激光测距技术原理.doc

激光测距技术原理:

1.激光亮度高。固体激光器亮度更可高达1011W／cm2Sr这是因为激光即使功率有限, 不过因为光束极小, 于是含有极高功率密度, 所以激光亮度通常都大于我们所见全部光（包含可见光中强者: 太阳光）, 这也是激光可用于星际测量根本原因所在;
2.激光单色性好。这是因为激光光谱频率组成单一。
3.激光方向性好。激光含有非常小光束发散角, 经过长距离飞行以后仍然能够保持直线传输;
4.激光相干性好。我们通常所见到可见光是非相干光, 激光能够做到她们都做不到事情, 比如说切割钢材。
在测距领域, 激光作用更是不容忽略, 能够这么说, 激光测距是激光应用最早领域（1960年产生, 1962年即被应用于地球与月球间距离测量）。测量正确度和分辨率高、 抗干扰能力强, 体积小同时重量轻激光测距仪受到了大多数有测距需求企业、 机构或个人青睐, 其市场需求空间大, 应用领域广行业需求多, 而且起着日益关键作用。

一、 相位法激光测距技术原理:
当今市场上主流激光测距仪是基于相位法激光测距仪。这是因为基于相位法激光测距仪轻易地就能够克服超声波测距一大缺点: 误差过大, 使测量精度达成毫米等级。而基于此法激光测距仪关键缺点在于电路复杂、 作用距离较短（一百米左右, 经过众多科学工作者努力, 现在也有作用距离在几百米相位法激光测距仪）。
相位法激光测距技术, 是采取无线电波段频率激光, 进行幅度调制并将正弦调制光往返测距仪与目标物间距离所产生相位差测定, 依据调制光波长和频率, 换算出激光飞行时间, 再依次计算出待测距离。该方法通常需要在待测物处放置反射镜, 将激光原路反射回激光测距仪, 由接收模块鉴波器进行接收处理。也就是说, 该方法是一个有合作目标要求被动式激光测距技术。以下图所表示:

由图所显示关系, 我们能够知道, 用正弦信号调制发射信号幅度, 经过检测从目标反射回波信号与发射信号之间相移φ, 经过计算即能够得到待测距离。Δ
D=ct/2 ①
t=φ/ω ②
又有ω=2nf ③ φ=N+Δφ ④
即D=（N+Δφ） *c/(4nf) ⑤
其中, D是待测距离, 也即测距仪与目标物间距离;
C是光速, 等于m/s（假设光速未受环境影响）;
t是往返测距仪与目标物间距离一次时间;
φ是激光光束往返一次后所形成相位差;
Δφ是激光光束往返一次后所形成相位差不足半波长部分;
N是相位差中半波长个数;
ω是调制信号角频率。
因为N个数在激光飞行以后并不能确定, 所以这就造成了基于相位法激光测距仪只能测定Δφ, 相位差中不足半波长部分。这就形成了相位法内伤: 最长作用距离固定, 由调制光波长决定。不过从其次看, 相位法激光测距仪能够正确地测量半个波长内相位差, 这也成就了相位法激光测距仪最为突出优点: 测量精度高, 可达成毫米等级。
二、 脉冲法激光测距技术原理:
相位法与超声波测速测距所用方法相类似, 最大测量距离通常为几百米, 能较轻易达成毫米数量级, 不过根据该方法设计测距仪最大测量距离是受到限制, 不可扩展。该方法关键在国外应用较广。而脉冲法激光测距通常采取红外激光, 包含近红外激光和中红外激光。该波段激光有可见和非可见之分。且基于此技术测距仪对相干性要求低、 速度快、 实现结构简单、 峰值输出功率高、 反复频率高且范围大, 所以此项目使用是脉冲方法设计手持激光测距仪。脉冲法激光测距原理是:

如上图, 激光测距设备对准测量目标——Target, 发送光脉冲, 光脉冲在经过光学镜头时, 一束被透镜前平面镜反射, 进入激光反馈计时模块, 经光电转换及放大滤波整流后, 电平信号送入时间数字转换芯片开始计时端; 另一束激光脉冲经过透镜压缩发散角后, 开始飞行, 碰到目标障碍物后发生漫反射, 部分激光返回到激光接收处理电路, 一样地, 经过光电转换及放大滤波整流后, 所形成电平信号送入时间数字转换芯片结束计时端, 即完成整个测量过程。
其中, 设D为待测距离,
T为往返测量点与待测物间距离所用时间,
C为激光在空气中传输速度（假设已设置测量环境参数）,
n为测量时大气折射率, 那么, 易得:
D=CT/2n
非常简单地, 我们把对距离测量转变为对时间差测量, 所以, 在脉冲式激光测距中, 需要测量只是发射与接收激光时间间隔、 受环境原因影响大气折射率、 环境参数及激光传输速度。这就是脉冲式测距理论原理。