1、第九讲第九讲 激光测距激光测距电子工程学院光电子技术系电子工程学院光电子技术系主主 要要 内内 容容8.1 概述概述8.2 脉冲激光测距脉冲激光测距 8.3 多周期脉冲激光测距多周期脉冲激光测距 8.4 相位激光测距相位激光测距 激光测距的特点激光测距的特点激光测距仪与其它测距仪激光测距仪与其它测距仪(如微波测距仪等如微波测距仪等)相比，相比，具备的特点：具备的特点：探测距离远测距精度高探测距离远测距精度高 抗干扰性强抗干扰性强 保密性好保密性好 体积小体积小 重量轻重量轻8.1 8.1 概述概述 激光测距仪的分类激光测距仪的分类 激光测距仪的分类：激光测距不同于激光测长，它的测量距离要大得激
2、光测距仪的分类：激光测距不同于激光测长，它的测量距离要大得多，按照测量距离可分为下述三类：多，按照测量距离可分为下述三类：1 1、短程激光测距仪，它的测程仅在五公里以内，适用于各种工程测量；、短程激光测距仪，它的测程仅在五公里以内，适用于各种工程测量；2 2、中长程激光测距仪，测程为五至几十公里，适用于大地控制测量和、中长程激光测距仪，测程为五至几十公里，适用于大地控制测量和地震预报等；地震预报等；3 3、远程激光测距仪，它用于测量导弹、人造卫星、月球等空间目标的、远程激光测距仪，它用于测量导弹、人造卫星、月球等空间目标的距离；距离；激光测距是通过测量激光光束在待测距离上往返传播的时间来换算出
3、激光测距是通过测量激光光束在待测距离上往返传播的时间来换算出距离的，其换算公式为：距离的，其换算公式为：2ctd 测距方法分类测距方法分类脉冲测距法：测距仪发出脉冲测距法：测距仪发出光脉冲光脉冲，经被测目标反射后，光脉，经被测目标反射后，光脉冲回到测距仪接收系统，测量其发射和接收光脉冲的时间间冲回到测距仪接收系统，测量其发射和接收光脉冲的时间间隔，即光脉冲在待测距离上的往返传播时间隔，即光脉冲在待测距离上的往返传播时间t t。脉冲法测距。脉冲法测距精度大多为米的量级；精度大多为米的量级；相位测距法：它是通过测量相位测距法：它是通过测量连续连续调制的光波在待测距离上往调制的光波在待测距离上往返传
4、播所发生的相位变化，间接测量时间返传播所发生的相位变化，间接测量时间t t。这种方法测量。这种方法测量精度较高，因而在大地和工程测量中得到了广泛的应用。精度较高，因而在大地和工程测量中得到了广泛的应用。一、脉冲激光测距一、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：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：2ctd t 的测量：在确定时间起始点之间用时钟脉冲填充计数。t开始结束t=NT时钟脉冲测程远，精度与激光脉宽有关，普通的纳秒激光测距精
5、度在米的量级。脉冲测距脉冲测距激光脉冲测距仪的简化结构如下图所示：激光脉冲测距仪的简化结构如下图所示：激光脉冲测距仪的简化结构激光脉冲测距仪的简化结构测距仪对光脉冲的要求：测距仪对光脉冲的要求：光脉冲应具有足够的强度光脉冲应具有足够的强度光脉冲的方向性要好光脉冲的方向性要好光脉冲的单色性要好光脉冲的单色性要好光脉冲的宽度要窄光脉冲的宽度要窄用于激光测距的激光器：用于激光测距的激光器：红宝石激光器、钕玻璃激光器、红宝石激光器、钕玻璃激光器、二氧化碳激光器、半导体激光器。二氧化碳激光器、半导体激光器。二、连续激光相位测距二、连续激光相位测距 采用无线电波段的频率对激光束进行幅度调制并测定调制光往返
6、采用无线电波段的频率对激光束进行幅度调制并测定调制光往返一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离，即用间接方法测定出光经往返所需的时间。表的距离，即用间接方法测定出光经往返所需的时间。t tcL222nfcL短距离、短距离、高精度，高精度，精度可达精度可达毫米级。毫米级。三、卫星激光测距三、卫星激光测距 作为激光测距应用的最重要成果之一作为激光测距应用的最重要成果之一 卫星激光测距卫星激光测距Satellite Laser Ranging,Satellite Laser Ranging,简称为简称为 SLR
7、SLR）技术起源于二十世纪六）技术起源于二十世纪六十年代，是目前单次测距精度最高的卫星观测技术，其测距精度已十年代，是目前单次测距精度最高的卫星观测技术，其测距精度已达到毫米量级，对卫星的测轨精度可达到达到毫米量级，对卫星的测轨精度可达到 1-3 cm1-3 cm。卫星激光测距技术集光机电于一身卫星激光测距技术集光机电于一身,涉及计算机软、硬件技术涉及计算机软、硬件技术,光学、激光学、大地测量学、机械学、电子学、天文学、自动控制光学、激光学、大地测量学、机械学、电子学、天文学、自动控制学、电子通讯等多种学科。因此学、电子通讯等多种学科。因此SLRSLR测距仪系统十分复杂测距仪系统十分复杂,消耗
8、较大消耗较大,故障率较高故障率较高,同时受天气因素制约同时受天气因素制约,维护起来也比较困难维护起来也比较困难,需要花费需要花费较大的人力物力较大的人力物力,但它又是目前精度最高的绝对观测技术手段。但它又是目前精度最高的绝对观测技术手段。卫星激光测距系统卫星激光测距系统 卫星激光测距系统按照各部分用途大致分为：卫星激光测距系统按照各部分用途大致分为：激光发射激光发射、激光接收激光接收、信息处理信息处理和和信息传输信息传输四大部分。四大部分。的作用是产生峰值功率高，光束发散角小的脉冲激光，的作用是产生峰值功率高，光束发散角小的脉冲激光，使其经过发射光学系统进一步准直后，射向所测卫星。使其经过发射
9、光学系统进一步准直后，射向所测卫星。是接收从被测卫星反射回来的微弱激光脉冲信号，经是接收从被测卫星反射回来的微弱激光脉冲信号，经接收光学系统聚焦后，照在光电探测器的光敏面上，使光信号转变接收光学系统聚焦后，照在光电探测器的光敏面上，使光信号转变为电信号并经过放大。为电信号并经过放大。的主要作用是进行卫星测站预报，跟踪卫星，测量激的主要作用是进行卫星测站预报，跟踪卫星，测量激光脉冲从测距系统到被测卫星往返一次的时间间隔光脉冲从测距系统到被测卫星往返一次的时间间隔t t，并准确显示和，并准确显示和记录在计算机硬盘上，再由人工或自动方式形成标准格式。记录在计算机硬盘上，再由人工或自动方式形成标准格式
10、。的作用是通过通讯网络接收轨道预报参数和其它指令的作用是通过通讯网络接收轨道预报参数和其它指令（下传），上传观测结果所形成的标准格式数据等。（下传），上传观测结果所形成的标准格式数据等。卫星激光测距系统组成卫星激光测距系统组成卫星激光测距系统功能分为七大分系统：卫星激光测距系统功能分为七大分系统：望远镜转台分系统望远镜转台分系统激光器分系统激光器分系统光电接收分系统光电接收分系统伺服驱动控制分系统伺服驱动控制分系统测距控制分系统测距控制分系统微光导星分系统微光导星分系统软件分系统软件分系统测量原理测量原理控制机箱系统控制计算机激光器GPS时钟接收机计数器伺服系统脉冲分配器转台SPAD发射望远镜
11、接收望远镜GPS天线点火1PPS10MHz开关测距精度与激光脉宽测距精度与激光脉宽测距精度是由于激光脉冲前后沿时间差造成的；测距精度是由于激光脉冲前后沿时间差造成的；因此激光脉冲宽度影响测距精度：因此激光脉冲宽度影响测距精度：LCt 脉宽脉宽10ns10ns100ps100ps10ps10ps测距精度测距精度3m3m3cm3cm3mm3mm表：测距精度与脉宽的比较表：测距精度与脉宽的比较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主要指标与激光器分系统的关系 测距精度测距精度激光脉宽激光脉宽.测程（近地星、远地星）测程（近地星、远地星）激光能量、发散角激光能量、发散角.回波率回波率激光
12、能量、发散角、激光脉冲重复频率激光能量、发散角、激光脉冲重复频率.注：测距精度还受光电接收分系统的影响；回波率与天气注：测距精度还受光电接收分系统的影响；回波率与天气好坏关系较大。好坏关系较大。卫星激光测距卫星激光测距激光器发展历史激光器发展历史 第一代：第一代：19641964年，调年，调Q Q激光器，脉宽激光器，脉宽nsns，测距精度，测距精度3m3m；第二代：第二代：70709090年代，主被动锁模激光器，脉宽年代，主被动锁模激光器，脉宽100ps100ps，测距精度，测距精度3cm3cm；第三代：第三代：SESAMSESAM锁模，锁模，50Hz;50Hz;第四代：第四代：SESAMSE
13、SAM锁模，锁模，KHzKHz，精度，精度 1cm1cm；第五代：双波长激光器，去除大气干扰。第五代：双波长激光器，去除大气干扰。卫星激光测距激光器卫星激光测距激光器 ：总的来讲在其它条件相同时，发射激光的脉冲能量总的来讲在其它条件相同时，发射激光的脉冲能量越高，脉宽越窄，重复率越高，峰值功率越大，则越高，脉宽越窄，重复率越高，峰值功率越大，则系统的测距能力越高。系统的测距能力越高。千赫兹皮秒激光器为第四代卫星激光测距之激光器。千赫兹皮秒激光器为第四代卫星激光测距之激光器。下一代卫星测距用激光器为双波长激光器。下一代卫星测距用激光器为双波长激光器。测距误差分析测距误差分析（1 1）测距系统仪器
14、误差测距系统仪器误差激光脉冲宽度误差激光脉冲宽度误差时间间隔测量误差时间间隔测量误差主波计时探测误差主波计时探测误差回波计时探测误差回波计时探测误差时钟同步误差时钟同步误差时钟频率标准误差时钟频率标准误差（2 2）卫星反射器误差卫星反射器误差反射器质心修正值误差反射器质心修正值误差 （3 3）系统延迟测量误差系统延迟测量误差地靶距离标定误差地靶距离标定误差地靶常规标校测量误差地靶常规标校测量误差（4 4）气象参数采集和大气修正模型误差气象参数采集和大气修正模型误差我国卫星测距站我国卫星测距站卫星激光测距应用卫星激光测距应用 卫星激光测距（卫星激光测距（Satellite Laser Rangi
15、ngSatellite Laser Ranging：SLRSLR）是随）是随着现代激光、光电子学、着现代激光、光电子学、计算机和空间科学发展而建立起计算机和空间科学发展而建立起来的一门崭新观测技术。由于它具有独特的测距方式和较来的一门崭新观测技术。由于它具有独特的测距方式和较高的测量精度高的测量精度,已在地学领域广泛应用。目前已在地学领域广泛应用。目前,其观测资料其观测资料已可用于地球物理学、地球动力学、大地测量学、天文学已可用于地球物理学、地球动力学、大地测量学、天文学和地震预报等多种学科。和地震预报等多种学科。激光测距的基本公式为：激光测距的基本公式为：cc大气中的光速大气中的光速 tt为
16、光波往返所需时间为光波往返所需时间 由于光速极快，对于一个不太大的由于光速极快，对于一个不太大的D D来说，来说，t t是一个很小的量，是一个很小的量，例：设例：设D=15kmD=15km，c=3c=310105 5km/seckm/sec 则则t=5t=51010-5-5secsec 由测距公式可知，如何精确测量出时间由测距公式可知，如何精确测量出时间t t的值是测距的关键。由的值是测距的关键。由于测量时间于测量时间t t的方法不同，产生了两种测距方法：的方法不同，产生了两种测距方法：脉冲测距和相位测距。脉冲测距和相位测距。ctd218.2 8.2 脉冲激光测距脉冲激光测距 一、激光测距方程
17、一、激光测距方程 1 1、从测距仪发射的激光到达目标上的激光功率、从测距仪发射的激光到达目标上的激光功率 1 1）对于点目标，目标面积小于激光照亮面积：）对于点目标，目标面积小于激光照亮面积：P Pt t激光发射功率（激光发射功率（W W）T T大气单程透过率大气单程透过率 K Kt t发射光学系统透过率发射光学系统透过率 A At t目标面积（目标面积（m m2 2）A As s光在目标处照射的面积（光在目标处照射的面积（m m2 2）2 2）对于扩展目标，由于目标面积大于光斑面积，所以目）对于扩展目标，由于目标面积大于光斑面积，所以目标有效反射面就是光斑面积：标有效反射面就是光斑面积：2
18、2、激光回波在单位立体角内所含的激光功率、激光回波在单位立体角内所含的激光功率P Pe e（激光在（激光在目标产生漫反射，其漫反射系数为目标产生漫反射，其漫反射系数为）1/sttttATAKPP 1tttPP K T附注：几个概念附注：几个概念（1 1）立体角（）立体角（）的概念：（球面度）的概念：（球面度）2Rds（2 2）一点光光源向三维空间幅射的立体角为：）一点光光源向三维空间幅射的立体角为：（3 3）一点光源以小孔径角（）一点光源以小孔径角（u u）幅射的立体角）幅射的立体角：因为因为u u很小，可将球面以圆面积代替很小，可将球面以圆面积代替注意：注意：u u为孔径角（为孔径角（rad
19、rad）。）。44222RRR球面积（球面度）圆面积 222222uRuRRrR（4 4）“郎伯郎伯”定律：定律：设光正入射到一漫反射体，设垂直于漫反射面反射的光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强为I IN N，若向任一方向漫反射的光强，若向任一方向漫反射的光强I Ii i满足下式：满足下式：即即I Ii i=I=IN NCosCosi i 则该漫反射体称作则该漫反射体称作“余弦幅射体余弦幅射体”或或“郎伯幅射体郎伯幅射体”。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能量集中在1rad1rad以内（约以内（约5
20、757）则则=u=u2 2=式中：式中：目标漫反射系数目标漫反射系数 T T大气单程透过率大气单程透过率 2/1 TPTPPtte则 3 3、测距仪光接受系统能接受到的激光功率、测距仪光接受系统能接受到的激光功率P Pr r P Pr r=P=Pe er rKKr r r r目标对光接收系统入瞳的张角（物方孔径角）目标对光接收系统入瞳的张角（物方孔径角）所对应的立体角所对应的立体角 K Kr r接收光学系统透过率接收光学系统透过率 A Ar r入瞳面积入瞳面积 R R目标距离（目标距离（m m）所以：所以：P Pr r=P=Pe eKKr rAAr r/R/R2 2（3 3）2RArr 4 4
21、、测距公式、测距公式 以（以（1 1）代（）代（2 2）并代入（）并代入（3 3）得：光电探测器可接收）得：光电探测器可接收到的激光功率到的激光功率P Pr r为：为：整理得：整理得：P Pr r=P=Pt tKKt tKKr rTT2 2AAr r/（A AS SRR2 2）式中：大气透过率式中：大气透过率T T=e=e-，大气衰减系数大气衰减系数=2.66/V=2.66/V，（，（V V：为大气能见距离：为大气能见距离kmkm）2121/RKATATAKPRKATPPrrPstttrrPtrte 代入上式，整理得代入上式，整理得 以光电探测器所能探得的最小光功率以光电探测器所能探得的最小光
22、功率P Pminmin代替上式中代替上式中的探测功率的探测功率P Pr r，则可得最大探测距离，则可得最大探测距离RmaxRmax为：为：结论：结论：1 1、激光发射能量大对测距有利：、激光发射能量大对测距有利：222eeT则212/rrrStttPeAKAAKPRmin22max1PAAeAKKPRStrrtt 若已知脉冲激光单脉冲能量若已知脉冲激光单脉冲能量E E（J J），和脉宽），和脉宽（s s），），则可由下式求其峰值功率则可由下式求其峰值功率P Pt t。P Pt t=E=Et t/例：对例：对YAGYAG激光器：已知激光器：已知=5ns=5=5ns=51010-9-9secsec
23、，E Et t=10mJ=10=10mJ=101010-3-3J J 但增大单脉冲能量必须提阈值电压，这将导致但增大单脉冲能量必须提阈值电压，这将导致:1 1）能耗上升，）能耗上升，2 2）电磁干扰增大，）电磁干扰增大，3 3）氙灯寿命减少。）氙灯寿命减少。36910 102 1025 10tPWMW则2 2、小的激光发散角：、小的激光发散角：措施：增大扩束准直系统的角放大率。措施：增大扩束准直系统的角放大率。3 3、高透过率光学系统；、高透过率光学系统；4 4、大的接收孔径角；、大的接收孔径角；5 5、大目标对测距有利；、大目标对测距有利；6 6、高灵敏度探测器。、高灵敏度探测器。二、光电读
24、数二、光电读数 因为因为 测距仪的最小脉冲正量测距仪的最小脉冲正量为：为：令令N=1 例：设例：设fT=150MHz=1.5108Hz，C=3108m三、测距精度三、测距精度 对对 求偏微分，求偏微分，分析分析N产生的误差：产生的误差：111()22TTTNsctcfTff为晶振频率;Tfc2则 m1105.1210388则：TfNCS2TTffsNNsccss（2）光电计数误差：）光电计数误差：可产生可产生1个脉冲当量的误差，且影响个脉冲当量的误差，且影响2次：次：（1）瞄准误差）瞄准误差2NS四、测距仪光学原理框图四、测距仪光学原理框图五、激光接收光学系统五、激光接收光学系统 （一）激光接
25、受光学系统的两种基本型式（一）激光接受光学系统的两种基本型式 1、出瞳探测系统、出瞳探测系统 场镜的作用是减小探测器口径，并使孔径光栏成像在光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电探测器上 设计时满足以下关系：设计时满足以下关系：式中：式中：为横向放大倍率，为横向放大倍率，0为光电探器光敏面直径。为光电探器光敏面直径。解以上方程组，可得解以上方程组，可得llDfll18.0111021。值和、2fl 2 2、出窗探测系统、出窗探测系统（二）设计中几个光学参数的讨论（二）设计中几个光学参数的讨论1、接受物镜相对孔径、接受物镜相对孔径 和探测器光敏面（和探测器光敏面（0）的关
26、系。）的关系。fD 对出窗探测系统，设接收物镜口径为对出窗探测系统，设接收物镜口径为D，视场角为，视场角为w，在象面上光斑直径为在象面上光斑直径为，则当，则当w很小时，可用下式建立它很小时，可用下式建立它们之间的关系：们之间的关系：在出窗探测系统中，光敏面置于象面处，设光电探测器在出窗探测系统中，光敏面置于象面处，设光电探测器的光敏面为的光敏面为0，一般取：，一般取：0.80 即即2wf0.80，所以所以 fw 228.00 注意：注意：越大，接收能量越多，但光学系统象差愈难校正。越大，接收能量越多，但光学系统象差愈难校正。例：若取例：若取 ，雪崩二极管光敏面直径为：，雪崩二极管光敏面直径为：
27、0=1mm2W=2.9=5010-3rad，则由上式可得则由上式可得D=3.2mm此时此时f=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。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，并取例如，若将探测器换为光电倍增管，并取0=20mm，则上例中则上例中D=64mm，f=320mm。此参数趋于合理。此参数趋于合理。fD51 fD28.08.0228.0000fDDDDfD或又因为：2、窄带干涉滤波器与视场角、窄带干涉滤波器与视场角W之间的矛盾之间的矛盾如下图，设干涉滤波器之视场角为：如下图，设干涉滤波器之视场角为：2W0=+5，即，
28、即W0=5设计时要求设计时要求maxW0例：设接收系统例：设接收系统W=2510-3rad，则则max=8.53W0=5解决这个矛盾的办法是减小接收系统的相对孔径解决这个矛盾的办法是减小接收系统的相对孔径 ，或增，或增大探测器面积。大探测器面积。fD，51 fDfDWtgfDWfDwftg2221maxmax所以则一、问题的提出一、问题的提出 则脉冲激光测距中最小脉冲当量的公式：则脉冲激光测距中最小脉冲当量的公式：可知：可知：与填充时钟脉冲的频率与填充时钟脉冲的频率fT成反比，成反比，例，设例，设fT=150MHz，C=3108m/s 则则=1m 因此在测量中，如果存在一个脉冲的误差，则其测距
29、误差因此在测量中，如果存在一个脉冲的误差，则其测距误差即为即为1m，这对远距离测量也许是允许的，但对近距离测量，这对远距离测量也许是允许的，但对近距离测量（如（如50m等），则误差太大。如要求测距误差为等），则误差太大。如要求测距误差为1cm，则要，则要求时钟脉冲的频率应为求时钟脉冲的频率应为fT=15GHz，这将带来三个问题：，这将带来三个问题：8.3 8.3 多周期脉冲激光测距多周期脉冲激光测距 TTfNfC2C,2 过高的时钟脉冲不易获得；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；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。对电路的性能要求很高。二、多周期
30、测距原理二、多周期测距原理 （一）非延时多周期脉冲激光测距（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。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设晶振填充时钟脉冲的频率为fT，测距仪距目标的距离，测距仪距目标的距离为为S，光脉冲经过，光脉冲经过N个周期后所走的总路程和为个周期后所走的总路程和为L，式中式中m：计数器在：计数器在N个周期中所计的总晶振脉冲个数。个周期中所计的总晶振脉冲个数。例：设例：设N=150，fT=100MHz，C=3108m/s，则当，则当m=1时
31、，多时，多脉冲测量时的最小脉冲正量为：脉冲测量时的最小脉冲正量为：而当采用单脉冲测量时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。倍。TTfNCmSfmCSNL22则;01.01010015021103681mSm多mfCT5.11010021031268单 （二）固定延时多周期脉冲激光测距（二）固定延时多周期脉冲激光测距 当测量距离很小时，则由当测量距离很小时，则由“发射发射接收接收再发射再发射”过过程中所形成的振荡回路的频率就很高。程中所形成的振荡回路的频率就很高。例：当例：当S=1.5m时，测量一次（光脉冲往
32、返一次）所需时时，测量一次（光脉冲往返一次）所需时间间 所以其振荡回路的频率为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。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下一个激光脉冲，而是增加一个固定的延时t0=m0/fT（m0为延时的时钟脉冲数）后，才触发下一个激光脉冲。为延时的时钟脉冲数）后，才触发下一个激光脉冲。20CSt，1005.1210321802MHzSCtf固定延时固定延时再发射再发射形成形成：再接收再接收再延时再延
33、时发发 射射接接 收收 这样，可有效降低振荡回路的频率。这样，可有效降低振荡回路的频率。具体按以下程序实施：具体按以下程序实施：1发射系统发出光脉冲；发射系统发出光脉冲；2从发射时刻开始，计数器开始计数；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，而是经一固定延时闭计数器，而是经一固定延时t0后，再去触发激光发出下一后，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；个光脉冲，同时计数计又开始计数。以形成周期振荡信号；4经经N个周期后，关闭计数器；个周期后，关闭计数器；5将将N个
34、周期测量的总时间个周期测量的总时间t减去减去N个周期延时的时间个周期延时的时间N t0的值取平均值，就可得到光脉冲往返一次所需的时间。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。将该时间代入测距公式后可得所测距离。设时钟脉冲频率为设时钟脉冲频率为fT，测距仪距目标距离为，测距仪距目标距离为S，光脉冲经，光脉冲经过过N个周期后所走的总路程为个周期后所走的总路程为L，式中式中m：计数计的总计数脉冲数；：计数计的总计数脉冲数；m0：延时：延时t0内计数器的计数值。内计数器的计数值。例：设固定延时例：设固定延时t0=200nS，N=150，fT=100MHz，
35、则可算，则可算出延时脉冲个数为：出延时脉冲个数为：TTNfNmmCNLSfNmmCNttCNSL2212000则2010100102006900Tftm一、相位测距原理一、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。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，设调制连续激光经过高频调制后成为高频调制光，设调制频率为频率为f f，如下图所示。，如下图所示。激光往返一周的时间激光往返一周的时间t t可以用调制波的整数周期数及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。不足一个
36、周期的小数周数来表示。8.4 8.4 相位激光测距相位激光测距 个调制频率对应的长度等校于令1,22TvCfCL f调制频率（调制频率（Hz）N光波往返全程中的整周期数光波往返全程中的整周期数 不是一个周期的位相值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。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：则相位测距方程为：结论：因为结论：因为L为已知的，所以只需测得为已知的，所以只需测得N和和N即可求即可求D。fNt12 fCNfCfNCCtD4212221则LNNLLNLD2T二、相位测距的多值性二、相位测距的多值性 在测距方程中在测距方程中N是
37、可以通过仪器测得的，但不能测得是可以通过仪器测得的，但不能测得N值，值，因此，以上方程存在多值解，即存在测距的多值性。但若我因此，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们预先知道所测距离在一个电尺长度L之内，即令之内，即令N=0，此，此时，测距结果将是唯一的。时，测距结果将是唯一的。其测距方程变为：其测距方程变为：例：设光调制频率为例：设光调制频率为f=150103Hz 则电尺长度则电尺长度 当被测距离小于当被测距离小于1000m时，测距值是唯一的。时，测距值是唯一的。即在即在1000m以内的测距时以内的测距时N=0（不足一个电尺长度）（不足一个电尺长度
38、）LD2mmfCL1000101502103238三、相位测距精度三、相位测距精度 将将 两边微分后，取有限微量，两边微分后，取有限微量，其中其中 为相对测相精度（一般为相对测相精度（一般1/1000可比较容可比较容易做到的）易做到的）例如，对上例而言，例如，对上例而言，即此时测距精度可达即此时测距精度可达1m。从上式可以看出从上式可以看出D与调制频率与调制频率f成反比，即欲提高仪器的测成反比，即欲提高仪器的测距精度距精度(即使即使D减少减少)，则须提高调制频率，则须提高调制频率fv.而由电尺长度公式而由电尺长度公式可知可知,此时可测距离减少。因此在测相精度受限的情况下，存此时可测距离减少。因
39、此在测相精度受限的情况下，存在以下矛盾：在以下矛盾：LD22)(22)(2fCLLD则100012mD1100011000 若想得到大的测量距离若想得到大的测量距离则测距精度不高则测距精度不高 若想得到高的测量精度若想得到高的测量精度（电尺长度短），则测量距离（电尺长度短），则测量距离受限制。受限制。如何解决这个矛盾呢？如何解决这个矛盾呢？四、双频率相位激光测距四、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。说明。设测量主频为设测量主频为1，辅助频率为，辅助频率为2=k 1（k为为L1 “游标游标”原理：原理：设
40、两频率的光波从仪器发出时的初位相相同，设两频率的光波从仪器发出时的初位相相同，则只有当则只有当D=10L1或或10L1的整数倍时，两者位相才相等。即的整数倍时，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，两个频率的电尺长时，两个频率的电尺长度度L1和和L2的末端经过若干次后又刚好重合。且在一个周期内，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。相位差与被测距离成正比。112 fCL 1111229109.022LLKLKfCfCL 因此，只有测量距离不大于因此，只有测量距离不大于10L1（N10），就可根据），就可根据（1-2）
41、的值来确定）的值来确定N和距离和距离D。采用两个频率测距时的测距方程：采用两个频率测距时的测距方程：DLLNDDLLNDLNLD2222211111222得：由2222111122LLNDLLND可以写成：12Kff 因为12212LKfCL所以 上两式相减，并以上两式相减，并以L2代入得：代入得：式中：式中：为可测距离的放大倍数，为可测距离的放大倍数，为新的电尺为新的电尺长度。长度。对上例：对上例：，即将电尺长度放大了，即将电尺长度放大了10倍，或者倍，或者说在仪器测相精度不变的条件下，可测距离扩大了说在仪器测相精度不变的条件下，可测距离扩大了10倍，即倍，即Dmax=10L1。211211
42、1212212222NNLDKNLDKNLDKLNND1212121整理得：MK11KL11109.011MN的确定：的确定：)(212 0 02:112121121212121MLKLDNNNN则，即时，即）第一种情况102:2212121NN时，即）第二种情况12121221121MLKLD 则11212221121MLKLD或 结论：结论：1、采用两个频率，能使最大可测量距离增大倍、采用两个频率，能使最大可测量距离增大倍 倍，倍，（f2=Kf1）；）；2、当、当 时，采用时，采用 计算计算D值；值；3、当、当 时，采用时，采用 计算计算D值；值；4、可采用多个频率进行测量。、可采用多个频
43、率进行测量。如取：如取：02112112MLD021121221MLD1111999.0 99.0 9.0 ffff、KM11 例：设测量仪器的分辨率为例：设测量仪器的分辨率为0.01m，最大可测距离为，最大可测距离为100m，测相精度为，测相精度为 ，采用，采用2个频率测量，个频率测量，设计设计L1L2及及f1，f2。（1）求）求L1：所以：所以：L1=10m （2）求测距放大倍率：）求测距放大倍率：（3）求）求K：由：由 10001221LD由 mLLD01.01000211得xM10101009.010111111MKKM，则（4）求）求L2：（5）求）求f1和和f2 mLL91009.
44、0109.012fCL2由HzLCffCL781111105.110210322得HzHzLCffCL76822221035.11095.19100210322 （二）第二方案：采用一个精频：如（二）第二方案：采用一个精频：如f1=15MHz，相，相应应L1=10m，和一个粗频：如，和一个粗频：如f2=150KHz，相应，相应L1=1000m，粗尺确定（，粗尺确定（1-1000）m的距离，电尺长度的距离，电尺长度为为1000m，（测量精度为，（测量精度为1m），精尺确定（），精尺确定（0.01-10）m的距离，电尺长度为的距离，电尺长度为10m，（测量精度为，（测量精度为0.01m）。）。注：
45、测相精度为注：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。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使之、移相法：通过移相器改变参考信号的相位使之与测距信号位相一致即可得相位差值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、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。见下图。填充晶振脉冲，从而得到位相差值。见下图。四、相位测距仪的光学系统四、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）。器（角锥镜、三面直角棱镜）。
