脉冲发射的相位式激光测距技术研究

西安电子科技大学

硕士学位论文

脉冲发射的相位式激光测距技术研究

姓名：王刚

申请学位级别：硕士

专业：光学工程

指导教师：曾晓东

20100101

中文摘要I

中文摘要

激光测距技术，尤其是相位式激光测距技术，是一种应用广泛的距离测量技术，具有精度高、昼夜可用且性能可靠等特点，受到工程测量部门的广泛使用。一般情况下，相位式激光测距是用一调制信号对发射连续的光波进行光强调制，利用混频技术和自动测相技术，测量“调制光波”往返于被测距离的相位差，间接求得待测距离。然而对光强的连续调制存在调制波形易变形，且随着调制频率的增加，调制深度会降低，特别是在高频时就更为严重；并且与脉冲式激光测距相比，连续光强调制消耗功率大，测量距离不远等不足。从而限制了相位式激光测距技术的应用。针对连续光波光强调制存在的不足，分析相位式激光测距的检相过程，发现对检相有用的信号是整形过程中的过零点的部分，而连续信号的其他部分对数据处理没有贡献，反而这些部分使激光器连续工作，既损耗着功率，也在减少激光器的寿命。根据信号的傅里叶变换理论、频谱分析方法，脉冲（方波）与同频正弦信号之间的关系，并借鉴脉冲式激光测距技术的优点，产生了基于脉冲信号调制的相位式激光测距想法。

该方法是通过用等周期脉冲调制激光光波来代替连续光强调制激光光波，即脉冲出现的位置代表原连续调制信号的过零点位置，而激光光波脉冲的幅度和宽度不变。因此，当激光功率不稳定时，发射的激光脉冲强度变化时不会影响到调制信号的相位信息。利用等周期激光脉冲光波往返于被测距离的相位差，求得待测距离。根据该激光测距原理，本文利用DDS频率合成技术和高频电路设计知识，设计了激光测距系统方案，并对该方案进行分析，包括高频连续正弦信号与同频脉冲（方波）信号之间的关系，产生高精度高频率脉冲（方波）的方法，高频脉冲（方波）信号的混频技术以及基于CPLD的数字鉴相技术等。随后进行了电路制作，硬件实现和系统调试等工作。这样即实现了脉冲测距的测程远，功耗小的优点，也实现了相位式激光测距的高精度优点，有效地解决了相位法测距中测程与测量精度之间的矛盾，具有实际使用价值。

总之，随着激光技术和电子技术的发展，激光测距向着高精度、大量程的方向发展，势必在多种领域得到更为广泛的应用。尤其是在激光大气通信，非合作目标的高精度、远距离激光测距的应用方面具有很大的应用空间。

关键词：激光测距技术、相位、脉冲

ABSTRACT II

Abstract

Laser Ranging technique, particularly, phase-laser ranging technique, is widely used in distance measurement with high precision, available in day and night, and reliable, and is widely used in the engineering measurement. Normally, phase-modulated laser ranging uses a continuous light wave signal for the launch system, by frequency mixing, and automatic phase measuring technique, measuring “modulated waves”. Based on the phase difference between the reflected signal and the local emitting signal, the unknown distance can be obtained. However, the light wave with continuous waveform modulation is easily changed in the transmission, and with the increase in modulation frequency, modulation depth will be reduced, especially at high frequencies; Compared with the pulsed laser ranging, continuous light modulation has large power consumption, and can not be used in the long distance situation. In order to overcome the drawbacks of continuous light wave Modulation, we propose a pulse-modulation scheme.

In this method, the constant periodic pulse modulation of laser light waves is used, instead of continuous modulation laser light wave. The pulse position represents the zero position of continuous modulated signal, and the amplitude and width of the laser light pulse remain unchanged. Therefore, when the laser power is unstable, the intensity variation of the laser pulse will not affect the phase information of the modulation signal. In this paper, based on DDS frequency synthesis technology and the design theory of the high-frequency circuit, a pulse-modulated laser ranging system has been designed, the relationship between a continuous high-frequency sinusoidal signal and the same frequency of pulses(square wave) signal is analyzed. By use of CPLD-based digital phase detection technique the signal processing system is made.

It is expected that this method could be used in the space laser communication, high-precision, long-range laser ranging on non-cooperative targets.

Keywords：Laser ranging technique, phase modulation, pulse modulation.

西安电子科技大学

学位论文独创性（或创新性）声明

秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。

申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。

本人签名：日期

西安电子科技大学

关于论文使用授权的说明

本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。（保密的论文在解密后遵守此规定）本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。

本人签名：日期

导师签名：日期

第一章绪论 1

第一章 绪 论

§1.1 激光测距技术的发展

随着人类社会的发展，人们对距离测量的需求越来越多，由原来的建筑物等局部测量到大地地貌、月球等超远距离测量，测量精度要求也越来越高。因此人类在不停的研究新的测量方法和理论，同时随着技术手段的不断进步，测量方法和技术也不断进步。现代电子技术的飞速发展，大大推进了距离测量技术和仪器的发展。在激光没有发明前，利用光学距离测量是基于三角测量法。用二个分开的点对测量目标进行瞄准，两点的距离为D，测量两个点分别与目标连线所形成的夹角α，可以测得距离L=D/α。自1960年第一台激光器一红宝石激光器发明后，光学距离测量进入了基于激光技术的距离测量时代。由于激光的方向性好，能量集中、单色性等特点，利用激光进行距离测量，可实现距离测量的高精度，远距离等优势，使激光测距技术成为距离测量的主要技术之一，广泛应用在军事和民用领域。

激光测距是测量光束从光源发射到目标，再经反射回光源处的时间延时T=2L/c，算得距离L=cT/2。光行进的时间测量分为脉冲式测距技术和正弦波（相位）式测距技术。第一种技术是关于远距离的测量，主要应用在大地测量学中和军事领域中，它能测量到100km以上的距离。例如1969年的月距实验（LURE）]1[，它是用调Q红宝石激光器通过脉冲测量方法测量地球与月球的距离，测得从地球到月球的基准直线距离为384000km，大约只有30cm的误差；而第二种技术是关于大地测绘、大气测量等地貌测量的测距（<1km），它主要应用在土木工程和建筑行业中。1970年研制的正弦波式的激光二极管测距仪]2[，现在已经在建筑领域中得到了广泛的应用，代替了军用工程领域中的经纬仪，它能直接测量几百米的距离，有厘米数量级的分辨率。我国也在70年代中期研制成功了红外光电测距仪]3[。

利用激光的干涉性好特性，激光测距技术出现了干涉法距离测量方法。它是将一束相干光照射到远距离的目标上，用一个参考光与反射回来的光进行干涉，再通过光电探测测量该相干光。该相干光中包含有cos2ks，由cos2ks可以计算出距离等于多少个λ/2。

随着激光理论、激光器件的发展和提高，基于电光效应、声光效应等激光调制器件的成熟，使对激光输出频率进行调制成为可能，出现了可调谐激光器。基于可调谐激光器产生了调频连续波(FMCW)激光测距法]4[它主要是通过发射一频率连续可调的激光，测量接收到激光的频率来推算距离。半导体激光器的出现以及对半导体激光器的直接调

脉冲发射的相位式激光测距技术研究 2

制，出现了半导体激光自混合干涉测距技术]5[。它是利用被测物体形成的反馈光对线性调频LD光源输出光功率的调制特性，实现绝对距离测量。由于其光学系统仅包含一个光源和一个准直透镜，结构极其简单、紧凑，系统易准直，因此倍受关注。

除了主动激光测距外，还有一种被动光学测距方法，叫做光子微分法。它指对目标辐射光提取两个或更多个不同的光测数据，并从这些数据中求出距离。称为被动测距的光度测量测距技术]7[]6[?就是一种光子微分法。

激光测距技术是以集光学、激光技术、精密机械、电子学、计算技术及光电子等多种技术的综合应用。随着激光技术、电子技术、计算技术和集成光学的发展，激光测距仪朝着数字化、自动化、小型轻便化方向发展。并且而随着小型专用计算机的发展和应用，使激光测距仪的工作效率、测距精度和测量速度有了非常大的提高。此外，半导体激光器的出现使整个仪器的体重和重量也大为减少。因此研究激光测距对于军工、科研等高精度要求的测距以及需要野外作业的测距有着很大的意义。

§1.2 激光测距的特点

基于光行进的时间测量方法的激光测距是指利用射向目标的激光脉冲或连续波激光束测量目标距离的距离测量技术。激光作为测距手段，其精度和测程都明显优于其他测距方法。而且激光具有良好的抵抗电磁波干扰的能力，尤其在探测距离较长时，激光测距的优越性更为明显，已被广泛使用于遥感、精密测量、工程建设、安全监测以及智能控制等领域。由于激光的方向性好，能量集中等特点，激光测距具有以下特点]8[：1）测距精度高

激光测距的精度与操作者的经验无关，误差仅取决于仪器本身的精度。战术激光测距仪的误差在5m以内，科学实验的测距仪精度更高，例如，在月球上安装角反射器（合作目标），最好的测距记录是384401km，误差仅为10cm。

用激光测距对卫星进行精密测轨，精度已达1cm，日本用于预防地震的长距离监测系统，全程 84km，误差小于 1mm。

2）测距仪体积小、重量轻

军事上装备的激光测距仪，重量一般为 10kg 左右，最小的只有 0.36kg，体积只有香烟盒那么大，激光由于方向性好，所以可以不用巨大的天线就可以发射极窄的光束。

3）分辨率高，抗干扰能力强

第一章绪论 3

激光测距具有角分辨力高、抗干扰能力强，可以避免微波在贴近地面上应用的多路径效应和地物干扰问题。窄的光束和短的脉冲宽度，不仅是微波的横向和纵向目标分辨率大大提高，而且不受电磁干扰和地波干扰。

§1.3 本文研究内容

1.3.1研究背景及意义

目前应用较广的激光测距仪，主要为脉冲式和相位式。其中，相位式激光测距仪以其精度高、功率小和便携的特点，尤其是半导体激光器的出现，以其光强直接调制特点，使这种仪器结构轻巧、造价低廉、使用方便，受到工程测量等部门的广泛使用。

一般情况，相位式激光测距多是将一调制信号（一般是正弦信号）对发射连续的光波进行光强调制，利用测定“调制光波”往返于被测距离的相位差，利用混频技术和自动测相技术间接求得待测距离。对光波的光强调制的方法很多，主要有直接调制、声光调制和电光调制等。用于半导体激光器（LD）的直接电流调制具有简单易调制、体积小等优点，但其缺点是调制波形会变形，且随着调制频率的增加，调制深度会降低；光强调制也会带来波形变形，特别是在高频时就更为严重；并且连续光波的光强调制消耗功率也大，测距时间不长。

除了用正弦信号对光波进行光强调制外，也可以使用非正弦信号（如方波）对光波进行光强调制，如利用调制方波中的谐波进行测距的方法]9[。该文献是用一方波对光波进行光强调制，通过模数转换将方波信号变为数字信号，用方波信号中的谐波来实现距离的测量。该方法要实现高精度、远距离测量，有一定得难度。首先要将高频的方波变为数字的方波，为了保证信号不失真，模数转换采样率最基本要满足采样定理。采样定理对于单频的正弦信号来说足够了，但对于谐波丰富的方波来说，要保证采样后的信号中谐波信号不失真，采样率要远远大于采样定理的规定。另外，该方法也是一种连续的光强调制，只是用方波代替单频正弦信号而已。因此，也存在当测量远距离时，调制波形易发生失真，同时也存在消耗功率大等不足。

本文针对连续光强调制表现的不足，分析脉冲式和相位式激光测距技术工作原理，借鉴两者的优点以及脉冲信号的频谱特性，提出了激光发射和接收部分用脉冲式激光测距技术，而数据处理部分仍使用相位式激光测距技术的激光测距想法。该想法通过用同频率脉冲调制激光光波代替相同频率正弦信号的连续调制激光光波，将连续的光强调制转变为同频的脉冲激光光波，而脉冲激光光波的幅度和宽度不变。因此，当激光功率不稳定时，发射的激光脉冲强度变化时不会影响到调制信号。利用已调制激光脉冲光波往返于被测距离的相位差，求得待测距离。这样实现了脉冲测距的测程远，功耗小的优点，

脉冲发射的相位式激光测距技术研究 4

也实现了相位式激光测距的高精度特点。与传统的相位法测距相比，有效地解决了相位法测距中测程与测量精度之间的矛盾，具有高精度、大量程、大噪声容限的特点，而且简化了硬件设计，减低了成本，进而提高了测量的能力，降低了功耗，提高了便携性，具有实际使用意义。

1.3.2本文研究的主要内容和工作

本文对相位式激光测距技术进行了分析，针对相位式激光测距技术存在的优缺点，提出了把对激光器的连续光强调制转变为同频的脉冲光强调制想法，并对这一原理进行了可行性分析。根据该激光测距技术原理设计了激光测距系统方案，对该方案进行分析、设计以及电路制作，并经过硬件实现和系统调试。主要工作包括：

1．分析相位式激光测距技术中数字检相工作原理，提出本文的激光测距想法；

2．分析高频连续正弦波与同频脉冲（方波）之间的关系；

3．产生高精度高频率方波的方法和实现；

4．分析高频方波信号的混频并利用乘法器实现方波信号的混频；

5．方波信号还原成正弦信号后，相位信息的变化分析；

6．基于CPLD的数字鉴相技术。

依据以上工作内容，本文的结构为第一章介绍了激光测距技术的发展；第二章首先介绍了当前主要的激光测距技术及关键技术分析，然后提出了本文介绍的激光测距技术，并进行了原理分析及系统框图；第三章介绍了本文的激光测距系统中的主要模块电路，对模块电路进行分析、设计和调试等内容；第四章介绍了系统调试及硬件电路制作过程中的注意事项；第五章介绍了对本技术的总结及展望。

§1.4 本章小结

本章介绍了激光测距技术的发展及各种激光测距技术的优缺点，针对当前的激光测距技术的优缺点，提出了本文介绍的激光测距技术想法以及研究工作内容，并说明了本文的组织结构。

第二章激光测距技术 5

第二章 激光测距技术

根据课题研究的内容，在脉冲式激光测距技术和相位式激光测距技术的基础上，借鉴他们的各自优点，提出本文的激光测距想法。本章主要包括了对该想法的原理分析，提出了一套可行性方案，最后给出了激光测距系统的方案和系统框图以及技术参数等内容。

§2.1 激光测距技术概述

激光测距方法主要可分为两大类，三角法测距和飞行时间法激光测距。飞行时间法可分为脉冲激光测距和连续波相位式激光测距两种。脉冲式激光测距原理与雷达测距相似，测距仪向目标发射激光信号，碰到目标就要被反射回来，由于光的传播速度是已知的，所以只要记录下光信号的往返时间，用光速（30万千米/秒）乘以往返时间的二分之一，就是所要测量的距离。如现在广泛使用的手持式和便携式激光测距仪，作用距离为数百米至数十千米，测量精度为5m左右和我国研制的对卫星测距的高精度测距仪，测量精度可达到几厘米。连续波相位式激光测距是用连续调制的激光波束照射被测目标，从测量光束往返中造成的相位变化，可换算出被测目标的距离。为了确保测量精度，一般要在被测目标上安装激光发射器，它测量的相对误差为百万分之一。

§2.2 脉冲激光测距技术

脉冲激光测距以其峰值功率高、探测距离远、重复频率高、测量速度快、结构简单,并且对光源相干性要求低等优点，在军事、工业、航空航天、大地测量、建筑测量和机器人等领域获得了广泛的应用。如地形测量、战术前沿测距、导弹运行轨道跟踪以及人造卫星、地球到月球距离的测量等。脉冲式激光测距是利用脉冲激光器向目标发射单次激光脉冲或激光脉冲串，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，由此计算出目标的距离。

一个典型的脉冲激光测距系统通常由激光发射单元，两个接收通道（采样和回波通道），时刻鉴别单元，时间间隔测量单元和处理控制及显示单元组成。

2.2.1 工作原理]10[]11[

脉冲发射的相位式激光测距技术研究 6

其工作过程是：首先瞄准目标，然后接通激光电源，启动激光器，通过发射光学系统，向瞄准的目标发射激光脉冲信号。同时，采样器采样发射信号，作为计数器开门的脉冲信号，启动计数器，时钟振荡器向计数器有效地输入计数脉冲，由目标反射回来的激光回波经过大气传输，进入接收光学系统，作用在光电探测器上，转变为电脉冲信号，经过放大器放大，进入计数器，作为计数器的关门信号，计数器停止计数。计数器从开门到关门期间，所进入的时钟脉冲个数，经过运算得到目标距离。测距公式为：

2/ct L = （2-1）

式中：L —待测距离；

c —光速；

t —光脉冲在待测距离上往返传输所需要的时间。

只要求出光脉冲在待测距离上往返传输所需要的时间就可以通过上式求出目标距离。脉冲测距仪的原理和结构比较简单、测程远、功耗小，而且一次测量就能得到单值距离，缺点就是绝对的测量精度不是很高。

2.2.2 测距精度分析

脉冲测距的精度可以由下式表示：

t c D Δ=Δ2 （2-2）

从上式可以看出，测距精度主要是由激光飞行时间的准确精度来确定。而激光飞行时间的测量精确度主要依赖于接收通道的带宽、激光脉冲的上升沿、探测器的信噪比和时间间隔测量精确度。时间间隔测量精确度有与计数器频率有关，计数器频率越高时间间隔测量精确度越好。时间分辨率t Δ还受激光的脉冲宽度，被测目标和光接收系统对脉冲的展宽等因素的影响。

对于脉冲测距来说，距离L 的测量精度关键是如何精确稳定地确定t 的起止时刻和精确测量t ，它们各自对应的是时刻鉴别单元和时间间隔测量单元。光速很快，计数频率的高低直接影响着所获得的测距精度。例如，当测距1500m 时，光脉冲往返时间s c L t μ10/2==，如果这时采用时钟脉冲频率为150MHz ，那么在s μ10时间间隔应计数1500个脉冲，也就是说每个脉冲所代表的距离为1m 。在检测中如有一个脉冲的误差，其测距误差则有1m 。这对远距离测距来说尚能允许，但对近距离如50m 来说，其相对误差就太大了，可以通过提高计数时钟频率可以减少这一误差。

另外，光在大气中传播速度c 是受大气折射率变化影响的，取决于大气折射率的取值精度，它还受环境温度、气压及大气喘流的影响，精度一般可以达到610?（1ppm ）。

第二章 激光测距技术 7

§2.3相位式激光测距技术

相位式激光测距仪是用一调制频率对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线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测线所需的时间，相位式激光测距仪一般应用在精密测距中。由于其精度高，一般为毫米级，为了有效的反射信号，并使测定的目标限制在与仪器精度相称的某一特定点上，对这种测距仪都配置了被称为合作目标的反射镜。

2.3.1 工作原理]10[]11[

其工作过程是：首先用一调制信号对光的强度进行调制的，通过测量调制的激光信号在待测距离D 上往返传播所形成的相移φΔ，间接测出激光在测量点与目标间的往返时间t ，根据光速，求出待测距离D 。

图2.1所示为相位测距的原理图。其中D 可以看作是测量点与目标的往返距离，A 为发射点，B 为接收点，

φ是A 、B 两点间电信号的相位差。距离和相位间的关系是：

图2.1 相位测距的原理

ct D 21= （2-3）

f

N t 1)2(πφΔ+= （2-4） 其中：φΔ为不足一周期的相位值，f 为调制频率，c 是光速，N 为正整数。

测定光波往返过程中的整周期及不足一个周期的正弦函数的相位，就可以确定光波的往返时间的间隔，进而计算出距离。 令f

c L 2=，作为测尺长度，则由式可得 L NL D πφ2Δ+= （2-5）

脉冲发射的相位式激光测距技术研究8

2.3.2 相位测距多值问题

由上式可知，N是光波全行程中的整周期数。用单一的频率测距时无法确定N的值，即测距仪存在多值性问题。解决多值性问题，主要采用在测距仪内设若干个辅助的调制频率，主要有两种方案：一是对于中长程测距仪，采用集中的间接测尺频率方式，一般设定3—5个辅助频率；二是对于短程测距仪，采用分散的直接测尺频率方式，设定精测和粗测两个调制频率。例如：精测频率为15MHz，则测尺长为10m；粗频为150kHz，则测尺长为1000m。假设要测量584.76m的距离时，选用测尺长度为1000m的调制光作为粗尺，选用测尺长度为10m的调制光作为精尺。如果测相系统的测相精度为千分之一，则用粗尺可测得不足1000m的尾数584m，用精尺可测得不足10m的尾数4.76m，将两者结合起来就可以得到584.76m。就解决了测距仪高精度和长测程之间的矛盾，其中最短的测尺保证了必要的测距精度，最长的测尺则保证了测距仪的测程。

§2.4 本文激光测距方案

本文介绍的激光测距方案是在借鉴了脉冲激光测距和相位式激光测距技术的各自优点的基础上，采用了脉冲发射和接收的脉冲测距技术以及信号处理的相位式激光测距技术，变连续光强调制为光强的脉冲调制来实现激光测距。在系统设计中利用了超大规模集成电路复杂可编程逻辑单元（CPLD）和直接数字合成技术（DDS）的专用芯片来进行电路设计，具有高精度、集成化高、体积小等特点，既实现了相位测距的高精度，也实现了脉冲测距的功耗小、测程远的优点，同时也提高了便携性。以下对本文激光测距技术进行分析。

2.4.1 原理分析

在传统的相位式激光测距技术中，是利用连续的调制信号对激光器进行光强调制，尤其是半导体激光器的直接光强调制，使激光器工作在连续状态，但在后续的检相过程中，连续的调制信号经过整形变为方波送入数字鉴相器进行检相，如图2.2所示，r v、s v 是相位差为θ的待测信号，经过整形变为1v、2v。通过对检相过程的分析，发现对检相处理有用的信号是整形过程中的过零点的部分，而连续信号的其他部分对数据处理没有贡献，反而这些部分却使激光器连续工作，既损耗着功率，也在减少激光器的寿命。因此，如果能使激光器工作在对数据处理有用的整形过程中的过零点的那部分，其他时间激光器不发射，则功耗能得到减小，同时激光器的寿命也能得到延长。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

第二章 激光测距技术 9

映连续调制信号的相位信息。下面就对脉冲（方波）信号进行分析。

图2.2 过零检相示意图

2.4.2脉冲（方波）信号分析

脉冲周期为1T ，脉冲宽度为τ的脉冲信号在时域表示为：

......3,2,1,0=n （2-6）

对上式进行傅里叶变换，得：

∫?Ω?=2/2/)(1

ττdt e t f T F t jn n （2-7）

22sin 1Ω

Ω=τττ

n n T E （2-8）

可以看出脉冲（方波，当12

1=τ时）信号是由许多单频正弦波叠加组合成。其中τ是脉冲信号宽度，1T 为信号周期。例如：当s T s 41,2011==τ

时，得： ??????=

55πn S E F a n （2-9） 图2.3为s T s 41,2011==τ 情况下，信号在时域和频域中的图形。 可以看出频域包络服从抽样函数x

x x S a sin )(=

，具有离散性，谐波性，收敛性特点。下面分析当τ和1T 变化时，信号的频谱如何变化。 （1）设f(t)中的 E 不变，τ不变，当周期1T 变化时，频谱如何变化？

s T s a 41201)(1==τ时；??

????=55πn S E F a n s T s b 21201)(1==τ时；??

????=1010πn S E F a n

脉冲发射的相位式激光测距技术研究 10

图2.3 s T s 412011==τ时的方波（脉冲）时域和频域

图2.4 s T s 212011==τ时的方波（脉冲）时域和频域

从图2.3和图2.4中我们可以得出以下结论：当周期1T 变大时，Ω减小，谱线间距减小，谱线变密；有效谱带内谐波分量增多；谱线振幅减小，变化缓慢。

（2） 设f(t)中的 E 不变，周期1T 不变，当τ 变化时，频谱如何变化？

s T s c 41201)(1==τ时；??

????=55πn S E F a n s T s d 4181)(1==τ时；??

????π=22n S E F a n

图2.5s T s 41811==τ时的方波（脉冲）时域和频域

图2.6s T s 412011==τ时的方波（脉冲）时域和频域

第二章激光测距技术11

从图2.5和图2.6中我们可以得出以下结论：τ增大时：Ω不变，谱线间距相等；零分量频率减小；有效谱带内谐波分量减少；谱线振幅较大，减小变化急速。

通过以上分析，可以看出周期脉冲（方波）信号是由一些离散的频谱组成，若对于单频正弦波，当把他变成同频率的脉冲（方波）信号后，在该脉冲（方波）信号中，也包含着该频率的正弦波信号，只要通过低通滤波器或带通滤波器把该频率滤出，就实现了同频信号的还原。本文就是利用这个原理把连续的正弦调制信号变成脉冲调制信号，实现相位式脉冲测距。

2.4.3 本方案原理框图

本文就是根据上述原理，设计出脉冲发射和脉冲接收的相位式激光测距系统方案。该方案通过采用高效DDS芯片AD9851产生稳定度高的正弦波调制信号和正弦波本振信号，分别经LC低通滤波器滤波，然后经高速比较器把正弦波调制信号变为等周期的方波调制信号，该方波调制信号经过压缩变为极窄脉冲去脉冲调制激光器发射；同时将该方波调制信号与本振正弦信号通过乘法器AD835实现混频，产生一路差频输出；而另一路经目标反射回来的窄脉冲回波信号经放大、整形后变成宽脉冲（方波）信号与本振正弦信号通过乘法器AD835实现混频，产生另一路差频输出。两路混频后的复合信号分别经带通（低通）滤波器MAX274滤出需要的低频信号，两低频信号经整形变为方波送入数字鉴相器进行鉴相求出相位差来实现距离的测量。本文主要完成对该激光测距系统主要电路的设计、调试等工作。包括了基于直接数字频率合成技术的高效DDS 芯片AD9851的频率产生电路、LC的LPF滤波电路、CPLD时序控制电路、乘法器AD835的混频电路、BPF滤波电路、CPLD数字鉴相电路以及其他一些功能电路。该激光测距系统原理框图如图2.7所示。

图2.7 激光测距系统原理框图

脉冲发射的相位式激光测距技术研究12

技术参数：

1．精测频率为15MHz，则测尺长为10m。

2．粗频为150kHz，则测尺长为1000m。

3．本振频率：精测14.99MHz，粗测140kHz。

4．混频后差频输出：10kHz。

5．LPF通带频率：10kHz。

6．计数时钟：40MHz。

7．检相精度：0.1°。

§2.5 本章小结

本章首先介绍了脉冲激光测距和相位式激光测距技术的工作原理，并对关键的技术进行了分析。然后，借鉴脉冲激光测距和相位式激光测距技术的各自优点，提出了一种基于脉冲传输的相位式激光测距技术。并对该技术进行了分析，提出了本文方案设计、方案原理框图及技术参数。

第三章 部分电路分析及实现 13

第三章 部分电路分析及实现

根据课题设计的激光测距系统，本章主要做了该激光测距系统主要电路的设计、分析、调试、仿真等工作。其中包括了基于直接数字频率合成技术的高效DDS 芯片AD9851的频率产生电路、LC 的LPF 滤波电路、CPLD 时序控制电路、乘法器AD835的混频电路、BPF 滤波电路、CPLD 数字鉴相电路等电路。

§3.1 基于AD9851的频率产生电路的设计

3.1.1 直接数字频率合成技术（DDS ）

近年来，随着微电子技术的迅速发展，直接数字频率合成器(Direct Digital Frequency Synthesis 简称DDS 或DDFS)得到了飞速的发展，它以有别于其它频率合成方法的优越性能和特点成为现代频率合成技术中的姣姣者。基于这样结构的DDS 频率合成器具有以下优点：（1）频率分辨率高，输出频点多，可达N

2个频点（假设DDS 相位累加器的字长是N ）；（2）频率切换速度快，可达s μ量级；（3）频率切换时相位连续；（4）可以

输出宽带正交信号；（5）输出相位噪声低，对参考频率源的相位噪声有改善作用；

（6）可以产生任意波形；（7）全数字化实现，便于集成，体积小，重量轻。本文的激光测距系统中调制信号和本振信号的频率设计由DDS 产生。

3.1.2 DDS 工作原理

DDS 主要由四个基本部分组成：(l)相位累加器；(2)波形ROM ；(3)D/A 转换器；(4)低通滤波器。波形ROM 存储的是正弦波采样后的二进制数据，相位累加器实现对ROM 地址偏移量控制，即单位时间内相位变化量，控制波形的频率；D/A 转换器和低通滤波器滤出镜像干扰，将离散的波形变成连续的波形。在系统时钟一定的情况下，输出频率决定于频率寄存器中的频率控制字，而相位累加器的字长决定了分辨率。图3.1为直接数字频率合成（DDS ）原理框图。

图3.1 直接数字频率合成（DDS ）原理

脉冲发射的相位式激光测距技术研究 14

DDS 输出的合成信号频率和相位为：

f K f C N 20=

f C

N 22πθ= （3-1） 其中：K 为频率控制字；

f c

为时钟频率；

N 为DDS 相位累加器的字长。

当K=1时DDS 输出频率最小，也即频率分辨率为：

f f C N 210=Δ。而DDS 输出最大频率受奈奎斯特抽样定理限制，即f f C 21max 0=，实际工作中DDS 的最高输出频率为时钟频率的40%。

3.1.3 DDS 频谱分析

首先分析理想情况下DDS 的输出的频谱特性，只有满足以下条件]12[才是理想DDS ： 1）没有相位截断，即相位累加器为N 位，N 位全部作为正弦ROM 的地址；

2）没有正弦幅度的量化误差；幅度值得字长为无限长；

3）D/A 转换器是理想器件，不存在非线性。

设相位累加器输出的相位序列为)(n φ，则)(n φ为一周期序列，周期为：

),2(2K GCD u N N

k = （3-2） 其中),2(K GCD N 表示2N 和K 的最大公约数。

如果不考虑D/A 的量化误差，得幅度序列为)(n S ，则其周期同样为u k ，得：

)2

2cos()(Kn n S N π= （3-3） )(n S 经D/A 转换后变成了包络为正弦波的阶梯波，用)(t S 表示阶梯波型，则)(t S 的周期为T u c k T ×=。周期信号可用傅立叶级数之和来表示，

e F t S t jn n n ω∑=∞

?∞=)( （3-4） 其中：∫=??22

)(1T T t jn n dt e t S T F ω。 阶梯波型S （t ）可以表示为：

()∑???????=?=1

022cos )(u k n c N T n Kn t S δπ （3-5）

其中：()))1(()(T n t u T n t u T n c c c +???=δ，u （t ）为单位阶跃函数。 所以有：dt e t S T

F t jm T n ω?∫=0)(1 )22(cos 1)1(10∫∑??

????=+??=T T u c c k n n t jm n N dt e Kn T ωπ （3-6）

第三章 部分电路分析及实现 15

其中：)2

sin(22)1(c T m j n jm n n t jm T m e e m dt e c c c c T T T ωωωωω??=∫??+? （3-7） ??????+=?e e Kn Kn j Kn j N N N 222221)2

2cos(πππ （3-8） 把（3-7）、（3-8）代入（3-1），并利用一下等式：

???????

??????±±=?==∑?=q

i u i q u e k k u n nq u j k k 其他0,2,1,0,102π （3-9） （3-6）式写为： ???±=±?=?????????=?,1,0021'i m

K u i m e F k m j m k

其他π

（3-10） 其中：u K

K k N 2'=

DDS D/A 转换器输出信号的傅立叶级数之和表达式为：

e N c K i t i j N t

f f K i c t S ???

???????±???????±?∞?∞=???????????±=∑20(22sin 21)(ππ （3-11）

由（3-11）式可知，D/A 转换器输出中除主频0f 外，还存在f f c i 0±?分量，幅值包络

为辛格函数，如图3.2所示。

图3.2 DDS 输出频谱

因此为了取出主频0f ，必须在D/A 输出端接入截止频率为2/c f 的低通滤波器。

由于DDS 采用数字化技术，最终合成信号是经D/A 转换得到的，所以存在以下缺点：

1）D/A 转换后的频谱中存在大量的镜像信号，为得到纯净的输出信号，必须用滤波性能好的滤波器滤掉。同时频谱的包络是抽样函数sinx/x 函数,这意味着频率变化时，输出信号的幅度也在变化。

脉冲发射的相位式激光测距技术研究 16

2）合成信号的最高频率有限制。DDS 输出信号0f 的频率范围是0—2/clk f ，但受

滤波器性能的限制，最高频率只能达到40%clk f 。

3）杂散问题。DDS 中的相位截断、D/A 转换器的量化误差及非线性都将带来各种杂波。

3.1.4基于AD9851的频率产生电路设计

1）AD9851简介

AD9851是ADI 公司采用先进CMOS 技术生产的具有高集成度的直接数字频率合成器。它有40位控制字，其中5位为相位控制，1位为6倍参考时钟倍乘器开关控制，32位为频率控制。当外接30MHz 时钟源，6倍频开启后系统时钟MHz f clk 180=，设频率控制字为cw F ，则输出频率由式322cw

clk o F f f ×=得出，因此，最高可输出频率为72MHz 的正弦波。

该器件频带宽、频率与相位均可控，内部频率累加器和相位累加器相互独立，32位调频字使得其在180MHz 的系统时钟下输出频率可达0.04Hz 的高分辨率。

该芯片具有较高的频谱纯度，理论上相位舍位噪声与主频幅度之比为一84dB，由幅度量化和DAC 造成的背景噪声的信噪比为62dB，可以满足本文的激光测距系统设计要求。图3.3是AD9851内部组成]13[。

图3.3 AD9851内部组成

2）AD9851的控制方式

AD9851内部有5个输入寄存器，储存来自外部数据总线的32位频率控制字，5位相位控制字，一位6倍参考时钟被乘器使能控制，一位电源休眠功能控制和一位逻辑0。寄存器接收数据的方式有并行和串行两种方式。

并行方式如图3.4]13[所示，是通过8位数据总线D0—D7来完成全部40为控制数据的输入。复位信号RESET 有效会使输入数据地址指针指向第一个输入寄存器，W_CLK 上升沿写入第一组8位数据，并把指针指向下一个输入寄存器，连续5个W_CLK 上升沿后，即完成全部40位控制数据的输入，此后W_CLK 信号的边沿无效。当FQ_UD 上升沿到来之际40位数据会从输入寄存器被写入频率和相位控制寄存器，更新DDS 的输出频率和相位，同时把地址指针复位到第一个输入寄存器，等待着下一组新数据的写入。

激光测距的方法及原理

激光测距的方法及原理 激光测距技术与一般光学测距技术相比具有操作方便、系统简单及白天和夜晚都可以工作的优点。与雷达测距相比，激光测距具有良好的抗干扰性和很高的精度，而且激光具有良好的抵抗电磁波干扰的能力。其在探测距离较长时，激光测距的优越性更为明显。光测距技术是指利用射向目标的激光脉冲或连续波激光束测量目标距离的距离测量技术。较常用的激光测距方法有三角法、脉冲法和相位法激光测距。 1．三角法激光测距 激光位移传感器的测量方法称为激光三角反射法，激光测距仪的精度是一定的，同样的测距仪测10米与100米的精度是一样的。而激光三角反射法测量精度是跟量程相关的，量程越大，精度越低。 采用激光三角原理和回波分析原理进行非接触位置、位移测量的精密传感器。广泛应用于位置、位移、厚度、半径、形状、振动、距离等几何量的工业测量。半导体激光器1被镜片2聚焦到被测物体6。反射光被镜片3收集，投射到CCD阵列4上；信号处理器5通过三角函数计算阵列4上的光点位置得到距物体的距离。 图1. 激光三角测量原理图 激光发射器通过镜头将可见红色激光射向物体表面，经物体反射的激光通过接受器镜头，被内部的CCD线性相机接受，根据不同的距离，CCD线性相机可以在不同的角度下“看见”这个光点。根据这个角度即知的激光和相机之间的距离，数字信号处理器就能计算出传感器和被测物之间的距离。 同时，光束在接收元件的位置通过模拟和数字电路处理，并通过微处理器分析，计算出相应的输出值，并在用户设定的模拟量窗口内，按比例输出标准数据信号。如果使用开关量输出，则在设定的窗口内导通，窗口之外截止。另外，模拟量与开关量输出可设置独立检测窗口。常用在铁轨、产品厚度、平整度、尺寸等方面。

激光相位测距仪设计说明

课程设计报告（2014—2015年度第一学期） 题目：激光相位测距仪设计 院系：物理与电子信息工程学院 姓名： 学号： 专业：光信息科学与技术 指导老师： 2015年01月03日

目录 1.设计目的与任务 (4) 2.相位式激光测距仪的实现原理 (5) 3.激光测距仪的原理方案 (6) 3.1 直接测尺频率 (6) 3.2 间接测尺频率 (7) 4.测距精度的分析 (9) 4.1 误差分析 (9) 4.2精度分析 (10) 5.总结 (12) 6.参考文献 (12)

1.设计目的与任务

课程设计是学生理论联系实际的重要实践教学环节，是对学生进行的一次专业训练。通过课程设计使学生获得以下几方面能力，为毕业设计打下基础。 1、进一步巩固和加深学生所学的专业理论知识，培养学生设计、计算、绘 图、计算机应用、文献查阅、报告撰写等基本技能； 2、培养学生独立分析和解决工程实际问题的能力； 3、培养学生的团队协作精神、创新意识、严肃认真的治学态度和严谨的工 作作风。 光电子技术基础课程设计是在学生已经完成光电子技术基础课程教学之后所进行的综合性设计过程。其意义在于进一步巩固、加强课程的教学效果，并将这些知识真正应用于实际的设计过程中。根据设计容要求，完成方案论证，完成一类光电仪探测器特性实验测试开发；或利用光电探测器设计测试装置针对一物理量进行测量；或利用光电系统进行信息的传输;或能根据工程条件设计一光电技术的具体应用。写出完整的设计报告，设计报告(论文)字数要求不少于3000字，文字通顺，书写工整。 2.相位式激光测距仪的实现原理 相位测量一般采用差频测相技术。差频测相的原理如图2.1所示 2.1差频测相原理图示

相位法激光测距的理论设计综合最新版

相位法激光测距的设计 电子工程学院 詹雪娇 2017110459 史歌2017110481

第一章引言 激光，是一种自然界原本不存在的，因受激而发出的具有方向性好、亮度高、单色性好和相干性好等特性的光。物理学家把产生激光的机理溯源到1917年爱因斯坦解释黑体辐射定律时提出的假说，即光的吸收和发射可经由受激吸收、受激辐射和自发辐射三种基本过程[1]。 所谓激光技术，就是探索开发各种产生激光的方法以及探索应用激光的这些特性为人类造福的技术的总称。30多年来，激光技术得到突飞猛进的发展，利用激光技术不仅研制了各个特色的多种多样的激光器，而且随着激光应用领域不断拓展，形成了激光唱盘唱机、激光医疗、激光加工、激光全息照相、激光照排印刷、激光打印以及激光武器等一系列新兴产业。激光技术的飞速发展，使其成为当今新技术革命的先锋！ 激光和普通光的根本不同在于它是一种有很高光子简并度的光。光子简并度可以理解为具有相同模式(或波型、位相、波长)的光子数目,即具有相同状态的光子数目。这些特性使激光具有良好的准直性及非常小的发散角,使仪器可进行点对点的测量,适应非常狭小和复杂的测量环境。激光测距仪就是利用激光良好的准直性及非常小的发散角度来测量距离的一种仪器。激光在A、B 两点间往返一次所需时间为t, 则A、B 两点间距离D 可表示为: D = c·t /2,式中, c为光在大气中传播的速度。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。如:假设D =15km, c = 3 ×105 km / s,则t = 5 ×10- 5 s。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,便产生了两种测距方法:脉冲测距和相位测距。其中相位测距更加精确[1]。

脉冲发射的相位式激光测距技术研究

西安电子科技大学 硕士学位论文 脉冲发射的相位式激光测距技术研究 姓名：王刚 申请学位级别：硕士 专业：光学工程 指导教师：曾晓东 20100101

中文摘要I 中文摘要 激光测距技术，尤其是相位式激光测距技术，是一种应用广泛的距离测量技术，具有精度高、昼夜可用且性能可靠等特点，受到工程测量部门的广泛使用。一般情况下，相位式激光测距是用一调制信号对发射连续的光波进行光强调制，利用混频技术和自动测相技术，测量“调制光波”往返于被测距离的相位差，间接求得待测距离。然而对光强的连续调制存在调制波形易变形，且随着调制频率的增加，调制深度会降低，特别是在高频时就更为严重；并且与脉冲式激光测距相比，连续光强调制消耗功率大，测量距离不远等不足。从而限制了相位式激光测距技术的应用。针对连续光波光强调制存在的不足，分析相位式激光测距的检相过程，发现对检相有用的信号是整形过程中的过零点的部分，而连续信号的其他部分对数据处理没有贡献，反而这些部分使激光器连续工作，既损耗着功率，也在减少激光器的寿命。根据信号的傅里叶变换理论、频谱分析方法，脉冲（方波）与同频正弦信号之间的关系，并借鉴脉冲式激光测距技术的优点，产生了基于脉冲信号调制的相位式激光测距想法。 该方法是通过用等周期脉冲调制激光光波来代替连续光强调制激光光波，即脉冲出现的位置代表原连续调制信号的过零点位置，而激光光波脉冲的幅度和宽度不变。因此，当激光功率不稳定时，发射的激光脉冲强度变化时不会影响到调制信号的相位信息。利用等周期激光脉冲光波往返于被测距离的相位差，求得待测距离。根据该激光测距原理，本文利用DDS频率合成技术和高频电路设计知识，设计了激光测距系统方案，并对该方案进行分析，包括高频连续正弦信号与同频脉冲（方波）信号之间的关系，产生高精度高频率脉冲（方波）的方法，高频脉冲（方波）信号的混频技术以及基于CPLD的数字鉴相技术等。随后进行了电路制作，硬件实现和系统调试等工作。这样即实现了脉冲测距的测程远，功耗小的优点，也实现了相位式激光测距的高精度优点，有效地解决了相位法测距中测程与测量精度之间的矛盾，具有实际使用价值。 总之，随着激光技术和电子技术的发展，激光测距向着高精度、大量程的方向发展，势必在多种领域得到更为广泛的应用。尤其是在激光大气通信，非合作目标的高精度、远距离激光测距的应用方面具有很大的应用空间。 关键词：激光测距技术、相位、脉冲

激光测距仪原理

激光测距仪激光测距基本原理 激光测距是光波测距中的一种测距方式，如果光以速度c在空气中传播在A、B两点间往返一次所需时间为t，则A、B两点间距离D可用下列表示。 D=ct/2 式中：D——测站点A、B两点间距离；c——光在大气中传播的速度；t——光往返A、B 一次所需的时间。 由上式可知，要测量A、B距离实际上是要测量光传播的时间t，根据测量时间方法的不同，激光测距仪通常可分为脉冲式和相位式两种测量形式。 相位式激光测距仪 相位式激光测距仪是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测线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测线所需的时间。 相位式激光测距仪一般应用在精密测距中。由于其精度高，一般为毫米级，为了有效的反射信号，并使测定的目标限制在与仪器精度相称的某一特定点上，对这种测距仪都配置了被称为合作目标的反射镜。 若调制光角频率为ω，在待测量距离D上往返一次产生的相位延迟为φ，则对应时间t 可表示为： t=φ/ω 将此关系代入（3-6）式距离D可表示为 D=1/2 ct=1/2 c·φ/ω=c/(4πf) (Nπ+Δφ) =c/4f (N+ΔN)=U(N+) 式中：φ——信号往返测线一次产生的总的相位延迟。 ω——调制信号的角频率，ω=2πf。 U——单位长度，数值等于1/4调制波长 N——测线所包含调制半波长个数。 Δφ——信号往返测线一次产生相位延迟不足π部分。 ΔN——测线所包含调制波不足半波长的小数部分。 ΔN=φ/ω

在给定调制和标准大气条件下，频率c/(4πf)是一个常数，此时距离的测量变成了测线所包含半波长个数的测量和不足半波长的小数部分的测量即测N或φ，由于近代精密机械加工技术和无线电测相技术的发展，已使φ的测量达到很高的精度。 为了测得不足π的相角φ，可以通过不同的方法来进行测量，通常应用最多的是延迟测相和数字测相，目前短程激光测距仪均采用数字测相原理来求得φ。 由上所述一般情况下相位式激光测距仪使用连续发射带调制信号的激光束，为了获得测距高精度还需配置合作目标，而目前推出的手持式激光测距仪是脉冲式激光测距仪中又一新型测距仪，它不仅体积小、重量轻，还采用数字测相脉冲展宽细分技术，无需合作目标即可达到毫米级精度，测程已经超过100m，且能快速准确地直接显示距离。是短程精度精密工程测量、房屋建筑面积测量中最新型的长度计量标准器具。

激光测距原理

激光测距原理 激光测距工作方式上可分为：脉冲激光测距和连续波激光测距。 (1) 脉冲激光测距 脉冲激光测距原理是，用脉冲激光器向目标发射一列很窄的光脉冲(脉冲宽度小于50ns)，光达到目标表面后部分被反射，通过测量光脉冲从发射到返回接收机的时间，可算出测距机与目标之间的距离。 假设所测距离为h，光脉冲往返时间为t，光在空中的的传播速度为c，则： h=ct/2 脉冲激光测距机能发出很强的激光.测距能力较强,即使对非合作目标,最大测距也能达到30000m以上。其测距精度一般为5米，.最高的可达0.15m。脉冲激光测距机既可在军事上用于对各种非合作目标的测距,也可在气象上用于测定能见度和云层高度.以及应用在对人造卫星的精密距离测量等领域。 (2)连续波激光测距(相位式激光测距) 相位式激光测距仪是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测线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测线所需的时间。 与脉冲激光测距机相比，连续波激光测距机发射的(平均)功率较低，因而测远距离能力相对较差。相位式激光测距仪一般应用在精密测距中。由于其精度高，一般为毫米级，为了有效的反射信号，并使测定的目标限制在与仪器精度相称的某一特定点上，对这种测距仪都配置了被称为合作目标的反射镜。对非合作目标，相位法测距的最大测程只有1~3km。 若调制光角频率为ω，在待测量距离D上往返一次产生的相位延迟为φ，则对应时间t 可表示为： t=φ/ω 将此关系代入式中距离D可表示为 D=1/2 ct=1/2 c·φ/ω=c/(4πf) (Nπ+Δφ) =c/4f (N+ΔN)=U(N+) 式中： φ——信号往返测线一次产生的总的相位延迟。 ω——调制信号的角频率，ω=2πf。

雪崩光电二极管在相位式激光测距仪中的应用

可编程器件应用 电　子　测　量　技　术 EL ECTRONIC M EASUREM EN T TEC HNOLO GY 第30卷第2期2007年2月　 雪崩光电二极管在相位式激光测距仪中的应用 孙懋珩　丁　燕 (同济大学电子与信息工程学院　上海　200092) 摘　要:雪崩光电二极管作为光敏接收器件,特别适合用于微弱信号的接收检测,它在相位式激光测距系统中用来接收经过漫反射后微弱的激光信号。针对雪崩二极管反向偏压电路中高纹波的问题,本文设计和分析了一种高效的低纹波偏压电路,实验结果表明,该方法有效抑制了纹波电压。针对雪崩二极管温度漂移的问题,本文设计和分析一种新型的温度补偿电路,使雪崩二极管达到了最佳雪崩增益。针对雪崩二极管噪声问题,分析了主要噪声源,设计了一个低噪声的前置放大电路,实验结果表明,该电路有效地提高了信噪比。综合实验结果表明,这些电路设计对于提高相位式激光测距仪的测量精度是有效的。 关键词:雪崩光电二极管;相位式激光测距;纹波;温度补偿;前置放大电路 中图分类号:TN710.2 文献标识码:A Study on application of avalanche photodiode in phase laser distance measurement Sun Maoheng　Ding Yan (School of Electronic and Information Engineering,Tongji University,Shanghai200092) Abstract:As a light2sensitive device,avalanche photodiode is particularly suitable for the receiving and detection of weak signal.Therefore,it is always used to receive weak laser signal in the phase laser distance measuring system.To solve the problem of high ripple in the bias voltage circuit,a high efficient circuit with low ripple is designed and analyzed which restrains the ripple effectively.To solve the problem of temperature drift,a new circuit with temperature compensation is designed and analyzed which enables A PD to reach the optimal avalanche gain.To solve the problem of noise,the major noises of A PD are analyzed and a preamplifier circuit with low noise is designed which raise the signal2 to2noise ratio effectively.The results of the experiment indicate that these circuit designs raise the measuring accuracy of the phase laser distance measuring system effectively. K eyw ords:avalanche photodiode;phase laser distance measurement;ripple;temperature compensation;preamplifier 0　引 言 在相位式激光测距仪的激光接收部分中,雪崩二极管作用非常关键。在激光测距仪中,激光从发射到接收,由于经过目标的漫反射以及衰减,接收到的激光信号非常微弱,使得接收检测相对较为困难,所以一般都用雪崩光电二极管作为光敏接收器件[1]。雪崩二极管具有很高的内部增益,响应速度非常快,但要使雪崩二极管发挥其优异的特性,必须给它提供一个较高的反向偏置电压(一般在几十伏以上甚至几百伏。一般的开关电源可以达到这么高的电压要求,但伴随着会有相对较大纹波电压,电源的纹波电压变化范围越大,对雪崩二极管的影响就越大,它会严重影响到雪崩二极管的最佳增益。针对这一情况,本文提出的一种高效的低纹波偏压电路是通过从高压输出端引出一个反馈电路,直接反馈到高压电路的电源端,通过改变电源电压来改变高压输出。在实验中测得的输出高压的纹波与之前未经低纹波设计的高压电路相比,纹波电压得到了很好的抑制。对于雪崩二极管来说,一个小小的温度变化就能引起增益的很大变化,为了保证温度变化时增益值不变,就必须改变PN结倍增区的电场,因此必须接入一个温度补偿电路,在温度变化时来调整光检测器的偏置电压。本文设计了一个新型的温度补偿电路,用一个模拟温度传感器及一个运放,通过简单的计算公式进行参数配置,最终得出一条与A PD最佳增益非常匹配的反向高压输出曲线。雪崩二极管在倍增过程中产生的附加噪声会大大降低测量的性能,为达到最大信噪比,提高相位式激光测距仪的测量精度,本文对其噪声进行了分析并且设计了一个有效的前置放大电路。实验结果表明,该电路有效地提高了信噪比。将这些电路在相位式激光测距仪接收模块中应用,结果表明,它们对于提高相位式激光测

激光雷达测距测速原理

激光雷达测距测速原理 1. 激光雷达通用方程 激光雷达方程用来表示一定条件下，激光雷达回波信号的功率，其形式如下： r P 为回波信号功率，t P 为激光雷达发射功率，K 是发射光束的分布函数，12a a T T 分别是激光雷达发 t θ为发r D 通过 定时间t ，时钟晶体振荡器用于产生固定频率的电脉冲震荡 ?T=1/f ，脉冲计数器的作用就是对晶体振荡器产生的电脉冲计数N 。如图所示，信息脉冲为发射脉冲，整形脉冲为回波脉冲，从发射脉冲开始，晶振产生脉冲与计数器开始计数时间上是同步触发 的。因此时间间隔t=N ?T 。由此可得出L=NC/2f 。 图1脉冲激光测距原理图 2.2 相位法

相位测距法也称光束调制遥测法，激光雷达相位法测距是利用发射的调制光和被目标反射的接受光之间光强的相位差包含的距离信息来实现被测距离的测量。回波的延迟产生了相位的延迟，测 出相位差就得到了目标距离。 假设发射处与目标的距离为D，激光速度为c，往返的间隔时间为t，则有： 图2相位法测距原理图 假设f为调制频率，N为光波往返过程的整数周期，??为总的相位差。则间隔时间t还可以 因为L 不能测得 优点：测量距离远，一般大于1000m。系统体积小，抗干扰能力强。 缺点：精度较低，一般大于1m。 激光雷达相位法测距： 优点：测量精度高。

缺点：测量距离较近，一般为一个刻度L内的距离。（300-1000m）。受激光调制相位测试精度和相位调制频率的限制，系统造价成本高。相位法测距存在矛盾：测量距离大会导致精度不高，要想提高精度测量距离又会受限（刻尺L较短）。 3.激光雷达测速基本原理 激光雷达测速的方法主要有两大类，一类是基于激光雷达测距原理实现，即以一定时间间隔连续测量目标距离，用两次目标距离的差值除以时间间隔就可得知目标的速度值，速度的方向根据距 它的 f 式中， d v< 反之0 f 移 d

高精度相位式激光测距的实现

高精度相位式激光测距的实现 施金钗，黄元庆 摘要：本文介绍了相位式激光测距基本原理，提出了一种提高测相精度的测距方法，并详细论述了差频测相和数字测相方法，最后对今后的发展前景进行了展望。 关键字：激光测距；相位式；差频测相；数字测相 Realization of Phase Laser Range Finding Shi Jinchai, Huang Yuanqing Abstract: The paper introduces the base theory of the phase laser range finder, and it introduce a method of range finding to improve the high precision. The technique of frequency difference and digital measurement of phase finding method are also proposed in detail. Eventually the prospect of their further study is suggested. Keywords: laser range finding, phase-shift, frequency difference of phase finding, digital measurement technique of phase finding 1 绪论 随着科学技术的不断发展，人类在民用和军事领域，对距离量的测量要求非常广泛。激光测距是集光学、激光、光电子及集成电子等多种技术为一体的综合性技术，与其它测距技术相比，激光具有角分辨力高、抗干扰能力强，可以避免微波贴近地面的多路径效应和地物干扰问题，并且具有天线尺寸小、质量轻、结构小巧、和安装调整方便等优点，激光测距仪是目前高精度测距最理想的仪器之一。由于以上各方面的原因，使得激光测距在测量领域得到了青睐，并被迅速推广应用，在国民经济和国防建设中具有非常重要的意义[1]。 激光测距技术是最早用于军事上的激光技术。世界上第一台激光测距机于1961年诞生在美国休斯飞机公司 [2]，称为柯利达I 型，1962年第一台军用激光测距机便成功地进行了示范表演，之后该公司相继研制成几种实验型军用激光测距机在部队进行试验和鉴定，结果证明激光测距机可作为一种新的测距仪代替原装备的光学测距机。1971年美国陆军首先装备了AN/GVS-3型红宝石激光测距机。供炮兵前方观察员或观察所使用。此后，各种型号的侦察用激光测距机相继装备各国的军队1963-1967年美国休斯公司相继研制成几种实验型军用激光测距机，1969年军用激光测距机首先装备军队[3]。 中国科学院上海光机所研制出便携式激光测距机，对漫反射水泥墙的测距达100m ，采用300MHz 计数方式，测距精度0.5m ，重复频率1KHz 。中国计量学院信息工程系光电子所与国外合作开发了低价、便携式半导体激光测距机，作用测距1KM ，精度处<±1m ，采用4M 晶振，运用了线性时间放大技术。常州莱赛公司研制了作用距离200m ，测距精度0.5m 的半导体激光测距机[4]。 2 相位测距基本原理 相位式测距是通过测量连续的幅度调制信号在待测距离上往返传播所产生的相位延迟，间接地测定信号传播时间，从而得到被测距离的。这种方法测量精度高，通常在毫米量级。测距原理图如下图1。相位法测距就是间接的测定调制光波经过时间D t 后所产生的相位变化D ?，以代替测定时间D t ,从而求得光波所经过的路程D 。各参数间的关系为[5]： f D D D π?ω?22c 2c t 2c D ×=×=×= （1） 式中 c 为光波在空气中传播的速度；D ?为调制光信号经过被测距离D 而产生的相位移；ω为调制信号的 角频率，f 为调制信号频率。

相位式激光测距仪是什么呢

相位式激光测距仪是什么呢？ 我们都知道激光测距仪，是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器。激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。激光测距仪重量轻、体积小、操作简单速度快而准确，其误差仅为其它光学测距仪的五分之一到数百分之一。那相位式激光测距仪是什么呢？ 相位式激光测距仪是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测线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测线所需的时间。 相位式激光测距仪一般应用在精密测距中。由于其精度高，一般为毫米级，为了有效的反射信号，并使测定的目标限制在与仪器精度相称的某一特定点上，对这种测距仪都配置了被称为合作目标的反射镜。 在给定调制和标准大气条件下，频率c/(4πf)是一个常数，此时距离的测量变成了测线所包含半波长个数的测量和不足半波长的小数部分的测量即测N或φ，由于近代精密机械加工技术和无线电测相技术的发展，已使φ的测量达到很高的精度。 为了测得不足π的相角φ，可以通过不同的方法来进行测量，通常应用最多的是延迟测相和数字测相，短程激光测距仪均采用数字测相原理来求得φ。 由上所述一般情况下相位式激光测距仪使用连续发射带调制信号的激光束，为了获得测距高精度还需配置合作目标，而推出的手持式激光测距仪是脉冲式激光测距仪中又一新型测距仪，它不仅体积小、重量轻，还采用数字测相脉冲展宽细分技术，无需合作目标即可达到毫米级精度，测程已经超过100m，且能快速准确地直接显示距离。是短程精度精密工程测量、房屋建筑面积测量中最新型的长度计量标准器具。 不管怎么说，了解每一种激光测距仪的具体信息，能够帮助大家更好的使用它，今天大家了解了相位式激光测距仪的应用原理，如果还想咨询更多的信息，可以登录在我们E讯网里搜索更多资料，对于激光测距仪的发展历程进行了解，能够让我们对其认识更加深刻。

激光测距讲解

激光测距技术在空间的应用 随着空间技术和航天工业的发展。空间距离测量已成为空间领域的重要研究内容。传统雷达测距在太空中极易受到高能粒子和电磁波的干扰，测量精度低，无法满足高精度测量的要求。宇宙空间空气稀薄、温度变化剧烈，无法进行超声波测距。因此。测量空间距离需要一种适合空间环境、抗干扰能力强和测量精度高的测距方法。 激光测距技术是一种自动非接触测量方法，对电磁干扰不敏感，抗干扰能力强，测量精度高。与一般光学测距技术相比，它具有操作方便、系统简单及白天和夜晚都可以工作的优点。与雷达测距相比，激光测距具有良好的抗干扰性和很高的精度。 在重复测距的同时，以细激光束对空间扫描，同时获得目标的距离、角度和速度等信息，这就是激光雷达。激光雷达能实现很多传统雷达达不到的性能要求。激光的发散角小、能量集中。能够实现极高的探测灵敏度和分辨率；其极短的波长使得天线和系统尺寸可以很小，这些都是传统雷达所不可比拟的。与微波雷达相比，激光测距仪方向性好、体积小、重量轻。非常适用于搭载在航天器上进行空间目标距离测量。 激光测距技术综合了激光器技术、光子探测技术、信号处理技术等多项技术。测距精度高。测程大，可靠性高，能够满足空间目标高精度、大测程测距的要求。在空间测量领域获得了广泛应用。 1．1研究背景及意义 激光是一种自然界原本不存在的，因受激而发出的具有方向性好、亮度高、单 色性好和相干性好等特性的光，激光的特点有： 1．方向性好——普通光源(太阳、白炽灯或荧光灯)向四面八方发光，而激光的发光方向可以限制在小于几个毫弧度立体角内，这就使得在照射方向上的照度提高千万倍。激光准直、导向和测距就是利用方向性好这一特性。 2．亮度高——激光是当代最亮的光源，只有氢弹爆炸瞬间强烈的闪光才能与它相比拟。太阳光亮度大约是103瓦／(厘米2·球面度)，而一台大功率激光器的输出光亮度经太阳光高出7～14个数量级。这样，尽管激光的总能量并不一定很大，但由于能量高度集中，很容易在某一微小点处产生高压和几万摄氏度甚至几百万摄氏度高温。激光打孔、切割、焊接和激光外科手术就是利用了这一特性。 3．单色性好——光是一种电磁波。光的颜色取决于它的波长。普通光源发出的光通常包含着各种波长，是各种颜色光的混合。太阳光包含红、登、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色的可见光及红外光、紫外光等不可见光。而某种激光的波长，只集中在十分窄的光谱波段或频率范围内。如氦氖激光的波长为632．8纳米，其波长变化范围不到万分之一纳米。由于激光的单色性好，为精密度仪器测量和激励某些化学反应等科学实验提供了极为有利的手段。4．相干性好——干涉是波动现象的一种属性。基于激光具有高方向性和高单色性的特性，它必然相干性极好。上世纪九十年代初，欧美等几大公司相继生产出可供商用的半导体激光二极管，使激光的实际应用价值发生了革命性的进步。其他种类的激光器由于产生激光的机理过于复杂，使其体积，重量

激光相位测距仪的设计

J I A N G S U U N I V E R S I T Y 本科课程设计说明书 光学测试课程设计 题目：激光相位测距仪的设计 学院名称：机械工程学院 专业班级：光信息0901 学生姓名：刘艳冬 指导教师姓名：姚红兵 2011年6月

摘要：本文论述了相位式激光测距仪的实现原理，从直接测尺频率和间接测尺频率两方面讨论了激光相位测距技术的实现，并就差频测相技术进行了深入的探讨分析，最后对测距仪的精度进行了相关的讨论，以提测距仪系统的测量精度和稳定性。 关键词：激光测距，相位式，测尺频率，差频测相 Abstract：This article mainly discusses the implementation of the principle of the phase-shift laser range finder, focusing on frequency of both the direct and indirect measuring tape of the technology and deeply studying the frequency difference of phase finding with theory and the precision analysis in order to improve system accuracy and stability. Key words: laser ranging, phase-shift, measuring tape, frequency difference of phase finding

控制测量学相位式光电测距仪的工作原理

相位式光电测距仪的工作原理 相位式光电测距仪的种类较多，但其基本的工作原理是相同的。本节将讨论相位式光电测距仪的工作原理，并着重介绍它的几个主要部件的工作原理。 4.2.1 相位式光电测距仪的工作原理 相位式光电测距仪的工作原理可按图4-4所示的方框图来说明。 图4-4 由光源所发出的光波（红外光或激光），进入调制器后，被来自主控振荡器（简称主振）的高频测距信号1f 所调制，成为调幅波。这种调幅波经外光路进入接收器，会 聚在光电器件上，光信号立即转化为电信号。这个电信号就是调幅波往返于测线后经过解调的高颇测距信号，它的相位已延迟了Φ。 ?Φ+?=ΦN π2 这个高频测距信号与来自本机振荡器（简称本振）的高频信号1f '经测距信号混频 器进行光电混频，经过选频放大后得到一个低频（11f f f '-=?）测距信号，用D e 表示。D e 仍保留了高频测距信号原有的相位延迟?Φ+?=ΦN π2。为了进行比相，主振高频 测距信号1f 的一部分称为参考信号与本振高频信号1f '同时送入参考信号混频器，经过 选频放大后，得到可作为比相基准的低频（11f f f '-=?）参考信号，0e 表示，由于0e 没有经过往返测线的路程，所以0e 不存在象D e 中产生的那一相位延迟Φ。因此，D e 和0e 同时送人相位器采用数字测相技术进行相位比较，在显示器上将显示出测距信号往返于测线的相位延迟结果。 当采用一个测尺频率1f 时，显示器上就只有不足一周的相位差?Φ所相应的测距尾 数，超过一周的整周数N 所相应的测距整尺数就无法知道，为此，相位式测距仪的主振和本振二个部件中还包含一组粗测尺的振荡频率，即主振频率 32,f f 和本振频率 32,f f ''。如前所述，若用粗测尺频率进行同样的测量，把精测尺与一组粗测尺的结果组合起来，就能得到整个待测距离的数值了。 4.2.2 相位式光电测距仪各主要部件的工作原理

激光测距原理

激光测距原理 发布日期:2010-8-26 [ 收藏评论没有找到想要的知识 ] 激光测距工作方式上可分为:脉冲激光测距和连续波激光测距。 (1) 脉冲激光测距 脉冲激光测距原理是，用脉冲激光器向目标发射一列很窄的光脉冲(脉冲宽度小于50ns)，光达到目标表面后部分被反射，通过测量光脉冲从发射到返回接收机的时间，可算出测距机与目标之间的距离。 假设所测距离为h，光脉冲往返时间为t，光在空中的的传播速度为c，则: h=ct/2 测距能力较强,即使对非合作目标,最大测距也能达到脉冲激光测距机能发出很强的激光. 30000m以上。其测距精度一般为5米，.最高的可达0.15m。脉冲激光测距机既可在军事上用于对各种非合作目标的测距,也可在气象上用于测定能见度和云层高度.以及应用在对人造卫星的精密距离测量等领域。 (2)连续波激光测距(相位式激光测距) 相位式激光测距仪是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测线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测线所需的时间。 与脉冲激光测距机相比，连续波激光测距机发射的(平均)功率较低，因而测远距离能力相对较差。相位式激光测距仪一般应用在精密测距中。由于其精度高，一般为毫米级，为了有效的反射信号，并使测定的目标限制在与仪器精度相称的某一特定点上，对这种测距仪都配置了被称为合作目标的反射镜。对非合作目标，相位

法测距的最大测程只有1~3km。若调制光角频率为ω，在待测量距离D上往返一次产生的相位延迟为φ，则对应时间t 可表示为: t=φ/ω 将此关系代入式中距离D可表示为 D=1/2 ct=1/2 c?φ/ω=c/(4πf) (Nπ+Δφ) =c/4f (N+ΔN)=U(N+) 式中: φ——信号往返测线一次产生的总的相位延迟。 ω——调制信号的角频率，ω=2πf。 U——单位长度，数值等于1/4调制波长 N——测线所包含调制半波长个数。 Δφ——信号往返测线一次产生相位延迟不足π部分。 ΔN——测线所包含调制波不足半波长的小数部分。 ΔN=φ/ω 在给定调制和标准大气条件下，频率c/(4πf)是一个常数，此时距离的测量变成了测线所包含半波长个数的测量和不足半波长的小数部分的测量即测N或φ，由于近代精密机械加工技术和无线电测相技术的发展，已使φ的测量达到很高的精度。 为了测得不足π的相角φ，可以通过不同的方法来进行测量，通常应用最多的是延迟测相和数字测相，目前短程激光测距仪均采用数字测相原理来求得φ手持式激光测距仪是脉冲式激光测距仪中又一新型测距仪，采用数字测相脉冲展宽细分技术，无需合作目标即可达到毫米级精度，测程已经超过100m，且能快速准确地直接显示距离。是短程精度精密工程测量、房屋建筑面积测量中最新型的长度计量标准器具。

激光测距仪使用方法

激光测距仪使用方法 激光测距仪（Laser rangefinder），是利用调制激光的某个参数实现对目标的距离测量的仪器。激光测距仪测量范围为3.5~5000米。 按照测距方法分为相位法测距仪和脉冲法测距仪，脉冲式激光测距仪是在工作时向目标射出一束或一序列短暂的脉冲激光束，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。相位法激光测距仪是利用检测发射光和反射光在空间中传播时发生的相位差来检测距离的。激光测距仪重量轻、体积小、操作简单速度快而准确，其误差仅为其它光学测距仪的五分之一到数百分之一，右图中，为典型的相位法测距仪和脉冲法测距仪图。 1.利用红外线测距或激光测距的原理 测距原理基本可以归结为测量光往返目标所需要时间，然后通过光速c =299792458m/s 和大气折射系数n 计算出距离D。由于直接测量时间比较困难，通常是测定连续波的相位，称为测相式测距仪。当然，也有脉冲式测距仪。 需要注意，测相并不是测量红外或者激光的相位，而是测量调制在红外或者激光上面的信号相位。建筑行业有一种手持式的激光测距仪，

用于房屋测量，其工作原理与此相同。 2.测物体平面必须与光线垂直 通常精密测距需要全反射棱镜配合，而房屋量测用的测距仪，直接以光滑的墙面反射测量，主要是因为距离比较近，光反射回来的信号强度够大。与此可以知道，一定要垂直，否则返回信号过于微弱将无法得到精确距离。 3.可以测物体平面为漫反射 通常也是可以的，实际工程中会采用薄塑料板作为反射面以解决漫反射严重的问题。 4.脉冲法激光测距仪娱乐级产品可以达到显示精度1米，测量精度±1米，测量级产品显示精度0.1米，测量精度±0.15米。 5.相位式激光测距仪精度可达到1毫米误差，适合各种高精度测量用途。 相位式激光测距仪是利用激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线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测线所需的时间。

相位法激光测距原理及算法详解

激光相位法测距的原理 激光相位测距中，把连续的激光进行幅度调制，调制光的光强随时间做周期性变化，测定调制光往返过程中所经过的相位变化即可求出时间和距离。 图.1 相位式激光测距原理示意图 如图1所示，设发射处与反射处（提升容器）的距离为x ，激光的速度为c ，激光往返它们之间的时间为t ，则有： c x t 2 设调制波频率为f ，从发射到接收间的相位差为 ，则有： N c fx ft 242 (2) 其中，N 为完整周期波的个数， 为不足周期波的余相位。因此可解出： )(2)22(24N N f c N f c f c x (3) 其中，f c L s 2 称为测尺或刻度，N 即是整尺数， 2 N 为余尺。 根据测得的相位移的大小，可知道N 余尺的大小。而整尺数N 必须通过选择多个合适的测尺频率才能确定，测尺频率的选择是提升容器精确定位的关键因素之一。

多尺测量方法 测量正弦信号相移的方法都无法确定相位的整周期数，即不能确定出相位变化中 2的整倍数N ，而只能测量不足 2的相位尾数 ，因此公式（2.3）中的N 值无法确定，使该式产生多个解，距离D 就不能确定。解决此缺陷的办法是选用一个较低的测尺频率s f ，使其测尺长度s L 稍大于该被测距离，这种状况下不会出现距离的多值解。但是由于测相系统的测相误差，会导致测距误差，并且选用的s L 越大则测距误差越大。因此为了得到较高的测距精度而使用较短的测尺长度，即较大的测尺频率s f ，系统的单值测定距离就相应变小。 为了解决长测程和高精度之间的矛盾，一般使用的解决办法是：当待测距离D 大于基本测尺sb L （精测测尺）时，可再使用一个或几个辅助测尺sl L （又叫粗测测尺），然后将各个测尺测得的距离值组合起来得到单一的和精确的距离信息。由此可见，用一组测尺共同对距离D 进行测量就可以解决距离的多值解，即用短尺保证精度，用长尺保证量程。这样就解决高精度和长测程的矛盾[4]。 本系统选用10米作为精尺，1000米作为粗尺，带入公式即可求得精尺频率和粗尺频率： 精尺频率 MHz L c f 1525 10 （4） 粗尺频率 kHz L c f 15021000 1000 （5） 其中，光速s m c /1038 。 上面公式计算出的只是个大概的数值，实际上光速要小于s m /1038 ，而且c 还和实际的大气条件（比如矿井温湿度、气体成分、风速等）有关，因此，这些测尺频率需要进一步调整，具体的做法是在现场标定。 混频原理及其在系统中的应用 模拟相乘混频器 混频是将信号频率由一个量值变换为另一个量值的过程。如图2.2所示，信号输入

激光测距仪基本知识讲解

激光测距仪基本知识 激光测距仪的工作原理是怎样的？激光测距仪一般采用两种方式来测量距离：脉冲法和相位法。脉冲法测距的过程是这样的：测距仪发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收，测距仪同时记录激光往返的时间。光速和往返时间的乘积的一半，就是测距仪和被测量物体之间的距离。脉冲法测量距离的精度是一般是在+/-1米左右。另外，此类测距仪的测量盲区一般是15米左右。激光测距仪的应用领域主要是那些方面？激光测距仪已经被广泛应用 激光测距仪的工作原理是怎样的？ 激光测距仪一般采用两种方式来测量距离：脉冲法和相位法。脉冲法测距的过程是这样的：测距仪发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收，测距仪同时记录激光往返的时间。光速和往返时间的乘积的一半，就是测距仪和被测量物体之间的距离。脉冲法测量距离的精度是一般是在+/- 1米左右。另外，此类测距仪的测量盲区一般是15米左右。 激光测距仪的应用领域主要是那些方面？ 激光测距仪已经被广泛应用于以下领域：电力，水利，通讯，环境，建筑，地质，警务，消防，爆破，航海，铁路，反恐/军事，农业，林业，房地产，休闲/户外运动等。 为什么激光测距仪还有所谓“安全”和“不安全”的区别？ 顾名思义，激光测距仪是用激光做为主要工作物质来进行工作的。目前，市场上的手持式激光测距仪的工作物质主要有以下几种：工作波长为905纳米和1540 纳米的半导体激光，工作波长为1064纳米的YAG激光。1064纳米

的波长对人体皮肤和眼睛是害的，特别是如果眼睛不小心接触到了1064纳米波长的激光，对眼睛的伤害可能将是永久性的。所以，在国外，手持激光测距仪中，完全取缔了1064纳米的激光。在国内，某些厂家还有生产1064纳米的激光测距仪。 对于905纳米和1540纳米的激光测距仪，我们就称之为“安全”的。对于1064纳米的激光测距仪，由于它对人体具有潜在的危害性，所以我们就称之为“不安全”的。 手持式激光测距仪激光测距原理 激光测距是光波测距中的一种测距方式，如果光以速度c在空气中传播在A、B两点间往返一次所需时间为t，则A、B两点间距离D可用下列表示。D=ct/2 式中： D——测站点A、B两点间距离； c——光在大气中传播的速度； t——光往返A、B一次所需的时间。 由上式可知，要测量A、B距离实际上是要测量光传播的时间t，根据测量时间方法的不同，激光测距仪通常可分为脉冲式和相位式两种测量形式。 相位式激光测距仪 相位式激光测距仪是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测线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测线所需的时间，如图所示。

激光测距原理及应用

激光测距原理及应用 姚治 采矿B083班 【摘要】介绍相位式激光测距仪的测距原理，以及在板带轧机和铝箔轧机上的应用。测 f变化胡正弦调节光波，光波的强度变化规律与光源的驱动距仪由激光器发出按某一频率 电源变化完全相同，发出的光波到达被测目标，通常这种测距仪都配置了被称为合作目标的反射镜，这块反射镜能把入射光输反射回去，而且保证反射光的方向与入射光的方向完全一致。 【关键词】激光；测距；相位；脉冲 一、概述 激光测距仪无论在军事应用方面，还是在科学技术、生产建设方面，都起着重要作用。由于激光波长单一，测量精度高，且激光测距仪结构小巧，安装调整方便，故激光测距仪是目前高精度测距最理想的仪器。 激光器与普通光源有显著的区别，它利用受激发射原理的激光腔的滤波效应，使所发光束具有一系列新的特点： （1）激光有小的光束发散角，即所谓的方向性好或准直性好 （2）激光的单色性好，或者说相干性好，普通灯源或太阳光都是非相干光。 （3）激光的输出功能虽然有限，但光束细，所以功率密度很高，一般的激光亮度远比太阳表面的亮度大。 二、相位式激光测距仪原理 激光测距仪的测距原理是：由激光器对被测目标发射一个光信号，然后接受目标反射回来的光信号，通过测量光信号往返经过的时间，计算出目标的距离。 设目标的距离为L，光信号往返所走过的距离即为2L， 则： t = 2L/c 即： L = ct/2 (1) 式中 c—光在空气中传播的速度 c≈3×108m/s;

t —光信号往返所经过的时间,s; L —检测目标的距离，m; 测距仪由激光器发出按某一频率0f 变化胡正弦调节光波，光波的强度变化规律与光源的驱动电源变化完全相同，发出的光波到达被测目标，通常这种测距仪都配置了被称为合作目标的反射镜，这块反射镜能把入射光输反射回去，而且保证反射光的方向与入射光的方向完全一致。在仪器的接受端获得调制光波的回波，经鉴相和光电转换后，得到与接收到的光波调制频率相位完全相同的电信号，此电信号放大后与光源的驱动电压相比，测得两个正弦电压的相位差，根据所测相位差就可算得所测距离。 假设正弦调制光波往返后相位延迟一个?角，又令激光调制频率为o ω,则光波在被测距离上往返一次所需时间t 为： t = ?/o ω 把上式代入测距公式（1）中，得到 L=c ?/o ω 而?=N ×2π+??，所以被测距离L 为： L=c(N ×2π+??)/2o ω =o L (N+??/2π) =o L (N+N ?) 式中 o L -光尺，o L =c/20f ； N ?=??/2π。 显然，只要能够测量出发射和接受光波之间的相位差，就可以确定出距离L 的数值。但目前任何测量交变相位的方法，都不能确定出相位的整周期数N ，只能测定不是2π的尾数??，由于N 值不确定，故距离L 就成为多值解。 既然相位测量可以确定被测量的尾数，那么，利用两种光尺同时测量同一量，则可以解决多值问题。系统中用两把精度都是1‰的光尺，其中一把光尺