激光测距论文讲解

激光测距论文讲解（精选8篇）

篇1：激光测距论文讲解

激光测距及在军事上的应用 摘 要

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

［1］ 李适民.激光器件原理与设计［M］ 国防工业出版社 1998 ［2］ 陈家璧，彭润玲.激光原理及应用[M] 电子工业出版社 2008 ［3］ 梅遂生，王戎瑞.光电子技术[M] 国防工业出版社 2008 ［4］ 陈娅冰等.激光武器新技术及应用［ J］.激光与光电子学进展，2003：12－16 ［5］ 王乐．激光在现代军事中的应用[J]．光机电信息.2002，(6)：23—24 ［6］ 赵江，徐世录.激光武器的现状与发展趋势[J] 2005:67-70

篇2：激光测距论文讲解

nikon 作为全球四大长距离激光测距仪之一, 在全球激光测距仪领域具有比较重要的位置。nikon 的光 学相机,虽然近几年被佳能所压制,但是依然具有非常高的知名度。激光测距仪虽然只是作为 nikon 的附 属产品, 但是根据 2012年美国光学仪器杂志的统计,依然在全球激光测距仪市场保持做第四的位置。位居 图雅得,博士能,奥尔法之后。是全球四大测距仪一线品牌之一。

nikon 激光测距仪的产品线并不长,但是在选择的时候,你也需要根据自己的需求,再参考另外的 竞争品牌,进行合理的选择,下文将详细进行介绍: 一.nikon 激光测距仪的产品线

由于 nikon 一直将激光测距仪作为非重点产品,以利润作为第一目标。所以 nikon 测距仪相对竞争品牌来 说,售价都相对偏高很多。另外一点,其在激光测距仪上的技术投入很少,主要是通过中国国内的工厂代 工,所以技术相对落后一些,产品线也很短。

nikon 目前在国内销售的主要产品及性能如下: 1.nikon激光测距仪 550G 550码(500米测距,这款目前已经停产,在 nikon 国外上已经没有 这款了。

2.nikon激光测距仪 550AS 550码(500米,测距,测高,测角一体机,同时外部带一个液晶屏

3.nikon激光测距仪 1200S 1200码(1080米,测距。

4.nikon激光测距仪 1000AS 1000码(900面,测距测高一体机,这款没有测角的功能。

2012年, nikon 在美国发布了三款新的测距仪,都是短距离 550码,除了外观有改变外,整体感觉没有太 多的变化。

nikon 由于没有自己的测距仪生产技术,所以一直没有能力生产超过 1100米以上的长距离测距仪。这一点 也是非常遗憾的。

下面详细分析一下 nikon 在国内销售的四款激光测距仪的选购。二.nikon 550G-nikon 激光测距仪

这款测距仪,测量距离 500米,另外没有额外的功能,产品是在是没有什么特点, 2200左右的售 价,相对竞争品牌确实太高了。这估计是也 nikon 停产这款的原因。如果这款能够给国外售价持平, 1500 左右,拿这款还是可以作为一个参考选择。

500米左右的激光测距仪,或者 2000左右的价格,可以选择性价比更高的品牌:

1.图雅得 YP500

作为全球第一品牌,图雅得 YP500,测量距离也是 500米,售价只有 1480。这款测距仪优点是测量准确, 测距速度快,做工精致。

2.奥尔法 600A

奥尔法是全球第三大测距仪望远镜品牌,其产品性能稳定,无多余的繁琐功能,以简取胜,具有 非常高的性价比。这款 600A, 测量距离 600米,售价仅 1000。

3.博士能 SPORT 850 博士能最为成功的产品是,博士能 SPORT 850,这是在 2006-2010博士能测距仪在全球销量最大的产品, 这款测距仪标称 850码,测树 600码,所以其实际最远测量距离为 600码,这款机器外观精美,体积非常 小巧,测量精准,抗恶劣环境情况好。目前售价 1700左右,其无论在实际测量距离和测量速度,外观,抗 干扰能力上远优于一代号称 999码的 SPORT 450,可以说这两个产品不是一个档次的产品。这是博士能性 价比最高的产品。

三.nikon 550AS 尼康激光测距仪

这款也是短距离的, 500米。但是相对 nikon 550G 来说,性价比高一些,有测角度,测水平高度的功能。更多的人选择这款,是喜欢那花哨的液晶屏,其实这液晶屏我个人觉得用处不大,没有实用价值,仅仅作 为一个卖点而已。但是测角,和测水平高度是有价值的。所有相对 nikon550G 性价比更高一些。

同样,由于 nikon 在国内整体定价偏高,其竞争品牌,具有更高的性价比。全球四大品牌的另外三个品 牌都有代表性的产品,更具性价比。1.图雅得 YP500H

这款是 500米测距,带测高测角功能。售价在 2200。性能相当,但是价格便宜不少。2.奥尔法 600AH

我个人觉得这款产品更具性价比, 600米测距,带测高测角,售价 1800。四.Nikon 1200S nikon 激光测距仪

Nikon 1200S, 是 nikon 所有产品系列中测量距离最远,测量距离为 1000码, 900米,售价 3300。这款产品其实使用起来还是非常方便的,只是售价太高,相对竞争品牌来说,性价比非常不好。如 果这款售价回落到 2400左右的正常售价,还是不错的。

与这款竞争的型号比较多, 如果 3000多的售价, 另外几个品牌都可以买到 1500米的长距离测距仪。由于型号较多,下面进列一个具有代表性的竞争型号。

2012年 6月博士能发布了其第三代 +全新款的测距仪博士能 Z6,这款高精度高性能的激光测距仪, 成为了 nikon 1200S最为强劲的对手,发布当月,博士能新款 Z6即成为全球望远镜激光测距仪销量冠军。

1.博士能 205100(ELITE 1500

博士能 205100,全称为博士能精英 ELITE 1500 ,款号为 205100。简称可以叫做博士能 205100, 博士能 1500,博士能 ELITE 1500等。在博士能的发展成长历史中,博士能 205100具有举足轻重的地位, 是博士能历史上单品销量最大的测距仪型号,也是全球唯一一款单品销量超过 100万台的型号。2.图雅得 YP900

900米测距,售价不到 2000,非常具有性价比。产品性能也非常好。五.nikon 1000AS nikon 激光测距仪

也许是 nikon 技术上的缺陷,这款产品面市后就一直有一个问题,这款产品是 1000码, 900米测 量距离,能够测水平高度,但是不能测角度。不能测角度,让很多客户非常头痛,售价在 3600。这款性价比也一般,与其竞争的品牌型号主要有: 1.图雅得 YP900H 电源 CR-2 电池（3V）第三代镜头 测距精度 净重 ILC 抗干扰激光接收器 ±1m 180g 测距范围 6-900m 外形大小 99 ×65 ×38 mm 物镜倍数 6 倍 工作温度-20-50 ℃ 这款是 900 米测距，售价 3300 左右。相对 nikon 1000AS，他是唯一款可以同时测高和测角的。所以 最具性价比。测目标高度：传统的测

高，只能测水平高度。这款除了测水平高度外，还能测目标的绝对高度，这测距仪 测量技术的革新。连续测角： 连续测角是指，不需要按红外发射器，就能连续显示目标的角度。2.图雅得 SP1500H 这是图雅得最新款测距仪，售价 3900 左右。测量距离 1500 米。测距范围 物镜倍数 工作温度 出瞳距离 外形大小 10-1500m 8倍-20-50 ℃ 13mm 148×96×58 mm 测距精度 物镜口径 使用湿度 对焦方式 净重 ±1m 30mm 《=80% 目镜调焦 230g 测距显示 视野 出瞳直径 电源 测距功能 视野内 LCD 显示 1000m 处为 132m 3.8mm CR-2 电池（3V）测角、测高、测高度

篇3：激光测距原理分析

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.

篇4：激光测距系统对测距精度的影响

脉冲式激光测距仪是利用脉冲激光器向目标发射单个激光脉冲，计数器测量激光脉冲到达目标并由目标返回到接收机的往返时间，由所进入的钟频脉冲个数来计算距离，再经处理器在显示器上显示出来。

由于大气的不均匀和非稳态特性，在工程上常把光束路径上大气的折射率用平均值n来近似，则有：R=Cm/2nf

式中：R为目标距离，C为真空中的光速（2.998×108m/s），m是时标振荡器在光往返过程的脉冲个数，n值由大气实况决定， f为振荡频率（每秒产生f个电脉冲）。

一、下面将从两个方面对测距精度进行分析

（1）晶体振荡器频率稳定度的外界影响

激光在空气中传播时，由于受介质、气压、温度、湿度的影响，晶体振荡器频率会有一定的变化，若f=30×106Hz,在测距500m时，实验中用数字频率计可测得，晶体稳定度引

起计数误差为Δm=±0.15，由此项引起的测距误差为：

ΔS振=±cΔm/2f=3×108×Δm/2×30×106=±5Δm=±0.75(m)

（2） 激光脉冲宽度的影响

激光光源及雪崩光电二极管一定，放大器的带宽也是一定的，但是由于大气衰减、目标反射等影响，激光回波的光脉冲的相位、幅度就会随距离、气候条件、目标反射特性的变化而变化，即脉冲宽度随之变化，因此测距精度也会随之变化[3]。

如图1所示，曲线1为取样电脉冲，曲线2为回波电脉冲，曲线3为大目标回波电脉冲，Vi为成形单稳态电路的阈值。由图可见曲线3中的tp1要增大3ns左右，由此引起的测距误差为：

ΔS脉=1（m）

对于大目标，由图可见曲线3中的tp2测距误差要比tp1大两倍。即相当于测距误差为：

所以要提高精度，就得从减小脉冲宽度入手，要减小脉宽，理论上有很多方法可以实现，比如增加电路的工作频率、采用光学调Q技术、电光调制技术等等，如果增加电路的工作频率，会使设计成本大幅增加，并且对电路的可靠性、元件的选择都很费时间，其余二者都是大成本投入项目。因此这些思路成本很高，但采用电容充放电及快速开关技术，在精度和成本方面是一个择中方案。

二、脉冲式激光测距仪的误差消除方法

由前面误差分析可见：仪器本身的系统误差是脉冲式激光测距仪的主要误差。因此，我们从发射和接收两个方面对脉宽进行控制。

（一）发射方面采用电容充放电技术和高速开关技术对LD驱动脉冲进行脉宽控制。

（1）在脉冲激光电源中，储能电容器十分重要，它必须是漏电很小的无极性耐高压电容器。在重复频率的每一个周期里，储能电容器两端电压UC是变化的,如图2所示：

其中，再t0-t1时间内给电容器充电，再t1-t2时间内要求电容器两端电压保持不变（等于UC），而在t2-t3时间内电容器的能量迅速向负载释放。能否在短时间内将电容器充到所希望的UC值，充到UC值后又能否保持住，这是由充电电路的性能决定的。激光器电源采用恒功率充电，以保证激光器稳定可靠地以一定重复频率工作如图3所示。

通过以上分析，恒功率充电：PPO=PC，从充电开始到充电结束，吸取相同的功率，至始至终等于电容器上获得的功率。可见，恒功率充电方式是最有利的。

对放电电路的要求是在存储在储能器中的电荷如何高效率的转换成电能。放电电路的负载是LD，而放电灯的电流i和电压U遵守下述关系：U=k0|i|1/2

式中 k0——LD的电阻系数。 LD的电阻可表示为：R=k0|i|-1/2 ，放电电路由储能电容器或储能电感器一级放电开关和成形电感组成。

（2）采用高速、大电流的FET开关管作为充电电容的充放电开关，用以控制充电电容的充放电控制。通过控制电容的充放电时间，和电容所含能量相配合，来控制电流脉冲的脉宽和幅值，从而减小测距误差，但是要充分降低成本，保持精度，这就对电子器件的高可靠性和高精度提出了严峻的要求[6]。故提出了以下解决方案：

1.采用高速、大电流、高可靠性的FET,2SK2141作为开关管。

2.采用高速MOS管驱动器作为驱动FET栅极的驱动转换器，它能将CPU输出的控制

信号迅速的转换成MOS管的大电压驱动信号，从而建立起CPU与MOS管的控制的桥梁。

VMOS管驱动电路如图4所示，

该电路设计使用MMH0026作为驱动电路，其工作原理是其供电电压为12到20V，但计算机给2、4脚控制信号，该驱动芯片将把较低电平的TTL逻辑信号转换成VMOS器件所需的高电平（这和所提供的供电电压和MOS管所需驱动电压相关），从而在7、5脚上输出频率相等，幅值为12-20V的驱动控制信号。其中VMOS管是多载流子器件，当VMOS管作为闭合的开关使用时，其漏源极间的压降与电流成正比，这时的VMOS管很像一个电阻元件。另外，VMOS管是它没有二次击穿。在一定的漏源电压范围内，器件的直流安全工作区仅仅由它们的额定功耗来确定。所以，VMOS管有极好的开关特性。

（二）接收方面的时间测量主要是采取计数的方法，这里对激光主波和回波利用的是它们的前沿，而实际激光脉冲在振幅和时间上存在着两种影响测时结果的误差因素。

一是由于回波幅度不同而引起的触发不稳，不同目标所反射的回波强弱不一样，回波脉冲又不是严格的方波，其前沿有一定的倾斜，即使后面有非常精确的测时电路也不能改善测时精度，减少这种误差影响的方法有恒比定时触发技术。

另一种因素是计数量化误差。要减小计时量化误差，最直接的办法就是提高计数脉冲频率，但它的提高也受到各种因素的限制，如，若需要计数量化误差所限制的测距精度是0.1米，就要求计数脉冲频率达1500兆赫兹。所以，通过一定的方法实时的测量出每一轮计数过程中的计数量化误差，再用它对计数结果进行修正即可得到比较精确的测时结果。

采用模数转换技术来减少计数量化误差是一种有效的方法。采用模数转换技术实现时间测量的原理框图5所示。

如图6所示为发射主波、接受主波和计数时钟的关系图，主波较第一个计数脉冲早到T1时间,为了实时地测量计数量化误差T1，必须将时间间隔T1变换为电信号。让主波前沿作为起始触发，启动一阶跃恒流源I给电容C充电，恒流源内阻为R，则电容C上的电压:

然后，由第一个有效计数脉冲的前沿控制停止对电容充电，电容充电就停止增加，假设此时的电压为VC，这一刻相对于VC=0时的时延是T1，在以下的分析中将以T代表T1或T2，则电压：

结论:在发射系统中采用电容充放电技术和高速开关技术对LD驱动脉冲进行脉宽控制，在接收系统中采用模数转换技术，能够大大提高测距精度。

参考文献：

[1]张以谨，应用光学，机械工业出版社，1983.

[2]王化祥等，传感器原理及应用，天津大学出版社，2002.

[3]戴炳明等，脉冲激光测距机的测距误差分析，激光技术，1999.2，

[4]胡以华，魏庆农，“采用模数转换技术提高脉冲激光测距的测时精度”，激光技术，Vol.21,No.3,pp.189-192,June,1997.

[5]王永仲，“现在军用光学技术”，科技出版社，2003年3月。

[6] 戴永江，“激光雷达原理”，国防工业出版社，2002年1月。

[7]黄德修，刘雪峰，“半导体激光器及其应用”，国防工业出版社，1999年5月。

（周晶，长春大学理学院，副教授，硕士研究生。主要从事物理教育学及激光工作。）

责编／张新兴

篇5：激光测距仪操作规程

一、电池的装入/更换

① 按住拆卸钮，向左推取下后盖。② 打开电池槽盖，安装或更换电池。

③ 当电池电量过低时，屏幕会显示此信号。按极性正确装入电池，且只能用碱性电池。④ 后盖顺槽插入，直至入位。当长时间不使用仪器时，请取出电池，以免电池腐烂。

二、启动/关闭测距仪

短暂按下红色READ键，照明灯，电池电量和蜂鸣将显示在显示屏上，直到发出第一个工作指令。

本仪器可以在任何时候任何菜单里被关闭。在150秒未触摸任何键时，仪器会自动关机。

三、清除键（红色OFF/CLEAR）

清除键可以使仪器恢复到常规模式，也就是说他将恢复零位。

清除键可以用于测量/计算前或测量/计算后。在某项功能中（面积或体积），可以使用清除键回到上一指令，并进行新测量。

四、设置测量基准边

按下测量基准选择键，直到所需的测量基准边出现。测量基准边的设置将在再设置或关机时才会改变。

在仪器下方固定挡板打开时，仪器能够自动识别测量基准边，并设置测量基准边以得到正确的测量值。

厂家设置：测量基准边为后沿。

五、测量

5.1单个距离测量

按READ键，打开激光束，将仪器对准所要测量的目标，并再次按READ键。测量所得距离数据将立即以指定的单位显示在显示屏上。

5.2最小/最大值测量

该功能能够测量以某一固定点为起点的最小和最大距离，并测量间隔距离。

按住READ键，直到听到蜂鸣声，此后仪器进入连续测量模式，然后缓慢将激光在所在目标来回多次扫射。

再按一次READ键，终止持续测量模式，测量所得最大或最小距离将显示在屏幕上的主显示区。

六、功能

6.1 加/减

依据下列步骤，来进行测量值的加减： 测量+/-测量+/-测量+/-……=结果。同样的方法可以进行面积和体积的加减。6.2 面积

按一次面积/体积键来进行面积测量。进行两次必要的测量，相应的结果就会显示在屏幕上。6.3体积

按两次面积/体积键来进行体积测量，相应的图标会显示在显示屏上。进行三次必要的测量，相应的结果就会显示在屏幕上。

6.4 间接测量

此仪器可以通过勾股定律来计算距离。这一功能适合于不宜直接进行测量或者测量有危险的边。

① 这种方法只用于测算距离，不能取代精确测量。② 确定测量边的顺序。

③ 所有测量点都必须垂直或平行于平面。

④ 为了保证测量的精确性，测量时仪器最好是从一个固定点出发旋转来进行测量。6.5 保存常数/测量值 6.5.1 储存常数

可以将一个常用的值保存，以便调用。测量所需的距离，按住储存键直到听到蜂鸣，此时所需值被保存。6.5.2 重新调出常数

按储存键调出常数，此时常数可供计算使用。6.5.3 延迟测量

按住计时键，屏幕上会显示出相应的时间闪烁，按+/-键可以调节所需延时的时间，再按下READ键，此时开始倒计时，直到测量后数值会显示在显示屏上。

七、注意事项

篇6：并行计数法脉冲激光测距的研究

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  

篇7：激光测距论文讲解

机载激光扫描测距 (LIDAR)系统的应用试验

机载激光扫描测距技术,使传统的`摄影测量技术发生了质的飞跃.本文在介绍机载激光扫描测距原理、系统组成、技术特点的基础上,对机载激光扫描测距系统进行了试验性研究,并得出了机载激光扫描测距系统的试验精度.

作 者：张和生 薛光武 刘艳华 刘鸿福 ZHANG He-sheng XUE Guang-wu LIU Yan-hua LIU Hong-fu  作者单位：张和生,薛光武,刘鸿福,ZHANG He-sheng,XUE Guang-wu,LIU Hong-fu(太原理工大学,矿业工程学院,太原,030024)

刘艳华,LIU Yan-hua(燕山大学信息科学与工程学院,河北秦皇岛,066004)

刊 名：测绘科学  ISTIC PKU英文刊名：SCIENCE OF SURVEYING AND MAPPING 年，卷(期)：2009 34(5) 分类号：P246 关键词：机载激光扫描测距   系统   应用试验  

篇8：提高激光测距精度方法的研究

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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[6]周睿, 孔东.一种高精度香相位激光测距方法的实现[J].科学技术与工程, 2009, 9 (21) :6338-6343.

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[8]汪涛.相位激光测距技术的研究[J].红外与激光, 2007, 37 (1) :30-32.

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[10] (意) 希尔瓦诺·多纳特.光电仪器:激光传感器与测量[M].赵宏, 王昭, 杨玉孝, 等译.西安交通大学出版社, 2006:30-60.