激光测距原理培训讲义含计算公式解析

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：若已知脉冲激光单脉冲能量E（J），和脉宽τ（s），则可由下式求其峰值功率Pt。Pt=Et/τ例：对YAG激光器：已知τ=5ns=5×10-9sec，Et=10mJ=10×10-3J但增大单脉冲能量必须提阈值电压，这将导致1）能耗上升，2）电磁干扰增大，3）氙灯寿命减少。

2、小的激光发散角：措施：增大扩束准直系统的角放大率。3、高透过率光学系统；4、大的接收孔径角；5、大目标对测距有利；6、高灵敏度探测器。二、光电读数（图9-4）

图9-4因为测距仪的最小脉冲正量δ为：令N=1例：设fT=150MHz=1.5×108Hz，C=3×108m三、测距精度对求偏微分，·分析ΔN产生的误差：（2）光电计数误差：可产生±1个脉冲当量的误差，且影响2次：（1）瞄准误差（图9-5）图9-5四、测距仪光学原理框图（图9-6）

图9-6五、激光接收光学系统（一）激光接受光学系统的两种基本型式1、出瞳探测系统（图9-7）图9-7场镜的作用是减小探测器口径，并使孔径光栏成像在光电探测器上设计时满足以下关系：式中：β为横向放大倍率，φ0为光电探器光敏面直径。解以上方程组，可得2、出窗探测系统（图9-8）图9-8（二）设计中几个光学参数的讨论1、接受物镜相对孔径和探测器光敏面（φ0）的关系。图9-9对如黑图9-9所示测的出损窗探逢测系惯统，岗设接在收物啊镜口肌径为D，视场经角为w，在象面磁上光斑泼直径为φ，则当w很小时免，可用蜓下式建型立它们男之间的郑关系：在出织窗探钢测系薄统中社，光充敏面徒置于坑象面丑处，煌设光共电探祝测器化的光面敏面存为φ0，一般取抄：φ≤0职.8φ0即2w粗fˊ敢≤0亿.8裙φ0，所以ƒ´≤注意：聪越大，验接收能胞量越多挣，但光秆学系统扣象差愈裕难校正漠。例：若夏取窃，控雪崩二坑极管光骄敏面直锡径为：φ0=1m镜m2W染=2亿.9董°=逃50街×1鸟0-3rad，则由与上式搭可得D=3约.2m蚊m此时fˊ=滥16（mm）这样光休探测系辜统显然穗是不合霜理的，利因此，驰需要调违整系统崖参数。例如，财若将探数测器换谣为光电箭倍增管绝，并取φ0=2室0m闷m，则上例助中D=6肌4mm，fˊ剥=3开20辨mm。此参卸数趋畅于合车理。2、窄位带干早涉滤雹波器程与视欺场角W之间递的矛龄盾如图9-北10，设魄干涉备滤波渴器之灯视场妈角为自：2W0=+5º，即W0=5º图9-淹10设计贝时要等求αmax≤[瓣W0]例：设乏接收系额统W=2笨5×1攀0-3rad，则αma鸟x=8房诚.5由3°党>W0=5培°解决仰这个纪矛盾掌的办西法是贪减小停接收冬系统独的相感对孔唐径莫，或佛增大扮探测排器面伟积。一、厘问题但的提看出则脉冲哲激光测技距中最判小脉冲损当量的抚公式：可知：δ与填雄充时偷钟脉魄冲的伙频率fT成反比粉，例，设fT=1蒙50辟MH梅z，C=井3×走108m/s则δ=1蜘m因此在检测量中恰，如果穷存在一旋个脉冲陵的误差萄，则其博测距误荣差即为1m，这对远挂距离测吴量也许补是允许咐的，但见对近距桑离测量芒（如50m等）岁，则旧误差梨太大牺。如调要求苗测距浴误差捕为1c废m，则要求瞎时钟脉抚冲的频墨率应为fT=15殃GHz，这将漆带来桨三个瘦问题满：§9-霸2多周浩期脉驶冲激仁光测泼距·过高奇的时柜钟脉虫冲不界易获足得；·高频颂电子包元器花件价见格昂铃贵，滥稳定蓝性较辫差；·对电路匆的性能仍要求很矛高。二、多丘周期测温距原理（一）吊非延时及多周期希脉冲激往光测距通过竿对脉锡冲激曲光在称测距磨仪和撞目标爸间往愚返多办个周猫期累称计时场间求子平均列来提勤高测常距精歌度的母方法伯。设晶振淋填充时究钟脉冲搭的频率泽为fT，测距仪拐距目标循的距离扣为S，光脉冲甘经过N个周期滔后所走阻的总路亦程和为L，式中m：计数器牌在N个周期答中所计词的总晶铜振脉冲批个数。例：设N=1疗50，fT=10级0MH更z，C=喉3×斩108m/蒸s，则当m=相1时，爆多脉遍冲测谁量时吗的最俘小脉剪冲正伤量为贪：而当爱采用纪单脉殊冲测超量时结论构表明笨，多顽脉冲勒测量草比单抱脉冲感测量营的测衔距精出度提叛高了N倍。（二喇）固练定延逮时多沾周期鸡脉冲冻激光爸测距当测梦量距浸离很愧小时觉，则版由“餐发射愈→接跌收→欠再发隔射……”过程遮中所穿形成阴的振铜荡回接路的破频率煌就很拳高。例：缸当S=掉1.监5m时，端测量妙一次谅（光飞脉冲劝往返灿一次究）所浙需时易间所以其冰振荡回狱路的频渗率为如此高尊的振荡突频率对爹驱动放数大电路乱响应速非度要求炼太高。解决凳方法稍：在倡仪器易接收警到回廉波脉潜冲信工号时茎，不庭马上毯触发葛下一葵个激若光脉你冲，饭而是奶增加烤一个怪固定割的延冤时t0=m0/fT（m0为延英时的棍时钟色脉冲纠数）汇后，呈才触医发下陆一个躬激光奇脉冲典。这样，洗可有效示降低振蝴荡回路厦的频率其。具体按礼以下程蹄序实施沟：1．发歇射系剃统发两出光箱脉冲悄；2．从发写射时刻察开始，价计数器洪开始计眯数；3．光脉坏冲从目盟标返回揭被接收膨系统收州到回波江信号后帆，不关誓闭计数寺器，而凳是经一匠固定延汪时t0后，聚再去细触发罩激光富发出倍下一贺个光证脉冲聚，同辛时计担数计映又开愿始计荷数。旬以形捆成周礼期振魂荡信叮号；4．经N个周妥期后寄，关健闭计页数器栗；5．将N个周岛期测稍量的村总时宰间t减去N个周期绘延时的害时间N量t0的值啊取平滑均值粥，就开可得观到光梨脉冲丽往返孕一次燥所需垒的时浴间。6．将该脖时间代抬入测距烂公式后还可得所初测距离嫌。固定延时再发射形成：再接收再延时发射接收设时钟逝脉冲频鸣率为fT，测距韵仪距圆目标盈距离社为S，光脉冲哗经过N个周期披后所走筛的总路挡程为L，式中m：计数计克的总计始数脉冲室数；m0：延时t0内计数前器的计鲁数值。例：设哲固定延将时t0=20违0nS，N=贯15晚0，fT=10疤0MH州z，则可算缓出延时傅脉冲个奇数为：一、年相位虾测距全原理通过盲检测模被高境频调偏制的软连续游激光绕往返怒后和尺初始煎信号翅的相旨位差或可使询测距捆精度暗大大糊提高言。连续息激光燃经过佩高频而调制忙后成厦为高协频调笛制光递，设伏调制弟频率乓为fυ，如图9-炊11所示艺。激光往罩返一周澡的时间t可以躁用调周制波衔的整亚数周测期数项及不搏足一熔个周援期的烈小数绸周数竭来表后示。§9判-3相位激运光测距图9-浆11fυ——调制啄频率迁（Hz）N—尚—光波族往返谢全程租中的盏整周美期数Δφ——不是晚一个跨周期敬的位傻相值L定义怀为测鼠距仪无的电止尺长艺度：检等于君调制腰波长醒的二峰分之奋一。则相承位测恒距方莫程为戏：结论烤：因尽为L为已份知的骄，所犯以只酸需测德得N和ΔN即可求D。二、相烦位测距掠的多值线性在测距燥方程中置是可以袄通过仪经器测得恒的，但缠不能测狠得N值，裤因此碗，以哈上方历程存喉在多夫值解味，即使存在夺测距棚的多顾值性疤。但头若我帐们预腥先知免道所居测距妥离在或一个玻电尺委长度L之内喜，即槐令N=0，此时熔，测处距结轧果将恳是唯耐一的湖。其测持距方柿程变挠为：例：梳设光设调制红频率选为fυ=15切0×1齐03Hz则电尺偿长度当被测逝距离小恋于10纠00息m时，误测距肃值是闸唯一涛的。即在10迁00桂m以内砍的测键距时N=停0（不足一袍个电尺戴长度）三、相毁位测距兽精度将够两边逼微分董后，荒取有晶限微满量，其中禁为相对者测相精锡度（一兔般1/谋10哥00可比骆较容冲易做演到的金）例如块，对挡上例少而言拣，即此蛋时测悬距精带度可睡达1m。从上式巴可以看度出ΔD与调岩制频恰率fυ成反比湖，即欲苦提高仪垮器的测咏距精度(即使ΔD减少)，则须投提高调借制频率fv享.而由电云尺长度予公式可肯知,此时臭可测乡丰距离甚减少狼。因阶此在允测相咳精度禽受限啦的情企况下浸，存筛在以荣下矛阻盾：·若想得六到大的想测量距蓄离→则浙测距精兴度不高·若想得宴到高的政测量精菊度→（裤电尺长协度短）岔，则测婚量距离滨受限制晨。如何解掉决这个芝矛盾呢遗？四、双走频率相咽位激光穷测距即设置旧若干个期测量频慎率进行狗测量，殖现以两店个频率录为例加穗以说明炊。设测量肠主频为ƒ1，辅助频贺率为ƒ2=k睛ƒ1（k为<1的系数共，如0.腰9=找k）显然，腰此时在内仪器中辜存在2个电尺熟长度，朱他们分泳别为：此时，L2>L1“游标”高原理：设两频闷率的光乒波从仪修器发出潜时的初娇位相相驼同，则只薪有当D=勤10终L1或10L1的整宅数倍蕉时，数两者次位相叠才相哨等。券即两大个调原制频敌率的邀相位扬差第秃二次梯等于0时，惕两个乏频率萌的电浴尺长用度L1和L2的末端的经过若循干次后抄又刚好瘦重合。瞧且在一糖个周期旺内，相雀位差与鼻被测距例离成正访比。（尘图9-徐12）图9-疏12因此辫，只宅有测毯量距利离不饮大于10L1（N≤纪10），就可焦根据请（Δφ1-Δ各φ2）的值测来确蜘定N和距增离D。采用茄两个柄频率肢测距套时的蔑测距野方程考：上两式贱相减，霞并以L2代入得仇：式中：蝇为可测肚距离的饺放大倍亿数，笛为新的及电尺长育度。对上同例：坟，首即将炎电尺田长度猎放大讯了10倍，或踩者说在悄仪器测牧相精度致不变的样条件下机，可测筛距离扩拍大了10倍，即Dma岭x=10郑L1。N的确痰定：齿（图9-觉12）结论剂：1、采尚用两砍个频床率，湾能使耳最大郑可测拢量距贺离增烈大倍俗倍，（f2=Kf1）；2、当川时，厚采用唯计娇算D值；3、当盛时，岩采用计算D值；4、可采蓝用多个屈频率进坝行测量腊。如取例：终设测载量仪泡器的渐分辨阀率为0.0当1m，最大可乒测距离仪为