激光测距技术原理

激光测距技术原理激光测距技术原理 1.激光的亮度高。固体激光器的亮度更可高达 1011W／cm2Sr 这是因为激光虽然功率有限，但是由于光束极小，于是具有极高 的功率密度，所以激光的亮度一般都大于我们所见所有光（包括 可见光中的强者太阳光） ，这也是激光可用于星际测量的根本原 因所在； 2.激光的单色性好。这是因为激光的光谱频率组成单一。 3.激光的方向性好。激光具有非常小的光束发散角，经过长距 离的飞行以后仍然能够保持直线传输； 4.激光的相干性好。我们通常所见到的可见光是非相干光， 激 光可以做到他们都做不到的事情，比如说切割钢材。 在测距领域，激光的作用更是不容忽视，可以这样说，激光测距 是激光应用最早的领域（1960 年产生，1962 年即被应用于地球与月 球间距离的测量） 。测量的精确度和分辨率高、抗干扰能力强，体积 小同时重量轻的激光测距仪受到了大多数有测距需求的企业、 机构或 个人的青睐，其市场需求空间大，应用领域广行业需求多，并且起着 日益重要的作用。 一、相位法激光测距技术原理 当今市场上主流的激光测距仪是基于相位法的激光测距仪。这是 因为基于相位法的激光测距仪轻易地就可以克服超声波测距的一大 1 缺陷误差过大， 使测量精度达到毫米级别。而基于此法的激光测距 仪主要的缺点在于电路复杂、作用距离较短（一百米左右，经过众多 科学工作者的努力，现在也有作用距离在几百米的相位法激光测距 仪） 。 相位法激光测距技术，是采用无线电波段频率的激光，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的相位差测 定，根据调制光的波长和频率，换算出激光飞行时间，再依次计算出 待测距离。该方法一般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，由接收模块的鉴波器进行接收处理。也就是说，该方 法是一种有合作目标要求的被动式激光测距技术。如下图所示 激光二 极管 核心 控制 电路 部分 数字处 理 由图所显示的关系，我们可以知道，用正弦信号调制发射信号 的幅度，通过检测从目标反射的回波信号与发射信号之间的相移 φ，通过计算即可以得到待测距离。Δ Dct/2① tφ/ω② 又有 ω2nf ③φNΔφ④ 即 D（NΔφ） *c/4nf⑤ 2 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 299792458m/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的时间； φ 是激光光束往返一次后所形成的相位差； Δφ 是激光光束往返一次后所形成的相位差不足半波长的部 分； N 是相位差中半波长的个数； ω 是调制信号的角频率。 由于 N 的个数在激光飞行之后并不能确定，所以这就导致了基于 相位法的激光测距仪只能测定 Δφ，相位差中不足半波长的部分。 这就形成了相位法的内伤 最长作用距离固定， 由调制光的波长决定。 但是从另一方面看， 相位法激光测距仪可以准确地测量半个波长内的 相位差， 这也成就了相位法激光测距仪最为突出的优点 测量精度高， 可达到毫米级别。 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，能较容易达到毫米的数量级， 但是按照该方法设计的测距仪 的最大测量距离是受到限制的， 不可扩展。该方法主要在国外应用较 3 广。而脉冲法激光测距一般采用红外激光， 包括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。 且基于此技术的测距仪对相 干性要求低、速度快、实现结构简单、峰值输出功率高、重复频率高 且范围大，所以此项目使用的是脉冲方法设计手持激光测距仪。 脉冲 法激光测距的原理是 LCD 显示单元 结束计时信号 核心数字控制部分 微处理器 激光反射 接收模块 时数转换芯片 激光发射模 块 开始计时信号 激 光 反 馈 接收模块 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，一束被透镜前的平面镜反射， 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 转换芯片的开始计时端；另一束激光脉冲经过透镜压缩发散角后， 开 始飞行，遇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，同样地， 经过光电转换及放大滤波整流后，所形成的电平信 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。 4 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 为激光在空气中传播的速度（假设已设置测量的环境参 数） ， n 为测量时大气折射率，那么，易得 DCT/2n 非常简单地，我们把对距离的测量转变为对时间差的测量，所以， 在脉冲式激光测距中，需要测量的只是发射与接收激光的时间间隔、 受环境因素影响的大气折射率、 环境参数及激光传播速度。这就是脉 冲式测距的理论原理。 5