激光测距（精选十篇）
激光测距 篇1
1.1 精度高
激光测距仪的使用操作不依赖于使用者的经验和操作技能, 误差只取决于仪器本身的精度, 仅为其他光学测距仪的五分之一到数百分之一。例如, 在月球上安装反射器, 测量距离为38440km, 误差仅仅为10cm。
1.2 测量速度
由于激光测距不用再像传统测量一样, 用一个个的固定单位去做比例。采用光速传播于两点之前, 因此测量速度非常快, 也节省了很多工作。
1.3 便于携带, 体积小
普通常用的激光测距仪, 质量从2.2lbs到1kg都有。
1.4 可测距离长
对比传统测量方法, 激光测量在可测长度上有非常大的优势, 若连续发射激光, 可测距离可达40公里, 并可昼夜连续工作, 不会因为加大测程而产生巨大的误差。
2 发展趋势
激光测距技术最早应用于军事测量, 世界上的第一台激光测距仪生产于1961年, 由美国的休斯飞机公司发明创造, 名为科利达I型, 而世界第一台用于军事的激光测距仪也在短短一年后成功问世。因这项技术的绝对优势, 激光测距被广泛应用于军事探测, 例如坦克, 飞机, 火炮对目标的测量, 以及更高的云层, 人造卫星的高度等。而随着技术的发展, 激光测距仪的价格也不断下调, 工业上也开始广泛使用此技术, 用于测量矿山, 港口等领域。
3 根据测量原理的分类
3.1 脉冲激光
3.1.1 脉冲激光测距原理
激光测试仪同时具备发射和接收系统, 由出发点用激光器向测试目标发射脉冲光, 通过测量脉冲光发出到接收由目标处反射回来的脉冲光的往返时间来计算出目标距离。
工作过程为:
首先启动激光器, 向已确认的目标发射激光脉冲信号。与此同时, 计数器作为采样器采样发射信号被启动, 时钟振荡器向计数器输入有效计数脉冲, 激光脉冲信号被目标反射回来经过空气传输, 进入激光测距仪的接收系统, 光电探测器负责将其转变为电脉冲信号, 再经过放大器放大, 作为计数器的关门信号, 使计数器停止计数。最后通过计算此周期里的时钟脉冲个数, 可以计算得到目标距离。测程远, 精度与激光脉宽有关, 普通的纳秒激光测距精度在米的量级。
t的测量:在确定时间起始点之间用时钟脉冲填充计数。
3.1.2 测距精度分析
脉冲测距的精度ΔD可以由公式表示:ΔD=cΔt/2从此公式可以看出, ΔD的精度主要取决于激光传播时间Δt的准确精度。而激光传播时间的测量精度除了受探测器的信噪比和接收通道的带宽这些数值的影响, 最主要的影响因素为时间间隔测量的精确度。
从公式我们可以看出, 精准的激光传播时间Δt是得到脉冲距离L的关键, 如何得到更准确稳定的Δt呢?这要求我们准确的把握激光发射和接收的起止时刻, 由此推算出无误的时间间隔。实验发现, 计数频率的越高所得出的测距越精确。
例如, 采用时钟脉冲频率f=300MHz的激光测距仪, 预测距离为L=3000m, 则光脉冲需要的往返时间为t=2L/c=20μs, 在20μs的时间间隔里, 计数器可计数3000个脉冲信号, 也就是每1m计数一个脉冲信号。意味着所产生的一个脉冲信号就会引起1m的测量误差。如果距离很远这样的误差还能被容许, 但对近距离如100m以内, 相对误差就太大了, 当然我们还可以通过使用更高频率的计数时钟来减少这一误差。
除此之外时间分辨率Δt还受到其他因素的影响, 例如, 光接收系统对脉冲的展宽, 被测目标和激光的脉冲宽度等。
3.2 连续激光相位测距
目前短程距离多采用相位技术进行测量, 相位测距的原理为, 用无线电波段的频率对激光束进行幅度调制, 并确定掉之光往返一次所产生的相位延迟, 根据调制光的波长, 换算出相位延迟所代表的距离, 再由此计算出激光往返所需的时间。
现在的检相方法为将连续的调制信号经过整形变成方波, 再由数字鉴相器进行检测, 不同于早前的相位式激光测距, 需要激光器保持连续的工作状态, 使用半导体激光器的直接光强调制对激光器进行光强调制。
通过对检测相位过程的分析, 发现对检测相位有贡献的部分为整形过程中过零点的部分, 而连续信号的其他部分对数据处理不但没有作用, 还会降低激光器的功率, 缩短激光器的使用时间。因此, 如果能把激光器集中在信号有效的那部分, 则能够调高激光测距仪的效率, 并延长其使用时间。根据这个分析, 产生了将连续调制信号变为脉冲调制信号去调制激光器想法, 而脉冲调制信号也应能反映连续调制信号的相位信息。
4 总结和展望
激光测距技术属于精密机械测量技术, 采用电子光学传播原理, 是结合多种精密技术的综合运用。其对生产和调制的要求比较高, 本论文还只是对技术的初步研究, 讨论了前期的理论分析和部分器件的实现, 要达到实用性能完善, 还有更多研究工作要做:
1) 半导体激光器的窄脉冲驱动工作;
2) 信号变换过程中相位信息的分析;
3) 基于DDS技术的调频信号发生器;
4) 窄脉冲激光光束的相位抖动问题。
最后, 由于近代精密机械加工技术和无线电测相技术的发展, 激光测距将会达到更远距离、更高的精度, 并且在工业, 军事甚至医疗方面得到更为广泛的应用。尤其是在远距离激光测距, 非合作目标的高精度、激光大气通信的应用方面具有很大的应用空间。
参考文献
[1]孙晓明, 马军山, 强锡富.半导体激光器自混合干涉绝对测距理论研究[J].仪器仪表学报, 1998.
[2]余成波.传感器与自动检测技术.高等教育出版社, 2004.
[3]刘国光.基于方波的相位式激光系统的研究 (硕士学位论文) .浙江大学, 2004.
激光测距论文讲解 篇2
激光技术这一高新技术，经过半个世纪的发展，从机理原理，实验手段到制造工艺都已逐步成熟，且先进的激光器不断研制成功，并凭借其高亮度、方向性强、单色性好、相干性好的显著特点，在工业、农业、医疗、军事等领域的应用已经是大显神威。而激光武器经过不断地开发和研究，目前已有了重大的进展：低功率激光武器已开始装备部队，高功率激光武器则在技术上已基本成熟，将在未来现代化战争或局部战争中发挥举足轻重的作用。
本文简要介绍了脉冲激光测距原理及常见的激光测距仪，并对它们在军事上的应用作了相应的介绍。
关键词：激光测距；激光测距仪； 军事应用
一、引言
激光测距是激光在军事上应用最早和最成熟的技术。自1960 年第一台激光器--红宝石激光器发明以来，便有人开始进行激光测距的研究。和微波测距等其它方法相比,激光测距具有更好的方向性和更高的测距精度,测程远,抗干扰能力强,隐蔽性好,因而得到广泛的应用。激光测距的研究还对雷达技术的发展起了很大的促进作用,因而在国民经济和国防建设中具有重要意义。根据所发射激光状态的不同,激光测距分为激光脉冲测距和连续波激光测距,后者根据起止时刻标识的不同又分为相应激光测距和调频激光测距。本文将介绍脉冲测距的最新技术发展。
二、脉冲激光测距原理
脉冲激光测距是利用激光脉冲持续时间极短,能量在时间上相对集中,瞬时功率很大(一般可达兆瓦)的特点,在有合作目标的情况下,脉冲激光测距可以达到极远的测程;在进行几公里的近程测距时,如果精度要求不高,即使不使用合作目标,只是利用被测目标对脉冲激光的漫反射索取的反射信号,也可以进行测距。图1 脉冲飞行时间激光测距系统一个典型的脉冲飞行时间激光测距系统通常有以下五个部分组成:激光发射单元,一个或两个接收通道,时刻鉴别单元,时间间隔测量单元和处理控制单元。激光发射单元在t0 时刻发射一激光脉冲,其中一小部分功率直接进入接收通道1,经时刻鉴别单元产生起始(START)信号,开始时间间隔测量;其余功率从发射天线向目标发射出去,经距离R 到达目标后被反射;接收通道2 的光电探测器接收到返回脉冲,经放大后到达时刻鉴别单元,产生一终止(STOP)信号,终止时间间隔测量;时间间隔测量单元把所测得的结果t 输出到处理控制单元,最后得到距离R=ct/2。
[1]
三、激光测距在军事上的应用 3.1 激光测距光源
战术和战略用脉冲激光测距仪主要包括红宝石、Nd∶YAG、CO2、喇曼频移Nd∶YAG 和Er∶玻璃等脉冲激光测距仪。3.3.1 红宝石脉冲激光测距仪
0.69μm 的红宝石脉冲激光测距仪是第一代军用激光测距仪，其结构简单，紧凑。因工作波长属近红外绿光，极易暴露目标，加上对人眼极不安全，目前除少数应用外已被淘汰。
3.1.2 Nd∶YAG 脉冲激光测距仪
Nd∶YAG 脉冲激光测距仪的主要优点是隐蔽性、电效率和脉冲重复工作频率大大优于红宝石激光测距仪，因而从60 年代后期开始广泛装备部队；主要缺点：①工作波长为1.06μm，相对说来较短，在大气中的衰减较大，不完全适合自然雾和战场烟幕等环境条件；② 1.06μm 波长被发射后经人眼聚焦进入视网膜，在很短的距离上若不加防护观察，可以使人眼永久致盲；③1.06μm 波长不与8~12μm 热成像系统兼容。而Nd∶YAG 脉冲激测距仪目前仍具有无法取代的独特优点。3.1.3 CO2 脉冲激光测距仪
CO2 脉冲激光测距仪是70 年代末和80 年代中期主要针对1.06μm 的Nd∶YAG 激光测距仪的缺点发展起来的新一代人眼安全激光测距仪。其主要优点有：①大气穿透能力优于Nd∶YAG 激光波长，能在较低能见度和战场烟幕等大气条件下工作；②能与8~12μm 波段内的典型热成像系统兼容并可共用接收光学系统和探测器，能有效实现热成像仪能探测到的绝大多数目标；③能实现对人眼安全。主要缺点是：①10.6μm 的CO2 激光波长极易被水分子(H2O)吸收衰减，在大气中含水蒸汽密度大的睛天和潮湿条件下，限制了它的最大测距能力，特别是雨天和目
标被雪覆盖时，目标呈现多镜面对称反射，对CO2 激光波长测距不利；③10.6 μm 的CO2 激光波长对战术目标的反射系数低于1.54、1.06 和0.69μm 的激光波长。
3.1.4 喇曼频移Nd∶YAG 和Er∶玻璃脉冲激光测距仪
喇曼频移Nd∶YAG 和Er∶玻璃脉冲激光测距仪也和CO2 一样发展于70 年代末和80年代中期，主要优点是：①大气穿透能力高于1.06μm 的Nd∶YAG 激光波长而低于CO2 激光波长；②对目标的反射系数和在睛天、高温度条件下测距时，其性能高于CO2 激光波长并与Nd∶YAG 激光波长相当；③对人眼的安全性高于CO2 激光波长。缺点是由于1.54μm 波长属中红外波段，不能与8~12μm 的热成像系统兼容，加上转换效率低、脉冲能量小和重复工作频率低(喇曼频移Nd∶[3][2] YAG 除外)等限制了它们的应用。3.2 脉冲激光测距在军事上的应用
脉冲激光测距仪作为军用装备器材，发展于60 年代初。经过30 多年的开发、研制和装备，目前国外已完成了“手持式、脚架式、潜望式、坦克、装甲、水面舰载、潜艇潜望、高炮、机载、机场测云、导弹和火箭发射、人造卫星、航天器载”等约十三大类400 多个品种和型号，其中装备量最大的是以Nd∶YAG 为器件的固体脉冲激光测距仪，其次是喇曼频移Nd∶YAG 和Er∶玻璃以及CO2 脉冲激光测距仪。
3.2.1 轻型便携式脉冲激光测距仪
轻型便携式脉冲激光测距仪包括步兵和炮兵侦察用的手持式以及前沿侦察和前沿对空控制(FAC)双用途的激光测距仪—目标指示器。对上述用途的系统，要求机动灵活、重量轻、体积小、用电池组作电源、可靠性和维修性高以及单一产品的成本低等。主要技术性能：最大测程4~10km，测距精度±10m，重复频率为单次，束散角1~2mrad。值得关注的的是，由于上述激光测距仪及其系统常与其他友军密切配合作战且不带装甲部队大范围训练以及无合作目标、操作手不带防护目镜等，人眼安全极为重要。因此，这类脉冲激光测距仪已逐渐由装备Nd∶YAG 激光测距仪改为喇曼频移Nd∶YAG 和Er∶玻璃1.54μm 的人眼安全激光测距仪。
在现代战争中，由以前单一的步兵、炮兵独立作战发展到有步兵、炮兵和海军陆战队组成的特种部队联合作战，武器系统也由单一的地炮、高炮逐渐采用多功能综合高技术。因此激光测距仪也由单一测距功能的便携式、手持式发展到激光测距、红外瞄准的昼夜观测仪以及激光测距、目标指示、红外瞄准的激光红外目标指示器等。
3.2.2 地面车载脉冲激光测距仪
地面车载脉冲激光测距仪包括坦克、步兵战车(IFV)、火控、对空防御、火炮或导弹制导火控以及目前发展的地面车载激光测距仪—目标指示器等。其主要技术性能：最大测程4~10km，测距精度±5~10m，目标分辨约20m，重复频率0.1~1Hz，束散角0.4~1mrad。激光测距仪在坦克火控系统中的应用是提供弹道轨迹的超仰角修正信息和因逆风或目标移动引起的方位角校正信息以及距离信息。步兵战车主要是使用激光测距仪去测量目标是否在反坦克导弹的距离内，其次用于枪炮火控和对目标的分选。为了做到激光测距仪完全有效地对任何能探测到的目标测距以及通过火控系统全天候被动探测、识别和分选，这些系统还应包括：瞄准光学系统、电视摄像机和红外热成像仪(FLIR)等。这是目前非常迫切需要的但不可能通过任何单一功能和单一波长激光测距仪能完全满足的系统。据外刊报 道，美国休斯公司采用喇曼频移Nd∶YAG 激光测距、电视摄像和红外成像组成的坦克、装甲车激光测距仪系统是目前最新型的设备。但是这种系统若采用1.06μm 的Nd∶YAG 激光测距，尽管在测距仪上装上衰减滤光片，对合作目标测距训练时已基本达到人眼安全要求，而经论证后的坦克和步兵作战的操作人员及指挥、作战人员应采取人眼安全措施，或者采用人眼安全的1.54μm 激光波长测距，从根本上实现对人眼安全的要求。3.2.3 对空火炮和导弹防御脉冲激光测距仪
对空防御的脉冲激光测距仪以及采用了自保护措施的步兵战车对空防御脉冲激光测距仪均应按火控系统和作战系统的要求工作，在距离和距离速率以内对空中高速机动目标提供稳定的跟踪信息和距离信息，以对抗武装直升机、隐身飞机和巡航导弹、反辐射导弹的威胁。这就要求激光测距仪提供比较高的数据率(高的激光脉冲速率)和相当高的距离精度，如最大测程为4~20km，测距精度为
2.5~5m，重复频率为6~20Hz，束散角为0.5~2.5mrad 等。然而，若其交战距离相当远(约达20km 以上)，这么远的距离实际对抗出现在不模糊的大气条件下，仅要求激光测距仪的灵敏度比坦克测距仪稍高一些；若在某些高湿度季节或某些高温度气象区域内，由于很强的H2O 分子吸收，限制了长波长(如10.6μm 的CO2)脉冲激光测距仪最大测距能力的发挥，此时，应采用1.06μm 的Nd∶YAG 脉冲激光测距仪，或者采用喇曼频移Nd∶YAG 及Er∶玻璃(1.54μm)的脉冲激光测距。
3.2.4 机载脉冲激光测距仪
机载脉冲激光测距仪可以用来装备武装直升机的导弹指令制导和装备固定翼飞机，用于封锁支援的光电飞行器等目标以及拦截飞机和导弹的攻击。这些典型应用一般采用1.06μm的Nd∶YAG 激光测距仪并具有激光测距和目标指示的能力，或者采用1.54μm 波长的人眼安全喇曼频移Nd∶YAG 脉冲激光测距仪_目标指示器等，以保护机载系统完成作战任务或主动攻击空中的光电目标。机载脉冲
激光测距仪的主要技术性能：测程远(用于武装直升机为4~10km，用于固定翼飞机为10~20kM)、测距精度高(用于武装直升机为±5~10m，用于固定翼飞机为±1~10m)、重复频率高(用于武装直升机为4Hz，用于固定翼飞机为5~20Hz)、束散角小(用于武装直升机为0.4~1mrad，用于固定翼飞机为0.1~0.5mrad)，同时机载设备应体积小、重量轻并要与航空指示器共用。因此，激光器必须使用高效循环液体作冷却器，以适应高的运转速率要求，否则要采用气体或混合气体升压冷却。
3.2.5 舰载脉冲激光测距仪
舰载脉冲激光测距仪的发展在轻型便携式、车载和对空防御激光测距仪之后，它包括水面舰载和潜艇潜望两大类。水面舰载脉冲激光测距仪在技术性能指标方面与车载火控和对空防御激光测距仪相同，在环境使用方面要适应舰载海[4] 空、海面以及海上盐雾的荷刻要求，而在体积、重量、电效率、维护保养能力和成本等方面的要求又不苛刻。因此，目前大量用来装备常规火控和对空防御的海军舰只，如掩护(无声雷达)舰载飞机回收和与红外热成像、电视等组成跟踪系统，全天候监视和跟踪空中目标等独特的舰上应用正在出现，其应用前景相当广泛 [5]。
四、结束语
激光武器不但反应速度快，而且杀伤命中率特别高，几乎是100%，因为激光 武器以光束攻击目标，可以不考虑射击提前量，而且目标的机动性也不会影响激光器的性能。所以，激光武器的杀伤率就非常高，一旦锁住目标，就能将其摧毁或破坏。另一个重要优点是单发成本相当低，每发仅1000 ~ 3000 美元。因此，用激光武器来对付在全世界扩散的“ 廉价低空飞行器“ 大有好处。使用战区高空防御武器或其它昂贵的反导系统来对付近程火箭，其代价也太高。所以，发展激光防空武器就成了必然趋势。[6] 参考文献
高精度的卫星激光测距 篇3
在阿根廷发行的纪念邮票上，怎么会出现我国研制的仪器呢？
原来，从1999年开始，阿根廷就开始与我国进行科技合作，国家天文台与阿根廷圣胡安大学筹备建立了一个新的卫星观测站，开展合作观测与研究。由于圣胡安气候干燥、晴天多，年均有多达约300个可观测日，非常适合进行包括卫星观测在内的天文观测。随后，中国测绘科学研究院与国家天文台联合研制了这台第三代高精度卫星激光测距仪（发射和接收口径分别为25厘米和60厘米），如图1所示。
仪器于2005年底安装在圣胡安大学的费利克斯•阿吉拉尔天文台，2006年初完成调试，并投入运行，测程和精度等主要指标立即达到了国际激光测距服务组织的规范，获得正式台站编号7406。该系统结果的总体指标在2006年位列全球第六名，这是我国卫星激光测距（SLR）观测历史上的最好成绩；2007年又进一步，位于第五名；2008年则跃居全球第三名（总观测量和对观测难度较大的高轨卫星的观测量居全球第二名）。
为了支持和纪念中阿科技合作，阿根廷于2009年度发行了这枚纪念邮票。
什么是卫星激光测距
卫星激光测距（satellite laser ranging，简称为SLR），是利用安置在地面上的卫星激光测距系统所发射的激光脉冲，跟踪观测装有激光反射棱镜的人造地球卫星，以测定测站与卫星之间的距离的技术和方法。
卫星激光测距是卫星单点定位中精度最高的一种，已经达到厘米级。它可以精确测定地面测站的地心坐标、长达几千千米的基线长度，卫星的精确轨道参数，地球自转参数、地心引力常数、地球重力场球谐系数、潮汐参数以及板块运动和地壳升降速率等。
卫星激光测距技术的出现，为空间大地测量学家族增加了新的成员。这个家族还包括卫星雷达测高、甚长基线干涉测量、月球激光测距、全球导航卫星系统、合成孔径雷达干涉测量、卫星多普勒定轨定位系统和精密测距测速系统等7种技术。卫星激光测距的观测距离，可以抵达距离地球约38万千米外的月球，精度为厘米级。
卫星激光测距的出现与科技的进步密不可分。1957年10月4日，第一颗人造地球卫星由前苏联发射成功。20世纪60年代初，梅曼的红宝石激光器研制成功。这两大技术，为卫星激光测距技术的诞生提供了物质基础。
卫星激光测距的原理，就是利用安置在地面卫星观测站的激光器发射的激光脉冲，测定从地面卫星观测站到配置了角反射器的卫星之间的距离。
激光脉冲从卫星观测站的激光器发射到卫星上，被在太空飞行的卫星上的角反射器反射，再回到卫星观测站。因此，激光的传播时间和光速的乘积，为卫星观测站到卫星之间距离的两倍。
卫星激光测距的系统构成
实现卫星激光测距，需要卫星激光测距系统的支持。该系统主要包括以下3部分：
一是空间部分的激光测距卫星。
这些卫星可以是专用的地球动力学卫星，也可以是遥感卫星和科学实验卫星，还可以是全球导航卫星，比如美国的全球定位卫星、俄罗斯的格洛纳斯卫星、欧盟的伽利略导航卫星、我国的北斗导航卫星中的中高轨道卫星等。它们的共同之处在于卫星上都配备了角反射器。角反射器的重要特性就是可以把从地面卫星观测站激光器发出的激光，与入射光平行地反射回去。
下图3为我国某高轨北斗导航卫星的角反射器阵列。
二是地面部分，包括激光器系统和天文望远镜系统。
激光器系统由激光发生系统、激光发射和激光接收系统几部分组成。望远镜系统和激光器系统紧密连接，激光发射和激光接收系统的镜头都安置在望远镜上。天文望远镜的作用主要是跟踪和捕捉在轨卫星，并搜集从卫星反射回来的激光脉冲信号。
三是电源、控制和标校等系统。它们包括：时间间隔计数器、时间系统，用来控制和记录激光脉冲的发射和回波时刻。标校系统，用来标定测距系统误差，特别是距离和时间偏差。电源和冷却系统。
此外，还有计算机系统，主要用来下载卫星星历，预报可以观测的卫星，生成观测卫星列表；控制激光器和望远镜系统；观测数据的处理和传输等。
以上几大系统，都需要观测人员的操作和控制。观测人员的操作水平和敬业与否决定了卫星激光测距的观测数量和精度水平。当然，科技的发展，也会极大提高观测的效率。第一代卫星激光测距仪器，需要一个小组进行操作，每个晴朗的夜晚，不过才观测到几颗激光测距卫星。第三代卫星激光测距仪器，可由一个人单独操作。一位优秀的观测员，在天气条件好、仪器性能良好的情况下，最多可以观测到40多次激光测距卫星。
配备了角反射器的卫星，都可以用来进行卫星激光测距。按用途区分，激光测距卫星可以区分为4类：专用地球动力学卫星、地球遥感卫星、全球导航卫星和科学试验卫星。按轨道高度区分，激光测距卫星可以分为3类：近地星、远地星、中间轨道卫星。其中的地球动力学卫星，也可以称其为激光卫星，其主要部件就是球形的卫星。卫星的表面是密集的角反射器。
各国的激光测距卫星
1964年10月9日，美国宇航局发射了第一颗携带了角反射器的卫星回声-2号，它顺利进入1000千米高、倾角80°的轨道。1965年，人们收到其反射的回波信号，测距精度为几米。1975年，法国宇航局发射了激光卫星斯塔尔勒特，卫星直径为18厘米，重48千克，轨道高度约为800千米；后来发射了其复制品、姐妹星斯黛拉，它们的重量、直径和轨道高度一样，只是轨道倾角不同。1976年5月4日，美国宇航局发射了拉吉奥斯-1卫星，1992年10月23日，美国宇航局与意大利航天局合作发射了拉吉奥斯-2卫星；它们的轨道高度约为5900千米，大小和重量也相同，轨道倾角分别为109°和52°。其球形表面镶嵌了422个由石英材料制作的角反射器，外型酷似高尔夫球。
日本于1986年8月12日发射了阿吉赛卫星。前苏联分别于1989年1月和当年5月发射了埃塔隆-1与埃塔隆-2卫星，它们的直径约为1.29米，轨道高度大约是19000千米。我国没有发射专用的激光卫星，但在“神舟四号”飞船轨道舱和北斗导航卫星中，各有一个中、高轨道卫星安置了角反射器，可以进行激光测距观测。
美国的全球定位卫星第35、36号和俄罗斯的格洛纳斯卫星，欧盟的两个伽利略导航试验卫星-A、B，日本的工程试验卫星-8等卫星，也安装了角反射器，可以进行卫星激光测距。这些卫星和我国的北斗导航卫星M1、G2一样，都属于中、高轨道卫星，进行卫星激光测距有一定的难度。
卫星激光测距的优势与缺陷
研究表明：测距精度为米级时，卫星激光测距观测数据可以用于地球重力场的研究；测距精度为分米级时，观测数据可以用于研究地球固体潮和极移；测距精度为厘米级时，观测数据可以用于研究地球板块构造和断层的活动；测距精度为亚厘米级时，观测数据可以用于研究地球板块间的形变。目前广泛采用的第三代卫星激光测距技术，测距精度已达厘米级，正向亚厘米或者毫米级的精度发展。
由于卫星激光测距观测得到的主要数据为测站到卫星的距离，测量精度非常高。无论是轨道高度在数百至上千千米的近地卫星，还是轨道高度为36000千米的卫星，测距精度都可以达到厘米级。在空间大地测量学中，卫星激光测距是距离测量精度最高的技术。不过，这些数据都需要经过一系列修正才可以应用于科研当中。
卫星激光测距也不是完美无缺的。它的最大缺陷是：受天气制约，阴天、雨、雪、雾、霾或者风力达到一定级别就无法观测。另外，白天比夜间更难观测。
我国的卫星激光测距台站
目前，全球大约有50个卫星激光测距台站坚持了长年观测，这些台站大多集中在北半球，主要分布于美国、欧洲和西太平洋地区。
1989年，我国成立了卫星激光测距网，牵头单位是上海天文台。5个固定的卫星激光测距台站位于北京、上海、昆明、武汉和长春。西安测绘研究所和位于武汉的地震研究所各拥有一台流动型卫星激光测距仪。
与此同时，我国的卫星激光测距网还加入了国际大地测量协会的分支机构——国际激光测距服务组织。
目前，我国在轨运行的北斗导航卫星采用了卫星激光测距技术，全球已经有25个激光测距卫星观测站提供了数据支撑。2002年至2003年在轨的“神舟四号”飞船上也采用了卫星激光测距技术。它们的后向反射器都是由上海天文台的科学家研制的。上海天文台和长春卫星观测站已经实现了千赫兹和白天激光测距，云南天文台和北京房山卫星观测站也有望在年内实现这个目标。
提高激光测距精度方法的研究 篇4
激光测距在现代科技领域应用得越来越广泛, 并且要求其测量范围更加远和测量精度更加准确。激光测距技术和其他的测距技术相比有很多的优点, 它操作方便、系统简单, 使用时不会局限于白天和夜晚;而且更主要的是在测距过程中抗干扰的能力强、测距的精度高, 在测量长距离时会显得尤其明显;激光测距利用光速测量距离时, 要求测量范围大、测距精度高, 由于光速传播的极快, 想要提高测量的精度, 就必须提高测量极短时间间隔的精度, 而我们通常采用脉冲测距法和相位测距法来实现极短时间间隔的测量。在距离的测量中, 激光技术的应用使得测量由距离转成了时间, 由有形变成了无形, 因而提高了测量的便捷性。
2 原理
本文只讨论两种方式:脉冲法和相位法
2.1 脉冲法
脉冲法测距就是激光器发出激光脉冲, 打到被测物体上, 反射回来, 被接收端接收, 计算时间t。根据公式, c为光速3×108m/s, t为测得的时间。
2.2 相位法
3 对测距精度的理论研究
3.1 功率的估算[10]
我们可以这样估算仪器的功率, 如图所示, 当目标是一个全反射的镜子, 这样接收器到光源的距离是2L, 也就是光源到镜像的距离, 而光源所有的能量相当于都照射到镜像上, 所以接收器探测到的功率与发射功率的比是接收透镜的面积与2L处镜像的面积的比值:
现在分析系统的噪声, 我们假设接收电路的噪声为Pn, 接收功率和接收电路的噪声的比为S/N可得:
由2.2和2.3公式可得:
经分析有3种原因可以增加接收器的噪声:
——信号Ps的接受噪声;
——探测器接收到的背景光Pbg的噪声;
——探测器和前置放大器的噪声。
将2.5公式除以σ2 (光谱灵敏度是一致的) 可得输入噪声总的方差为:
3.2 脉冲测距精度的研究
通过上述的分析可以进一步的推到出脉冲测距精度σt的影响因子[10]:
3.3 相位测距的研究
同理根据上述的功率分析可以进一步的推导出相位式测距仪的精度σt的影响因子:
所以, 由公式可以看出调制频率fm和收集到的光子数主要影响了相位激光测距仪的精度。
4 提高测距精度的方法研究
4.1 脉冲法
根据公式2.7我们可以知道, 脉冲法测距的精度和脉冲的宽度成正比脉冲宽度越小其精度也高。在测量的过程中, 通常单一的阀域值来进行测量, 但是当脉冲的幅度发生变化时, 就会产生误差, 如下图所示:
(1) 高通容阻鉴别法
激光脉冲经远距离传输后, 由于能量的衰减而产生了幅值减小, 在单一阀域值进行测量时, 时间就会如图3所示产生时间的漂移, 引起测距误差, 但脉冲峰值点时刻不变, 这样我们可以采用检测峰值的方法, 如图4所示, 接受的信号通过高通的容阻的滤波电路, 接收信号变成了类似正弦波, 最大值变为零点, 以此时刻进行测量点, 将不受脉冲幅值衰减的影响。
(2) 恒定比值法
运用固定形状的脉冲波形, 在其上升沿等幅度比例点处, 相对应的时间相同的原理, 来得到脉冲的固定比值点进行定时, 继而提升测距精度。
4.2 相位法
(1) 由公式2.8可以知道调制频率越高其精度也是越高, 于是可以采用较高调制频率, 但是这样做之后, 接受和发射波进行相位比较时, 因为频率比较高电路中的寄生参量的影响将产生显著地附加相移, 影响了测量相位的精度。为减小高调制频率的影响, 我们采用差频测相的方法, 将较高的调制频率和一个较低的频率混合, 产生一个频率较低的信号, 而且此信号还保持仍保持原高频信号的相位关系, 其信号中的相位就是主振信号经2D距离后的相位延迟。
(2) 采用数字测相法[2]
数字化测量抗干扰的能力强, 且可以通过各种数据处理的方法来消除和减少多种误差, 因而数字化测量可以获得较高的测量分辨率与精度。
结合图6和图7可知, e1为参考正弦信号, e2为测距所需要的正弦信号, 为了提高测量精度我们首先对两个信号进行整形, 把e1和e2分别整形成为方波分别为e3和e4, 再将e3和e4分别接入R-S触发器, 当e3为下降沿时, 触发器Q端输出的是高电平, 直到e4为下降沿时, 触发器发生反转, 输出为低电平, 所以e5的脉冲宽度为e1和e2的相位差。经过e6与e5相与便得到一簇一簇的脉冲簇, 如果知道相邻脉冲的时间间隔就会知道每个脉冲簇的时间;为了提高测量精度提供一个T的阀门, 在这个阀门中测量脉冲簇的个数, 图5只是示意图, 一般在这个阀门中一般有上千个脉冲簇, 然后在进行平均测每个脉冲簇的时间。
4.3 其他提高测距精度的方法
多附频相位分析方法[8]:
根据 (1) 和 (2) 式又可写成:
(3) - (4) 并带入L1=k L2可得:
由 (5) 可得:
5 结论
上面讲述了基于延迟线原理方式脉冲测量精度的芯片、差频检相、数字测相、粗频加精频、多附频分析方式。这些方式都有自己的优缺点, 采用高精度时间芯片进行脉冲测量, 电路简单, 但是由于芯片有最小识别脉冲, 而使它在短距离上有一段的盲区无法测量;对于差频检相, 虽然能够减小电路中的寄生参量的影响将产生显著地附加相移, 但是相应的电路复杂程度也相应的提高了;而数字测相电路抗干扰的能力强, 电路实现简单;对于多附频的方式, 需要两个高精度的可启动的振荡器, 虽然可以大幅提高精度但是电路实现难度比较大。通过对这些方法和理论的研究, 对实现进一步提高激光测距精度, 可以按照实际的具体要求, 把不同的方法相结合, 设计出比较好测距仪。
摘要：为了提高激光测距精度, 采用理论分析的方法, 提出了影响激光测距精度的主要因子, 对现有的主要的测距方式脉冲和相位测距方式进行研究, 并分析现有已经提出的测量精度方案, 总结这些方案优缺点, 这样有助于进一步提高激光测距的精度。
关键词：激光技术,激光测距,精度,脉冲,相位
参考文献
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并行计数法脉冲激光测距的研究 篇5
并行计数法脉冲激光测距的研究
提出脉冲激光测距中利用并行计数法测量时间间隔.传统数字法测时误差主要是开始和结束两个脉冲周期的计数误差.为此利用CPLD高速缓冲的延迟特性产生多路同频且相位均匀分布的时钟脉冲,用多个计数器在这两个周期并行计数,用计数结果均值作为最终结果.相当于将脉冲周期T细分为多份,每份相当于1个脉冲.实现了在不增加测量时间和盲区的.前提下,提高测量精度;解决了传统脉冲激光测距系统中提高精度与缩短测量时间和盲区的矛盾.
作 者：黄震 刘彬 HUANG Zhen LIU Bin 作者单位：燕山大学,河北,秦皇岛,066004 刊 名：激光与红外 ISTIC PKU英文刊名：LASER & INFRARED 年，卷(期)： 36(6) 分类号：P225.2 关键词：激光测距 并行计数法 时间间隔 时间数字转换器“室内激光测距测高仪”的设计 篇6
创新点
相比传统的激光测距仪, 激光测距测高仪还是有着比较明显的优势与创新之处的:1设计简单、配件少、简单易做、成本低廉, 每件约为200元;2该装置内设三个激光灯, 同时发射, 一次操作即可得到多个结果;4该装置的设计特点使其容易避开水、玻璃等影响激光传播的介质, 以减少误差;4测量的是两点之间的夹角, 只要能看到被测量物的首尾两个端点即可操作, 不受测量物表面状况的影响。
方案设计与实施
1.设计思想
激光测距测高仪并没有利用激光往返的时间来测量长度, 而是测量激光束形成的角度, 利用激光灯所旋转过的角度计算高度和水平距离, 适用于大型建筑物的室内空间测量。
2.测量原理
如图1所示, 仪器上定点安装一个Arduino单片机和三个激光投射灯 (分别置于激光点一、激光点二和激光点三) 。工作时, 激光点一和激光点二的激光同时射向被测物体的一端, 激光点三的激光则射向被测物体的另一端。三个激光灯之间的距离为已知, 分别为a、b, 激光灯所转过的角度值可由角度传感器直接得出, 分别为abh ++=- 3212tantan) tan (tanθθθθ1、abh ++=- 3212tantan) tan (tanθθθθ2、abh ++=- 3212tantan) tan (tanθθθ3。然后运用数学原理即可得出h (被测物体的高度) 与x (测距仪与被测物体的水平距离) 的数值。用到计算公式如下:
3.具体实施
激光测距测高仪主要由Arduino单片机、角度传感器、液晶显示器、气泡水平仪、激光灯等几部分组成, 将这些部分按照图1的结构封装在一个盒子中即可, 其模型如图2所示。在测量时, 使用者只需将三个激光投射灯分别对准被测物体的两端, 然后按下测量按钮, 便可从液晶显示器中直接读出被测物体的高度以及仪器到被测物体的距离。激光测距测高仪的程序则是使用类似于Java、C语言的Arduino IDE环境进行编写的。
发展前景
该激光测距测高仪费用低、精度高, 适用于家庭装修、建筑施工、房产测绘等各行各业, 其数学原理还可用于中小学的数学课堂教学。
激光测距在云高仪中的应用 篇7
激光测距技术诞生于20世纪60年代初, 是激光应用领域里最早最成熟的技术之一, 它具有测量精确度准、分辨率高、抗干扰能力强等优点。在有测距需求的航空航天、气象、军事、交通管制等各行业中, 各类激光测距仪的研制得到了很大的发展, 测距性能日趋提高, 测距技术日益成熟与完善。
1 激光测距原理
激光测距方法[3,4]根据测距系统是否需要加载光源可分为被动测距方法和主动测距方法。被动测距系统不需要加载光源, 它是靠目标物的环境光束来确定距离信息, 现主要应用在军事探测领域。主动测距系统必须要有一个光源来照亮目标物, 这种测距方法是当今主要应用的测距方法, 它包括TOF (Time-of-Flight) 法、三角法、干涉法等。TOF测距法根据所发的激光状态不同, 又可分为连续波激光测距 (包括相位和调频两种方式) 与脉冲激光测距。目前, 市场上应用的激光测距设备大都采用相位测距和脉冲激光测距。
1.1 相位激光测距技术
相位激光测距技术, 是将发射激光进行幅度调制, 然后根据测定这个已调激光信号往返测距仪与被测目标物之间所产生的相位差, 间接计算出待测距离。相位激光测距是一种有合作目标要求的测距方式, 它一般要求在仪器的测距量程内安装反射镜, 用以原路反射回激光光束, 并由接收模块进行接收处理。相位激光测距仪的原理图如图1所示。
由图1可知, 若调制信号的角频率为ω, 待测距离为D, 在D内往返一次的时间为t、相位移为φ, 则有如下关系公式。
式 (2) 中,
N为待测距离D中半波长的个数;
∆ϕ为激光信号往返一次产生相位延迟中不足半波长的部分;
c为光速;
f为调制信号的频率。
由于在此种测距方法中, N的值在激光信号发出并接收后不能确定, 所以这种测距方式的最大缺陷是所测最长距离受限, 由调制波的波长决定。然而, 相位激光测距能准确测出半个波长内的相位差, 这也成就了这种测距仪器的最大的优点:测量精度高, 常用于精密测量。
1.2 脉冲激光测距技术
脉冲激光测距的技术, 是利用激光发射器向被测目标发射窄带激光脉冲, 同时触发计时模块, 当激光脉冲到达目标并经其表面反射被接收探测器接收后, 停止计时, 通过测量从发射到接收激光脉冲的时间间隔, 来计算出目标物的距离。
脉冲激光测距公式表达为,
式 (3) 中,
D为探测距离;
c为光速;
t为激光脉冲飞行的时间。
由此可知, 在脉冲法激光测距中, 在光速既定的情况下, 脉冲激光测距将转化为对激光脉冲飞行时间的测量。
1.3 脉冲激光测距系统构成
脉冲激光测距系统主要包括激光发射模块、激光接收模块、数字控制处理部分和光学系统。
激光发射系统主要是发射峰值功率高、发散角小的窄带激光脉冲, 在经过光系统进一步优化后射向探测目标。现在常用的激光测距仪的发射部分主要由激光发生器、激光电源和光学系统组成, 这里的核心部分是激光发生器。
激光接收系统是接收被测目标物后向散射回来的微弱脉冲信号, 经过光学系统处理后, 被光敏器件接收转换成电信号, 并经放大处理, 送到时间测量单元。一般的接收装置主要由光学处理单元、光电二极管和低噪放大器组成。
数字处理控制部分主要包括时间测量单元和信息处理单元。时间测量单元, 其主要作用是测量激光脉冲从测距机到被测目标往返一次的时间, 并计算出的距离, 这里得到精确的时间间隔至关重要, 可通过多种方法进行测量精度的提高。信息处理单元的任务是把具有一定时间间隔的主回波信号经过搜索、跟踪, 形成主回波延时信号, 并对其进行测量、计算转化为距离信息。
2 激光测距在云高仪中的实现
2.1 测云原理
在现代气象测距仪器中主要使用脉冲激光测距技术, 当激光在低空大气中传播时, 与大气气溶胶粒子相比较, 大气分子对激光束的散射是相当弱的, 因此, 应主要考虑气溶胶粒子对激光光速的散射作用。云是由小水滴或冰晶凝结而成的粒子, 它是一种特殊的气溶胶粒子, 对激光光束的散射更加强烈, 激光云高仪就是利用云的这种散射特性来测量云高的。
当激光从大气进入云层时, 在云的边界处发生强烈的散射作用, 一些后向散射信号将被测云仪器的接收系统所探测到, 并转化为电信号, 经过信息处理系统计算, 即可得出包括云底高度在内的各种云层的特性信息。后向散射信号的强弱与发射激光的功率、云底高、云状和接收系统的性能相关。通常情况下, 探测较高的云层, 激光飞行的距离就远, 接收机收到的后向散射信号就越弱, 这样, 通过计算得出的云底高度就越大。反之亦然。
后向散射信号的强度可从下面方程得出 (激光雷达方程) 。
式 (4) 中,
Pr (z) 为从距离z处接收到的瞬时信号强度;
Eo为有效的激光能量 (考虑所有的光学衰减后) ;
c为光的速度;
A为接收机孔径;
z为所探测的距离;
β (z) 为在距离z处被测气溶胶粒子的体积后向散射系数;
为激光传输途中大气分子和气溶胶粒子的衰减率, 在透明的大气中, 该表达式等于1 (也就是没有衰减) 。
2.2 半导体激光云高仪
半导体激光云高仪是近年发展起来的, 它的发射单元采用固态的近红外激光二极管, 接收单元一般采用量子效率很高的雪崩二极管, 信息处理模块采用数字信号处理技术, 光学单元设计独特, 因而成为当前研究的一个热点领域。芬兰Vaisala公司生产的云高仪CL31就是典型的半导体激光云高仪, 它采用In-GaAs半导体脉冲激光二极管作为激光光源, 激光波长为905nm, 接收探测器采用雪崩光电二极管 (APD) , 先进的增强型单镜头设计, 确保了从地面零米起的极佳测量性能。
3 结论
激光测距技术的应用领域日益广泛, 技术不断成熟与完善, 新的应用产品层出不穷, 这在气象测距仪器中也越来越能体现出来, 包括航空、航海等常用的各种测能见度仪、云高仪等。采用固态的近红外激光二极管和DSP技术结合, 再加上独特的光学镜头设计, 促使激光云高仪朝着小型化、分辨率高、监测连续性好的方向发展, 可以相信激光测距技术在气象探测仪器中应用会越来越广泛。
参考文献
[1]岱饮, 宋文武, 王希军.高频半导体激光器的驱动设计及稳定性分析[J].光学精密工程, 2006, 14 (5) :745-748.
利用地面靶测定卫星激光测距加常数 篇8
卫星激光测距SLR(satellite laser ranging)是利用地面上的卫星激光测距系统所发射的激光脉冲,跟踪观测装有激光反射棱镜的人造地球卫星,以测定测站到卫星之间的距离的技术和方法,是卫星定位中精度最高的一种,测距精度可达到厘米级。利用SLR可精确测定地面测站的地心坐标、卫星的精确轨道参数,用于地球自转参数、地心引力常数、地球重力场球谐系数、潮汐参数以及板块运动和地壳升降速率等研究。
其测距原理如图1所示,与电磁波测距仪类似,都是通过测定仪器发射信号至接收到反射信号的时间延迟,来测定仪器与反射目标之间的距离,可用式(1)表示如下:
式(1)中,S表示激光测距仪至卫星的距离,Δt为时间延迟,ΔS为测距改正数,包括SLR仪器常数改正,大气影响,反射目标的偏心改正等。仪器加常数K,是由于SLR的旋转中心与其机械中心并不完全重合导致测距产生的偏差,是测距改正数ΔS的重要组成部分,当确认仪器存在明显的加常数时,可通过一定的检测方法求得,从而对测距结果进行改正。
本文主要讨论采用地面靶测定SLR加常数K的具体方法。
2 SLR加常数K的确定
2.1 SLR旋转中心的拟合
SLR加常数测定原理如图2所示,先拟合SLR的旋转中心,然后选定合适的测站位置,利用全站仪距离交会确定测站坐标,再用极坐标法求得地面靶坐标,由SLR旋转中心坐标与地面靶坐标求得两点之间的距离,与SLR直接测得的地面靶距离做比较,即可得到加常数K。
首先拟合SLR旋转中心,如图2所示,在GPS1点安置全站仪测站,GPS2点为后视,此两点已采用GPS精确测得平面坐标和大地高。在SLR设备上安置棱镜,SLR绕垂直轴顺时针旋转,每转15°,测定一次棱镜坐标,旋转一周得到24个坐标,其圆心即为SLR垂直旋转中心,再将SLR逆时针旋转,又可测得24个坐标,拟合得到的圆心作为检核。测定SLR水平旋转中心与此类似,为确定旋转中心的高程,将SLR绕水平轴旋转180°,每转15°,测定一次棱镜坐标,可得到以水平轴为中心的圆上的12个坐标,其圆心即为SLR水平旋转中心,再反转仪器作为检核。由垂直旋转轴的平面坐标和水平旋转轴的高程,即可得到SLR旋转中心的三维坐标[1]。
下面讲述拟合圆心的方法。由于测量存在误差,先用旋转一圈测得的点拟合平面,具体方法参考文献[1],平面方程为:
式(2)中,(a b c)T为平面法线方向的单位矢量,求得平面方程后,将所有点投影至该平面,在平面内建立平面坐标系,具体方法参考文献[2],以(xiyi)T(i=1,2,…,n)表示测定点在x-y平面坐标系中的坐标。
然后在平面坐标系中拟合[3],根据圆的方程:
式(3)中(x0y0)T为圆心坐标,R为圆的半径。
对于投影平面内各点的平面坐标(xiyi)T,其误差方程为:
式(4)中vi相当于i点与圆周的距离,即点圆距。
将误差方程线性化可得式(5):
圆心坐标的迭代初值可取所有测定点坐标的平均值,半径初值可取任意正数。在平面坐标系内拟合得到圆心坐标后,再将其转换至测量坐标系。
2.2 地面靶坐标的确定
如图2所示,为确定地面靶坐标,以水平角α,边长S1、S2和S,地面靶的垂直角V和GPS1的垂直角V1为观测量,设GPS1、GPS2的坐标为(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2),推算地面靶坐标(X,Y,Z)如下:
由正弦定理可知:
以S12和α12分别表示GPS1至GPS2的距离和方位角。
GPS1与测站间的方位角A为:
可求得测站坐标(x,y,z):
进而可求得地面靶的坐标(X,Y,Z):
2.3 计算SLR加常数K
由地面靶坐标和拟合得到的SLR旋转中心坐标,即可得到两点之间的距离,将其与SLR测得的两点间距离作比较,两个结果的差值即为SLR加常数K。
2.4 算例
设GPS1测站坐标为(0,0,0),GPS2(56.9916,0,0),以GPS2为后视的方向角为0°0'0″,测得水平旋转的坐标列于表1中,按上述原理可求得拟合平面方程:
水平旋转拟合得到的圆心坐标为(-16.7691,25.5568,7.8012),点面距、点圆距如表1所示。
同理垂直旋转拟合得到的圆心坐标为(-16.4211,25.0589,6.5782),取水平旋转拟合得到旋转中心的平面坐标(-16.7691,25.5568),垂直旋转拟合得到旋转中心的高程6.5782,即为SLR旋转中心的坐标,见表2。
测得α=83°45'11.7″,γ=176°13'13.5″,GPS1的垂直角V1=-17°48'20.4″,地面靶的垂直角V=1°07'28.9″,边S1=17.33683,S2=56.20981,S=156.90092,求得测站坐标及地面靶坐标列于表2。
最后由SLR旋转中心坐标和地面靶坐标求得两点间距离,与SLR直接测得的距离做差,即得到加常数K。
3 结束语
本文给出了关于SLR加常数确定的具体方法和步骤。首先测量水平和垂直旋转时SLR上反射棱镜的坐标,再利用最小二乘曲线拟合SLR旋转中心坐标,然后根据距离交会设站,进而由极坐标法得到地面靶坐标,从而求得SLR旋转中心至地面靶之间的距离,将这个值与SLR观测的地面靶距离做比较,即求得SLR加常数K。
参考文献
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基于二分束的三角法激光测距研究 篇9
激光具有方向性好、单色性好、亮度高等特点,因此利用它作为测距的发射源有很多优势,比如测量速度快、精度高、测程远等。随着半导体激光器的出现,激光测距正向小型、快速、低功耗、低成本和人眼安全方向发展。目前激光测距技术主要有脉冲测距、相位测距、激光干涉法测距、激光三角法测距等[1,2,3,4,5]。
脉冲激光测距的主要特点是单次测量时间短、测程远、无需合作目标、隐蔽和安全性能好。但测量精度相对较低,一般为米级精度[6,7]。相位激光测距,其特点是测量精度高,能够达到毫米级别,但要求使用连续激光器,单次测量时间较长,测量较远距离时,需要在目标处放置合作目标。对于小型或便携式激光测距设备而言,由于受到激光器功率的限制,相位激光测距的测程一般不大,通常为百米以内[8]。干涉法激光测距,其特点是测量精度较高(达到微米级)。但其测量精度容易受大气起伏的影响,而且要求基座采用笨重的仪器设备。激光三角法测距,其特点是简便、精度高,适合测量微小位移。但其测量精度受光学系统和CCD成像系统分辨率的限制,系统对接收器件的要求也比较高,同时不能使用非匹配表面物体和透明物体作为被测目标[9]。
本研究提出一种新型的基于二分束的三角法激光测距技术,与传统三角法激光测距成像系统中采用CCD或PSD作为光电检测单元所不同。本研究课题组创新地采用双PIN管探测器来替代CCD或PSD,实现光束的二分束,通过检测两PIN管所接收的光功率比计算出目标距离。与传统三角法相比,本方法在光路结构和驱动电路设计上都大为简化,更容易实现小型化甚至微型化封装,也降低了激光测距仪的制作成本,同时还保持了厘米甚至毫米级的测量精度。
1 二分束三角法激光测距原理
二分束三角法激光测距的原理如图1所示,LD为半导体激光器,发射准直激光束。本研究采用A和B两PIN管作为探测器,当物体在不同的位置(即物距不同时),探测器A和B接收到的光功率PA和PB不一样,它们的比值η也在变化,通过推导光功率比η与物距U和发射角α的关系,并进行数值计算,可求得待测距离值。在测量过程中经过二分束后求光功率比,可以巧妙地避开激光行程中的各种衰减,比如空气微粒的散射损失和被测物的吸收等等,从而可以在恶劣的环境中有稳定的测量精度。
2 背景噪声
在实际的测距过程中,不可避免地存在着环境自然光的干扰,使得测距精度受到影响。因此必须考虑背景光功率,即背景噪声的影响,并对其进行计算,评估其对测距的影响,同时也为LD发射光源的设计提供相应的参考。
自然光情况下,在探测器上的背景光通量可以表示为[11]:
Pb=LλAScos θSΩDΔλTRe-σR (1)
式中 Pb—背景功率(阳光辐射强度);Lλ—阳光辐射强度;AS—探测器接收的背景噪声面积;θS—目标法线和光学系统轴线夹角;ΩD—探测器接收立体角;Δλ—光学滤波片带宽;σ—大气衰减系数;TR—接受光学系统透射率;R—目标距离。
其中探测器接收的背景噪声面积:
式中 βR—接受视场角。
接收立体角为:
式中 D—接收光学系统口径。
反射的阳光辐射强度为:
式中 Eλ—阳光辐射照度;ρb—背景反射系数。
由以上4式可得(忽略衰减因子TR和e-σR):
由于接收系统有窄带滤波片,因而阳光辐射照度取常数是合理的。
本例计算考虑到正午太阳直射条件,选取的激光波长为905 nm,Eλ≈700 W·m-2μm-1,D=10 mm,Δλ=10 nm,βR=2 arctan(5/30),ρb=0.8 Sr-1,代入式(1)可得:Pb≈1.5×10-6 W=1.5 μW,此结果为本研究选择合适的LD光源提供了实际参考。
3 光功率和光功率比
接收部分采用分隔开的双PIN管探测器A和B(如图2所示)。若目标物体上的单位点光源在光轴上,则探测器A、B所检测的光功率比为1,可以根据几何关系直接求出距离。若单位点光源不在光轴,则在靠近探测器方向上,探测器A,B的光功率比小于1,反之则大于1。通过对光功率比的计算,可以确定目标物体的距离。
光路如图3所示,设S(r,θ)为光斑上任意点光源,它在垂直方向的投影到透镜光轴的距离为P0,于是有下列关系:
式中 m—光斑中心到透镜法线的距离;d—激光发射点与透镜光轴的距离;α—高斯光束与透镜法线的夹角;(r,θ)—S点的极坐标。
如图4所示,经目标物体反射后光束的截面光强为高斯分布,则S(r,θ)点的光强可表示为:
I=I0e-r2/a2 (7)
式中 I0—单位光强;a—光斑直径。
S′为S的像点,它与探测器分隔线构成一平面,此平面与透镜面相交,设交线为OO′(如图5所示)。点光源S在接收透镜面的光通量,交线OO′以上部分,都被探测器A接收,交线OO′以下部分,都被探测器B接收。P1为交线OO′在纸面内的投影到透镜中心的距离。则由成像公式和三角形相似性可得:
式中 U—待测距离;f—透镜焦距;L—探测器到透镜的距离。
透镜面上,交线OO′以上部分的面积记为S1,交线OO′以下部分的面积记为S2。根据几何关系和三角形面积公式,可得透镜上半部分面积S1为:
式中 D—透镜直径。
透镜下半部分面积S2为:
探测器A接收的光功率为:
式中 Ω1—点S和面S1组成的立体角。
探测器B接收的光功率为:
式中 Ω2—点S和面S2组成的立体角。
在实际测距中采用的半导体激光器功率往往是几十毫瓦,经物体反射回来的光功率在几十微瓦左右。考虑滤波片和大气衰减等因素,背景光功率一般在10～100 nW左右,可见光功率远大于背景光功率,因此信噪比很高[12,13]。这样在计算光功率比时,可以忽略背景光功率对测量的影响。同时测量的物距U≫D(D为透镜直径),因此两探测器的光功率比可作如下近似:
将式(6)～式(12)代入式(13)得:
其中:
PBS=e-r2/a2
4 数值模拟
本研究采用的系统参数为:a=3 mm,d=20 mm,D=10 mm,f=5 mm,L=3 mm。利用蒙特卡罗方法对式(14)进行数值积分计算,r的取值范围为[0,3],θ的取值范围为[0,π]。利用Matlab编程进行计算,可以得到光功率比η与物距U和发射角α的关系图。
在发射角α固定下,计算得到的光功率η比与物距U的关系如图6所示。
由图6可知,在发射角一定的情况下,随着测量距离增加,光功率比η也增大。当距离增加到一定值时,η接近一个常数,这是由于距离越大,通过透镜的光能量很小,对两个探测器来说,检测到的光强基本都保持不变,因此光功率比就不变。此时要测到较远的距离,可以通过调整发射角α,使其比值接近于1,从而测得准确的距离。
在物距U固定下,计算得到的光功率比η与发射角α的关系图如图7所示。
由图7可知,在测量物距U一定的情况下,发射角越大,光功率比也越大。但是当角度接近一定的角度时,其比值无穷大,这是由于当发射角α变大时,只有探测器A能够探测到光,探测器B探测不到。
计算得到的光功率比η与发射角α和物距U关系图如图8所示。
由图8可以看出:光功率比η与待测距离U、发射角α存在非线性关系。因而可以将理论计算的结果进行严格修正,制成二维数据表,供查表时用。在实际应用中通过查表方式,可以加快硬件处理速度和提高测量精度。
5 结束语
本研究从光度学理论出发,讨论了二分束三角法激光测距的基本原理,并推导出两分束的光功率比与待测距离及发射角的关系,通过数值积分计算获得其关系图,进而通过测量分束比得出目标距离。本方法具有与目标物颜色深浅不相关、体积小、成本低、精度高等优越特性,具有良好的应用前景,在中、近程测距方面有明显优势。但是由于半导体输出能量低而使得测程偏低,目前实际制作的小型测距仪测程范围为100 m,测量精度为±10 mm,可以应用在近程非接触物体的测量、定距系统以及短距离传感器等方面[14]。
(1) 本研究提出的三角法测距方法采用双PIN管代替传统的CCD和PSD探测器,可实现小型化封装,从而大大降低制作成本。
(2) 测距系统的接收光来自被测物表面对发射光的漫反射,探测器接收光功率比可以根据式(14)求出,通过查表方式,得到待测距离。
(3) 提高发射的激光功率,或者减少探测器接收视场角,可以减少背景噪声对探测器带来的影响。
摘要：为了实现激光测距仪小型化和低成本制作,提出了一种新型的基于高斯光束二分束的三角法激光测距方法,采用双PIN管探测器来替代传统三角法激光测距系统中的CCD或PSD光电检测单元,实现光束的二分束;利用光度学和高斯光束理论,推导出两分束的光功率比与待测距离及发射角的关系,并通过数值计算获得其关系图,进而通过测量分束比计算出目标距离。试验结果表明,本方法具有结构简单、精度高、对目标物颜色深浅不敏感等优越特性,并具有良好的应用前景。
基于激光测距仪测量坡度方法的改进 篇10
在地面工程坡度测量中, 如果能查阅到相关地形地图, 可以采用地图上的坡度尺, 它是根据地形图上等高线的平距, 确定相应的地面坡度或其逆过程的一种图解曲线尺[1,2]。如果没有相关地形地图可供查询, 目前一种较快捷的测量方式是利用激光测距仪进行测量[3,4,5], 通过视频观测, 利用测距瞄准被测量坡面的上沿和下沿进行测距 (上下沿连接线与坡面斜度一致) , 读取所获取的两次测距信息以及相应云台倾角数值, 利用坡度测量软件计算得到坡度值[6,7]。但在实际测量中, 找准与坡面斜度相同的倾斜线难度较大, 从而导致测量误差较大, 不能满足地面工程坡度测量误差≤1°的要求[8,9,10]。基于此, 本文分析了激光测距仪测量坡度时存在的问题, 阐释了其测量坡度的原理, 并结合在标准坡面上多次实测的结果, 提出了改进的方法。
1 激光测距仪测量坡度时的问题
为了叙述简单, 本文基于测量标准坡展开描述。如图1所示, 激光测量仪位于O点, 对标准坡面KLMN进行测量 ( 线AB与水平面的夹角值) , 分别在O点测量距离坡面上点A和点B的距离OA和OB, 并读取∠AOB的值, 通过软件计算出∠ABP, 即标准坡面KLMN的坡度值。但在测量时, 由于人为操作时的偏差, 在读取A点后, 选取下坡面上的点时可能会选成点C、点D或者点E, 从而导致算取的坡度值不准确。经在标准坡面上进行多次实测得知:只有当按照与坡面斜度相同的倾斜线进行测量时, 角度值才是最小的, 也是最接近坡度值的, 相反, 测得的角度值都比实际的坡度值要大[11,12]。
2 激光测距仪测量坡度的原理
激光测距仪进行坡度测量的原理如图2所示, 其为图1的部分截图, 激光测距仪位于O点, 分别测量出OA和OB的距离为a和b, ∠AOB的值为α, 坡度值为β , 则由正余弦定理可得[13]:
将式 (1) 和式 (2) 迭代, 得到式 (3) :
通过激光测距仪测得a、b和夹角α , 则在式 (3) 中, 只有斜面坡度β一个未知参数, 通过软件编程即可求得坡度β的值。
3 基于最小值平均的改进方法
针对激光测距仪测量坡度的原理, 结合在标准坡面上多次实测的结果:只有当按照与坡面斜度相同的倾斜线进行测量时, 测得角度值才是最小的, 也是最接近坡度值的, 相反, 测得的角度值都比实际的坡度值要大;同时考虑在实际测量中, 找准与坡面斜度相同的倾斜线难度较大等因素, 本文提出了基于最小值平均的测量改进方法。
在进行坡度测量时, 应按照以下步骤进行:
1使激光测距仪正对着要测量的坡面;
2在坡面上部选取一个点作为基准点A, 在坡面下部、点A在坡面上的投影线附近选取3 ~5个点进行测量;
3利用坡度测量软件依次计算出对应的角度值, 选择角度最小值min (βi) 对应的点, 记为点B;
4再在点B附近选取3 ~ 5个点, 仍以点A作为基准点, 重复步骤3, 得到第一次测量的坡度值;
5移动激光测距仪的位置, 重复步骤1 ~ 步骤4;进行多次测量后取均值E (β) 即为坡度值。
其中, 步骤1 ~ 步骤4是在测量位置点逐步修正寻找与坡面斜度相同倾斜线的过程, 步骤5是考虑不同测量位置因素进行进一步修正的过程。
4 测量结果分析
将软件按照基于最小值平均的测量方法改进后, 利用激光测距仪, 分别针对坡度为20°、25°和30°标准坡, 在距离斜坡100 m的位置进行测量, 记录坡度测量值, 计算测量误差。
测量结果分别如图3、图4和图5所示。其中, 对每个标准坡在4个不同位置进行测量, 在每个位置点测量时采用改进方法中的步骤1 ~ 步骤4, 得到各次测量结果, 再将4次测量结果取平均作为最终测量结果, 对应改进方法步骤5。由图可以看出, 在各个位置点测量时由于采取了多点逐步修正的方法, 测量误差已经较小, 再将不同测量位置因素考虑在内进行平均后, 得到的最终测量结果与实际坡度值就很接近了, 测量坡度误差≤1°。
图中的单次测量结果都是在同一位置多次测量并逐步修正寻找与坡面斜度相同倾斜线得到的, 这和同一位置单次测量、同一位置多次无规律测量相比, 是有明显优势的。
5 结束语
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