儀器發(fā)展的總趨勢，對野外測量儀器還要求小型輕便化。目前，短程和遠(yuǎn)程測距儀已實現(xiàn)了數(shù)字化及部分自動化，從而縮短了測量時間、減輕了勞動強(qiáng)度、提高了測量精度。隨著激光器、調(diào)制器、光探測器以及光學(xué)、電子元器件等的發(fā)展，將加速實現(xiàn)儀器的自動化水平。還要求要波長在人眼安全范圍內(nèi)，小型化、高可靠性，多功能化、與其它光電儀器相集成?，F(xiàn)代科學(xué)、國防和工程技術(shù)的發(fā)展，對測距儀的測程和精度提出了更高的要求。