激光測距原理

1、第九章 激光測距,激光測距的基本公式為： c大氣中的光速 t為光波往返所需時間 由于光速極快，對于一個不太大的D來說，t是一個很小的量， 例：設D=15km，c=3105km/sec 則t=510-5sec 由測距公式可知，如何精確測量出時間t的值是測距的關鍵。由于測量時間t的方法不同，產生了兩種測距方法：脈沖測距和相位測距。,一、激光測距方程（圖9-1）,9-1 脈沖激光測距,圖9-1,1、從測距儀發(fā)射的激光到達目標上的激光功率 Pt激光發(fā)射功率（W） T大氣單程透過率 Kt發(fā)射光學系統透過率 At目標面積（m2） As光在目標處照射的面積（m2） 欲使激光能量充分利用，則要求AtAs，此時

2、 但當AtW0=5 解決這個矛盾的辦法是減小接收系統的相對孔徑 ，或增大探測器面積。,一、問題的提出 則脈沖激光測距中最小脈沖當量的公式： 可知：與填充時鐘脈沖的頻率fT成反比， 例，設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，則要求時鐘脈沖的頻率應為fT=15GHz，這將帶來三個問題：,9-2 多周期脈沖激光測距, 過高的時鐘脈沖不易獲得； 高頻電子元器件價格昂貴，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

3、時多周期脈沖激光測距 通過對脈沖激光在測距儀和目標間往返多個周期累計時間求平均來提高測距精度的方法。 設晶振填充時鐘脈沖的頻率為fT，測距儀距目標的距離為S，光脈沖經過N個周期后所走的總路程和為L，,式中m：計數器在N個周期中所計的總晶振脈沖個數。 例：設N=150，fT=100MHz，C=3108m/s，則當m=1時，多脈沖測量時的最小脈沖正量為： 而當采用單脈沖測量時 結論表明，多脈沖測量比單脈沖測量的測距精度提高了N倍。,（二）固定延時多周期脈沖激光測距 當測量距離很小時，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S=1.5m時，測量一次（光脈沖往返一次）所需時間

4、 所以其振蕩回路的頻率為 如此高的振蕩頻率對驅動放大電路響應速度要求太高。 解決方法：在儀器接收到回波脈沖信號時，不馬上觸發(fā)下一個激光脈沖，而是增加一個固定的延時t0= m0/fT（m0為延時的時鐘脈沖數）后，才觸發(fā)下一個激光脈沖。,這樣，可有效降低振蕩回路的頻率。 具體按以下程序實施： 1發(fā)射系統發(fā)出光脈沖； 2從發(fā)射時刻開始，計數器開始計數； 3光脈沖從目標返回被接收系統收到回波信號后，不關閉計數器，而是經一固定延時t0后，再去觸發(fā)激光發(fā)出下一個光脈沖，同時計數計又開始計數。以形成周期振蕩信號； 4經N個周期后，關閉計數器； 5將N個周期測量的總時間t減去N個周期延時的時間N t0的值取平

5、均值，就可得到光脈沖往返一次所需的時間。 6將該時間代入測距公式后可得所測距離。,設時鐘脈沖頻率為fT，測距儀距目標距離為S，光脈沖經過N個周期后所走的總路程為L， 式中m：計數計的總計數脈沖數； m0：延時t0內計數器的計數值。 例：設固定延時t0=200nS，N=150，fT=100MHz，則可算出延時脈沖個數為：,一、相位測距原理 通過檢測被高頻調制的連續(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)激光經過高頻調制后成為高頻調制光，設調制頻率為f，如圖9-11所示。 激光往返一周的時間t可以用調制波的整數周期數及不足一個周期的小數周數來表示。,9-3 相位激光測距,圖9-11

6、,f調制頻率（Hz） N光波往返全程中的整周期數 不是一個周期的位相值 L定義為測距儀的電尺長度：等于調制波長的二分之一。 則相位測距方程為： 結論：因為L為已知的，所以只需測得N和N即可求D。,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，以上方程存在多值解，即存在測距的多值性。但若我們預先知道所測距離在一個電尺長度L之內，即令N=0，此時，測距結果將是唯一的。 其測距方程變?yōu)椋?例：設光調制頻率為f=150103Hz 則電尺長度 當被測距離小于1000m時，測距值是唯一的。 即在1000m以內的測距時N=0（不足一個電尺長度）,三、相位測距精度 將 兩邊微分

7、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， 即此時測距精度可達1m。 從上式可以看出D與調制頻率f成反比，即欲提高儀器的測距精度(即使D減少)，則須提高調制頻率fv.而由電尺長度公式可知,此時可測距離減少。因此在測相精度受限的情況下，存在以下矛盾：, 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。 如何解決這個矛盾呢？ 四、雙頻率相位激光測距 即設置若干個測量頻率進行測量，現以兩個頻率為例加以說明。 設測量主頻為1，輔助頻率為2=k 1（k為L1 “游標”原理： 設兩頻率的光波從儀器發(fā)出時的初位相相

8、同， 則只有當D=10L1或10L1的整數倍時，兩者位相才相等。即兩個調制頻率的相位差第二次等于0時，兩個頻率的電尺長度L1和L2的末端經過若干次后又剛好重合。且在一個周期內，相位差與被測距離成正比。（圖9-12）,圖9-12,因此，只有測量距離不大于10L1（N10），就可根據（1-2）的值來確定N和距離D。 采用兩個頻率測距時的測距方程：,上兩式相減，并以L2代入得： 式中： 為可測距離的放大倍數， 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下，可測距離擴大了10倍，即Dmax=10L1。,N的確定：（圖9-12）,結論： 1、采用兩個頻率，能使

9、最大可測量距離增大倍 倍， （f2=Kf1）； 2、當 時，采用 計算D值； 3、當 時，采用 計算D值； 4、可采用多個頻率進行測量。 如取,例：設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，設計L1L2及f1，f2。 （1）求L1： 所以：L1=10m （2）求測距放大倍率： （3）求K：由,（4）求L2： （5）求f1和f2,（二）第二方案：采用一個精頻：如f1=15MHz，相應L1=10m，和一個粗頻：如f2=150KHz，相應L1=1000m，粗尺確定（1-1000）m的距離，電尺長度為1000m，（測量精度為1m），精尺確定（0.01-10）m的距離，電尺長度為10m，（測量精度為0.01m）。 注：測相精度為1/1000。 該方案既擴大了可測距離，又提高了測量精度。,三、相位差的測量 1、移相法：通過移相器改變參考信號的