第九章 激光測(cè)距

第九章激光測(cè)距第1頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月一、激光測(cè)距方程（圖9-1）§9-1脈沖激光測(cè)距

圖9-1第2頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月1、從測(cè)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）Tα——大氣單程透過率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At≤As，此時(shí)但當(dāng)At<As時(shí)，≤12、激光回波在單位立體角內(nèi)所含的激光功率Pe（激光在目標(biāo)產(chǎn)生漫反射，其漫反射系數(shù)為ρ）第3頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月附注：幾個(gè)概念（1）*立體角（Ω）的概念：（如圖9-2）（球面度）圖9-2第4頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）一點(diǎn)光光源向三維空間幅射的立體角為：（3）一點(diǎn)光源以小孔徑角（u）幅射的立體角ω：因?yàn)閡很小，可將球面以圓面積代替注意：u為孔徑角（rad）。第5頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）“郎伯”定律：（如圖9-3）圖9-3第6頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)光正入射到一漫反射體，設(shè)垂直于漫反射面反射的光強(qiáng)為IN，若向任一方向漫反射的光強(qiáng)Ii滿足下式：即Ii=IN·Cosi則該漫反射體稱作“余弦幅射體”或“郎伯幅射體”。設(shè)激光發(fā)射光軸與目標(biāo)漫反射面法線重合，且主要反射能量集中在1rad以內(nèi)（約57°）則Ω=πu2=π式中：ρ——目標(biāo)漫反射系數(shù)Tα——大氣單程透過率第7頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月3、測(cè)距儀光接受系統(tǒng)能接受到的激光功率PrPr=Pe·Ωr·KrΩr——目標(biāo)對(duì)光接收系統(tǒng)入瞳的張角（物方孔徑角）所對(duì)應(yīng)的立體角Kr——接收光學(xué)系統(tǒng)透過率Ar——入瞳面積R——目標(biāo)距離（m）所以：Pr=Pe·Kr·Ar/R2……（3）第8頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月4、測(cè)距公式以（1）代（2）并代入（3）得：光電探測(cè)器可接收到的激光功率Pr為：

整理得：Pr=Pt·Kt·ρ·Kr·Tα2·Ar/（AS·π·R2）式中：大氣透過率Tα=e-α，大氣衰減系數(shù)α=2.66/V，（V：為大氣能見距離km）第9頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

代入上式，整理得以光電探測(cè)器所能探得的最小光功率Pmin代替上式中的探測(cè)功率Pr，則可得最大探測(cè)距離Rmax為：結(jié)論：1、激光發(fā)射能量大對(duì)測(cè)距有利：第10頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月若已知脈沖激光單脈沖能量E（J），和脈寬τ（s），則可由下式求其峰值功率Pt。Pt=Et/τ例：對(duì)YAG激光器：已知τ=5ns=5×10-9sec，Et=10mJ=10×10-3J但增大單脈沖能量必須提閾值電壓，這將導(dǎo)致1）能耗上升，2）電磁干擾增大，3）氙燈壽命減少。

第11頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2、小的激光發(fā)散角：措施：增大擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)的角放大率。3、高透過率光學(xué)系統(tǒng)；4、大的接收孔徑角；5、大目標(biāo)對(duì)測(cè)距有利；6、高靈敏度探測(cè)器。第12頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月二、光電讀數(shù)（圖9-4）

圖9-4第13頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月因?yàn)闇y(cè)距儀的最小脈沖正量δ為：令N=1例：設(shè)fT=150MHz=1.5×108Hz，C=3×108m三、測(cè)距精度對(duì)求偏微分，·分析ΔN產(chǎn)生的誤差：第14頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）光電計(jì)數(shù)誤差：可產(chǎn)生±1個(gè)脈沖當(dāng)量的誤差，且影響2次：（1）瞄準(zhǔn)誤差（圖9-5）圖9-5第15頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月四、測(cè)距儀光學(xué)原理框圖（圖9-6）

圖9-6第16頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月五、激光接收光學(xué)系統(tǒng)（一）激光接受光學(xué)系統(tǒng)的兩種基本型式1、出瞳探測(cè)系統(tǒng)（圖9-7）圖9-7第17頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月場(chǎng)鏡的作用是減小探測(cè)器口徑，并使孔徑光欄成像在光電探測(cè)器上設(shè)計(jì)時(shí)滿足以下關(guān)系：式中：β為橫向放大倍率，φ0為光電探器光敏面直徑。解以上方程組，可得第18頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2、出窗探測(cè)系統(tǒng)（圖9-8）圖9-8第19頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）設(shè)計(jì)中幾個(gè)光學(xué)參數(shù)的討論1、接受物鏡相對(duì)孔徑和探測(cè)器光敏面（φ0）的關(guān)系。圖9-9第20頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)如圖9-9所示的出窗探測(cè)系統(tǒng)，設(shè)接收物鏡口徑為D，視場(chǎng)角為w，在象面上光斑直徑為φ，則當(dāng)w很小時(shí)，可用下式建立它們之間的關(guān)系：在出窗探測(cè)系統(tǒng)中，光敏面置于象面處，設(shè)光電探測(cè)器的光敏面為φ0，一般取：φ≤0.8φ0即2wfˊ≤0.8φ0，所以?′≤第21頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

注意：越大，接收能量越多，但光學(xué)系統(tǒng)象差愈難校正。例：若取，雪崩二極管光敏面直徑為：φ0=1mm2W=2.9°=50×10-3rad，則由上式可得D=3.2mm此時(shí)fˊ=16（mm）這樣光探測(cè)系統(tǒng)顯然是不合理的，因此，需要調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)。例如，若將探測(cè)器換為光電倍增管，并取φ0=20mm，則上例中D=64mm，fˊ=320mm。此參數(shù)趨于合理。第22頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2、窄帶干涉濾波器與視場(chǎng)角W之間的矛盾如圖9-10，設(shè)干涉濾波器之視場(chǎng)角為：2W0=+5o，即W0=5o圖9-10第23頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)計(jì)時(shí)要求αmax≤[W0]例：設(shè)接收系統(tǒng)W=25×10-3rad，則αmax=8.53°>W0=5°解決這個(gè)矛盾的辦法是減小接收系統(tǒng)的相對(duì)孔徑，或增大探測(cè)器面積。第24頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月一、問題的提出則脈沖激光測(cè)距中最小脈沖當(dāng)量的公式：可知：δ與填充時(shí)鐘脈沖的頻率fT成反比，例，設(shè)fT=150MHz，C=3×108m/s則δ=1m因此在測(cè)量中，如果存在一個(gè)脈沖的誤差，則其測(cè)距誤差即為1m，這對(duì)遠(yuǎn)距離測(cè)量也許是允許的，但對(duì)近距離測(cè)量（如50m等），則誤差太大。如要求測(cè)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(gè)問題：§9-2多周期脈沖激光測(cè)距

第25頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月·過高的時(shí)鐘脈沖不易獲得；·高頻電子元器件價(jià)格昂貴，穩(wěn)定性較差；

·對(duì)電路的性能要求很高。二、多周期測(cè)距原理

（一）非延時(shí)多周期脈沖激光測(cè)距

通過對(duì)脈沖激光在測(cè)距儀和目標(biāo)間往返多個(gè)周期累計(jì)時(shí)間求平均來提高測(cè)距精度的方法。設(shè)晶振填充時(shí)鐘脈沖的頻率為fT，測(cè)距儀距目標(biāo)的距離為S，光脈沖經(jīng)過N個(gè)周期后所走的總路程和為L(zhǎng)，第26頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

式中m：計(jì)數(shù)器在N個(gè)周期中所計(jì)的總晶振脈沖個(gè)數(shù)。

例：設(shè)N=150，fT=100MHz，C=3×108m/s，則當(dāng)m=1時(shí)，多脈沖測(cè)量時(shí)的最小脈沖正量為：而當(dāng)采用單脈沖測(cè)量時(shí)結(jié)論表明，多脈沖測(cè)量比單脈沖測(cè)量的測(cè)距精度提高了N倍。

第27頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）固定延時(shí)多周期脈沖激光測(cè)距

當(dāng)測(cè)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(cè)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(duì)驅(qū)動(dòng)放大電路響應(yīng)速度要求太高。解決方法：在儀器接收到回波脈沖信號(hào)時(shí)，不馬上觸發(fā)下一個(gè)激光脈沖，而是增加一個(gè)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(gè)激光脈沖。第28頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月這樣，可有效降低振蕩回路的頻率。具體按以下程序?qū)嵤?．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(hào)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)激光發(fā)出下一個(gè)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(hào)；4．經(jīng)N個(gè)周期后，關(guān)閉計(jì)數(shù)器；5．將N個(gè)周期測(cè)量的總時(shí)間t減去N個(gè)周期延時(shí)的時(shí)間Nt0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(cè)距公式后可得所測(cè)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29頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)時(shí)鐘脈沖頻率為fT，測(cè)距儀距目標(biāo)距離為S，光脈沖經(jīng)過N個(gè)周期后所走的總路程為L(zhǎng)，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。例：設(shè)固定延時(shí)t0=200nS，N=150，fT=100MHz，則可算出延時(shí)脈沖個(gè)數(shù)為：第30頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月一、相位測(cè)距原理

通過檢測(cè)被高頻調(diào)制的連續(xù)激光往返后和初始信號(hào)的相位差可使測(cè)距精度大大提高。連續(xù)激光經(jīng)過高頻調(diào)制后成為高頻調(diào)制光，設(shè)調(diào)制頻率為fυ，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)及不足一個(gè)周期的小數(shù)周數(shù)來表示?！?-3相位激光測(cè)距

第31頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月圖9-11第32頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月fυ——調(diào)制頻率（Hz）N——光波往返全程中的整周期數(shù)

Δ

φ——不是一個(gè)周期的位相值

L定義為測(cè)距儀的電尺長(zhǎng)度：等于調(diào)制波長(zhǎng)的二分之一。則相位測(cè)距方程為：結(jié)論：因?yàn)長(zhǎng)為已知的，所以只需測(cè)得N和ΔN即可求D。第33頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月二、相位測(cè)距的多值性

在測(cè)距方程中是可以通過儀器測(cè)得的，但不能測(cè)得N值，因此，以上方程存在多值解，即存在測(cè)距的多值性。但若我們預(yù)先知道所測(cè)距離在一個(gè)電尺長(zhǎng)度L之內(nèi)，即令N=0，此時(shí)，測(cè)距結(jié)果將是唯一的。其測(cè)距方程變?yōu)椋豪涸O(shè)光調(diào)制頻率為fυ=150×103Hz則電尺長(zhǎng)度當(dāng)被測(cè)距離小于1000m時(shí)，測(cè)距值是唯一的。即在1000m以內(nèi)的測(cè)距時(shí)N=0（不足一個(gè)電尺長(zhǎng)度）第34頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月三、相位測(cè)距精度

將兩邊微分后，取有限微量，其中為相對(duì)測(cè)相精度（一般1/1000可比較容易做到的）例如，對(duì)上例而言，即此時(shí)測(cè)距精度可達(dá)1m。從上式可以看出ΔD與調(diào)制頻率fυ成反比，即欲提高儀器的測(cè)距精度(即使ΔD減少)，則須提高調(diào)制頻率fv.而由電尺長(zhǎng)度公式可知,此時(shí)可測(cè)距離減少。因此在測(cè)相精度受限的情況下，存在以下矛盾：第35頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月·若想得到大的測(cè)量距離→則測(cè)距精度不高·若想得到高的測(cè)量精度→（電尺長(zhǎng)度短），則測(cè)量距離受限制。如何解決這個(gè)矛盾呢？四、雙頻率相位激光測(cè)距

即設(shè)置若干個(gè)測(cè)量頻率進(jìn)行測(cè)量，現(xiàn)以兩個(gè)頻率為例加以說明。設(shè)測(cè)量主頻為?1，輔助頻率為?2=k?1（k為<1的系數(shù)，如0.9=k）顯然，此時(shí)在儀器中存在2個(gè)電尺長(zhǎng)度，他們分別為：第36頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月此時(shí)，L2>L1

“游標(biāo)”原理：設(shè)兩頻率的光波從儀器發(fā)出時(shí)的初位相相同，則只有當(dāng)D=10L1或10L1的整數(shù)倍時(shí)，兩者位相才相等。即兩個(gè)調(diào)制頻率的相位差第二次等于0時(shí)，兩個(gè)頻率的電尺長(zhǎng)度L1和L2的末端經(jīng)過若干次后又剛好重合。且在一個(gè)周期內(nèi)，相位差與被測(cè)距離成正比。（圖9-12）第37頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月圖9-12第38頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月因此，只有測(cè)量距離不大于10L1（N≤10），就可根據(jù)（Δφ1-Δφ2）的值來確定N和距離D。采用兩個(gè)頻率測(cè)距時(shí)的測(cè)距方程：第39頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月上兩式相減，并以L2代入得：

式中：為可測(cè)距離的放大倍數(shù)，為新的電尺長(zhǎng)度。對(duì)上例：，即將電尺長(zhǎng)度放大了10倍，或者說在儀器測(cè)相精度不變的條件下，可測(cè)距離擴(kuò)大了10倍，即Dmax=10L1。第40頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月N的確定：（圖9-12）第41頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)論：1、采用兩個(gè)頻率，能使最大可測(cè)量距離增大倍倍，（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(gè)頻率進(jìn)行測(cè)量。如取第42頁，課件共