第九章激光测距

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第九章 激光测距,激光测距的基本公式为：,c,大气中的光速,t,为光波往返所需时间,由于光速极快，对于一个不太大的,D,来说，,t,是一个很小的量，,例：设,D=15km,，,c=310,5,km/sec,则,t=510,-5,sec,由测距公式可知，如何精确测量出时间,t,的值是测距的关键。由于测量时间,t,的方法不同，产生了两种测距方法：脉冲测距和相位测距。,一、激光测距方程（图,9-1,）,9-1,脉冲激光测距,图,9-1,1,、从测距仪发射的激光到达目标上的激光功率,P,t,激光发射功率（,W,）,T,大气单程透过率,K,t,发射光学系统透过率,A,t,目标面积（,m,2,）,A,s,光在目标处照射的面积（,m,2,）,欲使激光能量充分利用，则要求,A,t,A,s,，,此时 但当,A,t,W,0,=5,解决这个矛盾的办法是减小接收系统的相对孔径 ，或增大探测器面积。,一、问题的提出,则脉冲激光测距中最小脉冲当量的公式：,可知：,与填充时钟脉冲的频率,f,T,成反比，,例，设,f,T,=150MHz,，,C=310,8,m/s,则,=1m,因此在测量中，如果存在一个脉冲的误差，则其测距误差即为,1m,，,这对远距离测量也许是允许的，但对近距离测量（如,50m,等），则误差太大。如要求测距误差为,1cm,，,则要求时钟脉冲的频率应为,f,T,=15GHz,，,这将带来三个问题：,9-2,多周期脉冲激光测距,过高的时钟脉冲不易获得；,高频电子元器件价格昂贵，稳定性较差；,对电路的性能要求很高。,二、多周期测距原理,（一）非延时多周期脉冲激光测距,通过对脉冲激光在测距仪和目标间往返多个周期累计时间求平均来提高测距精度的方法。,设晶振填充时钟脉冲的频率为,f,T,，,测距仪距目标的距离为,S,，,光脉冲经过,N,个周期后所走的总路程和为,L,，,式中,m,：,计数器在,N,个周期中所计的总晶振脉冲个数。,例：设,N=150,，,f,T,=100MHz,，,C=310,8,m/s,，,则当,m=1,时，多脉冲测量时的最小脉冲正量为：,而当采用单脉冲测量时,结论表明，多脉冲测量比单脉冲测量的测距精度提高了,N,倍。,（二）固定延时多周期脉冲激光测距,当测量距离很小时，则由“发射接收再发射,”,过程中所形成的振荡回路的频率就很高。,例：当,S=1.5m,时，测量一次（光脉冲往返一次）所需时间,所以其振荡回路的频率为,如此高的振荡频率对驱动放大电路响应速度要求太高。,解决方法：在仪器接收到回波脉冲信号时，不马上触发下一个激光脉冲，而是增加一个固定的延时,t,0,=m,0,/f,T,（,m,0,为延时的时钟脉冲数）后，才触发下一个激光脉冲。,这样，可有效降低振荡回路的频率。,具体按以下程序实施：,1,发射系统发出光脉冲；,2,从发射时刻开始，计数器开始计数；,3,光脉冲从目标返回被接收系统收到回波信号后，不关闭计数器，而是经一固定延时,t,0,后，再去触发激光发出下一个光脉冲，同时计数计又开始计数。以形成周期振荡信号；,4,经,N,个周期后，关闭计数器；,5,将,N,个周期测量的总时间,t,减去,N,个周期延时的时间,N t,0,的值取平均值，就可得到光脉冲往返一次所需的时间。,6,将该时间代入测距公式后可得所测距离。,固定延时,再发射,形成,：,再接收,再延时,发 射,接 收,设时钟脉冲频率为,f,T,，,测距仪距目标距离为,S,，,光脉冲经过,N,个周期后所走的总路程为,L,，,式中,m,：,计数计的总计数脉冲数；,m,0,：,延时,t,0,内计数器的计数值。,例：设固定延时,t,0,=200nS,，,N=150,，,f,T,=100MHz,，,则可算出延时脉冲个数为：,一、相位测距原理,通过检测被高频调制的连续激光往返后和初始信号的相位差可使测距精度大大提高。,连续激光经过高频调制后成为高频调制光，设调制频率为,f,，,如图,9-11,所示。,激光往返一周的时间,t,可以用调制波的整数周期数及不足一个周期的小数周数来表示。,9-3,相位激光测距,图9-11,f,调制频率（,Hz,）,N,光波往返全程中的整周期数,不是一个周期的位相值,L,定义为测距仪的电尺长度：等于调制波长的二分之一。,则相位测距方程为：,结论：因为,L,为已知的，所以只需测得,N,和,N,即可求,D,。,二、相位测距的多值性,在测距方程中是可以通过仪器测得的，但不能测得,N,值，因此，以上方程存在多值解，即存在测距的多值性。但若我们预先知道所测距离在一个电尺长度,L,之内，即令,N=0,，,此时，测距结果将是唯一的。,其测距方程变为：,例：设光调制频率为,f,=15010,3,Hz,则电尺长度,当被测距离小于,1000m,时，测距值是唯一的。,即在,1000m,以内的测距时,N=0,（,不足一个电尺长度）,三、相位测距精度,将 两边微分后，取有限微量，,其中 为相对测相精度（一般,1/1000,可比较容易做到的）,例如，对上例而言，,即此时测距精度可达,1m,。,从上式可以看出,D,与调制频率,f,成反比，即欲提高仪器的测距精度,(,即使,D,减少,),，则须提高调制频率,fv.,而由电尺长度公式可知,此时可测距离减少。因此在测相精度受限的情况下，存在以下矛盾：,若想得到大的测量距离则测距精度不高,若想得到高的测量精度（电尺长度短），则测量距离受限制。,如何解决这个矛盾呢？,四、双频率相位激光测距,即设置若干个测量频率进行测量，现以两个频率为例加以说明。,设测量主频为,1,，,辅助频率为,2,=k,1,（,k,为,L,1,“,游标”原理：,设两频率的光波从仪器发出时的初位相相同，,则只有当,D=10L,1,或,10L,1,的整数倍时，两者位相才相等。即两个调制频率的相位差第二次等于,0,时，两个频率的电尺长度,L,1,和,L,2,的末端经过若干次后又刚好重合。且在一个周期内，相位差与被测距离成正比。（图,9-12,）,图9-12,因此，只有测量距离不大于,10L,1,（,N10,），,就可根据（,1,-,2,）,的值来确定,N,和距离,D,。,采用两个频率测距时的测距方程：,上两式相减，并以,L,2,代入得：,式中：为可测距离的放大倍数，为新的电尺长度。,对上例：，即将电尺长度放大了,10,倍，或者说在仪器测相精度不变的条件下，可测距离扩大了,10,倍，即,D,max,=10L,1,。,N,的确定：（图,9-12,）,结论：,1,、采用两个频率，能使最大可测量距离增大倍 倍，,（,f,2,=Kf,1,）；,2,、,当 时，采用 计算,D,值；,3,、当 时，采用,计算,D,值；,4,、可采用多个频率进行测量。,如取,例：设测量仪器的分辨率为,0.01m,，,最大可测距离为,100m,，,测相精度为 ，采用,2,个频率测量，设计,L,1,L,2,及,f,1,，,f,2,。,（,1,）求,L,1,：,所以：,L,1,=10m,（,2,）,求测距放大倍率：,（,3,）求,K,：,由,（4）求L,2,：,（5）求f,1,和f,2,（二）第二方案：采用一个精频：如,f,1,=15MHz,，,相应,L,1,=10m,，,和一个粗频：如,f,2,=150KHz,，,相应,L,1,=1000m,，,粗尺确定（,1-1000,）,m,的距离，电尺长度为,1000m,，（,测量精度为,1m,），,精尺确定（,0.01-10,）,m,的距离，电尺长度为,10m,，（,测量精度为,0.01m,）。,注：测相精度为,1/1000,。,该方案既扩大了可测距离，又提高了测量精度。,三、相位差的测量,1,、移相法：通过移相器改变参考信号的位相使之与测距信号位相一致即可得相位差值,。,2,、,脉冲填充法：将参考信号与测距信号的正弦波整形成方波，微分后触发计数器并在开、关门之间填充晶振脉冲，从而得到位相差值。（图,9-13,）,图,9-13,四、相位测距仪的光学系统,和激光脉冲测距仪原理基本相同，但需设置角偶反射器（角锥镜、三面直角棱镜）。,