激光测距原理培训讲义T含计算公式解析

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=3×105km/sec则t=5×10-5sec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9-11、从测距仪发射的激光到达目标上的激光功率

Pt——激光发射功率（W）Tα——大气单程透过率Kt——发射光学系统透过率At——目标面积（m2）As——光在目标处照射的面积（m2）欲使激光能量充分利用，则要求At≤As，此时但当At<As时，≤12、激光回波在单位立体角内所含的激光功率Pe（激光在目标产生漫反射，其漫反射系数为ρ）附注：几个概念（1）*立体角（Ω）的概念：（如图9-2）（球面度）图9-2（2）一点光光源向三维空间幅射的立体角为：（3）一点光源以小孔径角（u）幅射的立体角ω：因为u很小，可将球面以圆面积代替注意：u为孔径角（rad）。（4）“郎伯”定律：（如图9-3）图9-3设光正入射到一漫反射体，设垂直于漫反射面反射的光强为IN，若向任一方向漫反射的光强Ii满足下式：即Ii=IN·Cosi则该漫反射体称作“余弦幅射体”或“郎伯幅射体”。设激光发射光轴与目标漫反射面法线重合，且主要反射能量集中在1rad以内（约57°）则Ω=πu2=π式中：ρ——目标漫反射系数Tα——大气单程透过率3、测距仪光接受系统能接受到的激光功率PrPr=Pe·Ωr·KrΩr——目标对光接收系统入瞳的张角（物方孔径角）所对应的立体角Kr——接收光学系统透过率Ar——入瞳面积R——目标距离（m）所以：Pr=Pe·Kr·Ar/R2……（3）4、测距公式以（1）代（2）并代入（3）得：光电探测器可接收到的激光功率Pr为：

整理得：Pr=Pt·Kt·ρ·Kr·Tα2·Ar/（AS·π·R2）式中：大气透过率Tα=e-α，大气衰减系数α=2.66/V，（V：为大气能见距离km）

代入上式，整理得以光电探测器所能探得的最小光功率Pmin代替上式中的探测功率Pr，则可得最大探测距离Rmax为：结论：1、激光发射能量大对测距有利：若已知脉冲激激光单脉冲能能量E（J），和脉宽τ（s），则可由下式求求其峰值功率率Pt。Pt=Et/τ例：对YAG激光器：已知知τ=5ns=5×10-9sec，Et=10mJ=10×10-3J但增大单脉冲冲能量必须提提阈值电压，，这将导致1）能耗上升，，2）电磁干扰增增大，3）氙灯寿命减减少。2、小的激光发发散角：措施：增大扩扩束准直系统统的角放大率率。3、高透过率光光学系统；4、大的接收孔孔径角；5、大目标对测测距有利；6、高灵敏度探探测器。二、光电读数数（图9-4）图9-4因为测距仪的最小小脉冲正量δ为：令N=1例：设fT=150MHz=1.5×108Hz，C=3×108m三、测距精度度对求求偏偏微分，·分析ΔN产生的误差：：（2）光电计数误误差：可产生±1个脉冲当量的的误差，且影影响2次：（1）瞄准误差（（图9-5）图9-5四、测距仪光光学原理框图图（图9-6）图9-6五、激光接收收光学系统（一）激光接接受光学系统统的两种基本本型式1、出瞳探测系系统（图9-7）图9-7场镜的作用是是减小探测器器口径，并使使孔径光栏成成像在光电探探测器上设计时满足以以下关系：式中：β为横向放大倍倍率，φ0为光电探器光光敏面直径。。解以上方程组组，可得2、出窗探测系系统（图9-8）图9-8（二）设计中中几个光学参参数的讨论1、接受物镜相相对孔径和和探测测器光敏面（（φ0）的关系。图9-9对如图9-9所示的出窗探探测系统，设设接收物镜口口径为D，视场角为w，在象面上光斑斑直径为φ，则当w很小时，可用用下式建立它它们之间的关关系：在出窗探测系系统中，光敏敏面置于象面面处，设光电电探测器的光光敏面为φ0，一般取：φ≤0.8φφ0即2wfˊ≤0.8φ0，所以ƒ´≤注意：越越大大，接收能量量越多，但光光学系统象差差愈难校正。。例：若取，，雪崩二极管管光敏面直径径为：φ0=1mm2W=2.9°°=50××10-3rad，则由上上式可可得D=3.2mm此时fˊ=16（mm）这样光光探测测系统统显然然是不不合理理的，，因此此，需需要调调整系系统参参数。。例如，，若将将探测测器换换为光光电倍倍增管管，并并取φ0=20mm，则上例例中D=64mm，fˊ=320mm。此参数数趋于于合理理。2、窄带带干涉涉滤波波器与与视场场角W之间的的矛盾盾如图9-10，设干干涉滤滤波器器之视视场角角为：：2W0=+5º，即W0=5º图9-10设计时时要求求αmax≤[W0]例：设设接收收系统统W=25××10-3rad，则αmax=8.53°>W0=5°°解决这这个矛矛盾的的办法法是减减小接接收系系统的的相对对孔径径，，或增增大探探测器器面积积。一、问问题的的提出出则脉冲冲激光光测距距中最最小脉脉冲当当量的的公式式：可知：：δ与填充充时钟钟脉冲冲的频频率fT成反比比，例，设设fT=150MHz，C=3×108m/s则δ=1m因此在在测量量中，，如果果存在在一个个脉冲冲的误误差，，则其其测距距误差差即为为1m，这对远远距离离测量量也许许是允允许的的，但但对近近距离离测量量（如如50m等），，则误误差太太大。。如要要求测测距误误差为为1cm，则要求求时钟钟脉冲冲的频频率应应为fT=15GHz，这将带带来三三个问问题：：§9-2多周期期脉冲冲激光光测距距·过高的的时钟钟脉冲冲不易易获得得；·高频电电子元元器件件价格格昂贵贵，稳稳定性性较差差；·对电路路的性性能要要求很很高。。二、多多周期期测距距原理理（一））非延延时多多周期期脉冲冲激光光测距距通过对对脉冲冲激光光在测测距仪仪和目目标间间往返返多个个周期期累计计时间间求平平均来来提高高测距距精度度的方方法。。设晶振振填充充时钟钟脉冲冲的频频率为为fT，测距仪仪距目目标的的距离离为S，光脉冲冲经过过N个周期期后所所走的的总路路程和和为L，式中m：计数器器在N个周期期中所所计的的总晶晶振脉脉冲个个数。。例：设设N=150，fT=100MHz，C=3×108m/s，则当m=1时，多多脉冲冲测量量时的的最小小脉冲冲正量量为：：而当采采用单单脉冲冲测量量时结论表表明，，多脉脉冲测测量比比单脉脉冲测测量的的测距距精度度提高高了N倍。（二））固定定延时时多周周期脉脉冲激激光测测距当测量量距离离很小小时，，则由由“发发射→→接收收→再再发射射……””过程中中所形形成的的振荡荡回路路的频频率就就很高高。例：当当S=1.5m时，测测量一一次（（光脉脉冲往往返一一次））所需需时间间所以其其振荡荡回路路的频频率为为如此高高的振振荡频频率对对驱动动放大大电路路响应应速度度要求求太高高。解决方方法：：在仪仪器接接收到到回波波脉冲冲信号号时，，不马马上触触发下下一个个激光光脉冲冲，而而是增增加一一个固固定的的延时时t0=m0/fT（m0为延时时的时时钟脉脉冲数数）后后，才才触发发下一一个激激光脉脉冲。。这样，，可有有效降降低振振荡回回路的的频率率。具体按按以下下程序序实施施：1．发发射射系系统统发发出出光光脉脉冲冲；；2．从从发发射射时时刻刻开开始始，，计计数数器器开开始始计计数数；；3．光光脉脉冲冲从从目目标标返返回回被被接接收收系系统统收收到到回回波波信信号号后后，，不不关关闭闭计计数数器器，，而而是是经经一一固固定定延延时时t0后，，再再去去触触发发激激光光发发出出下下一一个个光光脉脉冲冲，，同同时时计计数数计计又又开开始始计计数数。。以以形形成成周周期期振振荡荡信信号号；；4．经经N个周周期期后后，，关关闭闭计计数数器器；；5．将将N个周周期期测测量量的的总总时时间间t减去去N个周周期期延延时时的的时时间间Nt0的值值取取平平均均值值，，就就可可得得到到光光脉脉冲冲往往返返一一次次所所需需的的时时间间。。6．将将该该时时间间代代入入测测距距公公式式后后可可得得所所测测距距离离。。固定延时再发射形成：再接收再延时发射接收设时时钟钟脉脉冲冲频频率率为为fT，测距距仪仪距距目目标标距距离离为为S，光脉脉冲冲经经过过N个周周期期后后所所走走的的总总路路程程为为L，式中中m：计数数计计的的总总计计数数脉脉冲冲数数；；m0：延时时t0内计计数数器器的的计计数数值值。。例：：设设固固定定延延时时t0=200nS，N=150，fT=100MHz，则可可算算出出延延时时脉脉冲冲个个数数为为：：一、、相相位位测测距距原原理理通过过检检测测被被高高频频调调制制的的连连续续激激光光往往返返后后和和初初始始信信号号的的相相位位差差可可使使测测距距精精度度大大大大提提高高。。连续续激激光光经经过过高高频频调调制制后后成成为为高高频频调调制制光光，，设设调调制制频频率率为为fυ，如图图9-11所示示。。激光光往往返返一一周周的的时时间间t可以以用用调调制制波波的的整整数数周周期期数数及及不不足足一一个个周周期期的的小小数数周周数数来来表表示示。。§9-3相位位激激光光测测距距图9-11fυ———调制制频频率率（（Hz）N————光波波往往返返全全程程中中的的整整周周期期数数Δφ———不是是一一个个周周期期的的位位相相值值L定义义为为测测距距仪仪的的电电尺尺长长度度：：等等于于调调制制波波长长的的二二分分之之一一。。则相相位位测测距距方方程程为为：：结论论：：因因为为L为已已知知的的，，所所以以只只需需测测得得N和ΔN即可可求求D。二、、相相位位测测距距的的多多值值性性在测测距距方方程程中中是是可可以以通通过过仪仪器器测测得得的的，，但但不不能能测测得得N值，，因因此此，，以以上上方方程程存存在在多多值值解解，，即即存存在在测测距距的的多多值值性性。。但但若若我我们们预预先先知知道道所所测测距距离离在在一一个个电电尺尺长长度度L之内内，，即即令令N=0，此时时，，测测距距结结果果将将是是唯唯一一的的。。其测测距距方方程程变变为为：：例：：设设光光调调制制频频率率为为fυ=150××103Hz则电电尺尺长长度度当被被测测距距离离小小于于1000m时，，测测距距值值是是唯唯一一的的。。即在在1000m以内内的的测测距距时时N=0（不足足一一个个电电尺尺长长度度））三、、相相位位测测距距精精度度将两两边边微微分分后后，，取取有有限限微微量量，，其中为为相对测测相精度度（一般般1/1000可比较容容易做到到的）例如，对对上例而而言，即此时测测距精度度可达1m。从上式可可以看出出ΔD与调制频频率fυ成反比，，即欲提提高仪器器的测距距精度(即使ΔD减少)，则须提提高调制制频率fv.而由电尺尺长度公公式可知知,此时可测测距离减减少。因因此在测测相精度度受限的的情况下下，存在在以下矛矛盾：·若想得到到大的测测量距离离→则测测距精度度不高·若想得到到高的测测量精度度→（电电尺长度度短），，则测量量距离受受限制。。如何解决决这个矛矛盾呢？？四、双频频率相位位激光测测距即设置若若干个测测量频率率进行测测量，现现以两个个频率为为例加以以说明。。设测量主主频为ƒ1，辅助频率率为ƒ2=kƒƒ1（k为<1的系数，，如0.9=k）显然，此此时在仪仪器中存存在2个电尺长长度，他他们分别别为：此时，L2>L1“游标”原原理：设两频率率的光波波从仪器器发出时时的初位位相相同同，则只有当当D=10L1或10L1的整数倍倍时，两两者位相相才相等等。即两两个调制制频率的的相位差差第二次次等于0时，两个个频率的的电尺长长度L1和L2的末端经经过若干干次后又又刚好重重合。且且在一个个周期内内，相位位差与被被测距离离成正比比。（图图9-12）图9-12因此，只只有测量量距离不不大于10L1（N≤10），就可根据据（Δφ1-Δφ2）的值来确确定N和距离D。采用两个个频率测测距时的的测距方方程：上两式相相减，并并以L2代入得：：式中：为为可测距距离的放放大倍数数，为为新的电电尺长度度。对上例：：，，即将电电尺长度度放大了了10倍，或者者说在仪仪器测相相精度不不变的条条件下，，可测距距离扩大大了10倍，即Dmax=10L1。N的确定：：（图9-12）结论：1、采用两两个频率率，能使使最大可可测量距距离增大大倍倍倍，，（f2=Kf1）；2、当时时，采采用计计算D值；3、当时时，采用用计算D值；4、可采采用多多个频频率进进