激光测距.ppt

第九讲激光测距主要内容激光测距的特点激光测距仪的分类测距方法分类一、脉冲激光测距
由激光器对被测目标发射一个光脉冲，然后接收系统接收目标反射回来的光脉冲，通过测量光脉冲往返的时间来算出目标的距离：脉冲测距测距仪对光脉冲的要求：三、卫星激光测距.卫星激光测距系统卫星激光测距系统组成测量原理.测距精度与激光脉宽卫星激光测距主要指标与激光器分系统的关系卫星激光测距—激光器发展历史卫星激光测距－激光器：测距误差分析我国卫星测距站卫星激光测距应用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、激光测距方程附注：几个概念
（1）立体角（Ω）的概念：（球面度）（4）“郎伯”定律：二、光电读数五、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2、出窗探测系统

注意：越大，接收能量越多，但光学系统象差愈难校正。
例：若取，雪崩二极管光敏面直径为：φ0=1mm
2W=2.9°=50×10-3rad，
则由上式可得D=3.2mm
此时fˊ=16（mm）
这样光探测系统显然是不合理的，因此，需要调整系统参数。
例如，若将探测器换为光电倍增管，并取φ0=20mm，
则上例中D=64mm，fˊ=320mm。此参数趋于合理。2、窄带干涉滤波器与视场角W之间的矛盾
如下图，设干涉滤波器之视场角为：2W0=+5º，即W0=5º

设计时要求αmax≤[W0]
例：设接收系统W=25×10-3rad，
则αmax=8.53°>W0=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：δ与填充时钟脉冲的频率fT成反比，
例，设fT=150MHz，C=3×108m/s
则δ=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fT=15GHz，这将带来三个问题：

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，fT=100MHz，C=3×108m/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。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t0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Nt0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。

fυ——调制频率（Hz）
N——光波往返全程中的整周期数
Δφ——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ΔN即可求D。

此时，L2>L1
“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=10L1或10L1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L1和L2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。上两式相减，并以L2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Dmax=10L1。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L1·L2及f1，f2。
（1）求L1：

所以：L1=10m
（2）求测距放大倍率：
（3）求K：由（4）求L2：
（5）求f1和f2（二）第二方案：采用一个精频：如f1=15MHz，相应L1=10m，和一个粗频：如f2=150KHz，相应L1=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相位