激光測距(非常詳細(xì))ppt課件

1、第九講 激光測距,電子工程學(xué)院光電子技術(shù)系,主 要 內(nèi) 容,8.1 概述 8.2 脈沖激光測距 8.3 多周期脈沖激光測距 8.4 相位激光測距,激光測距的特點(diǎn),激光測距儀與其它測距儀(如微波測距儀等)相比， 具備的特點(diǎn)： 探測距離遠(yuǎn)測距精度高 抗干擾性強(qiáng) 保密性好 體積小 重量輕,8.1 概述,激光測距儀的分類,激光測距儀的分類：激光測距不同于激光測長，它的測量距離要大得多，按照測量距離可分為下述三類： 1、短程激光測距儀，它的測程僅在五公里以內(nèi)，適用于各種工程測量； 2、中長程激光測距儀，測程為五至幾十公里，適用于大地控制測量和地震預(yù)報(bào)等； 3、遠(yuǎn)程激光測距儀，它用于測量導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、月

2、球等空間目標(biāo)的距離； 激光測距是通過測量激光光束在待測距離上往返傳播的時(shí)間來換算出距離的，其換算公式為,測距方法分類,脈沖測距法：測距儀發(fā)出光脈沖，經(jīng)被測目標(biāo)反射后，光脈沖回到測距儀接收系統(tǒng)，測量其發(fā)射和接收光脈沖的時(shí)間間隔，即光脈沖在待測距離上的往返傳播時(shí)間t。脈沖法測距精度大多為米的量級(jí)； 相位測距法：它是通過測量連續(xù)調(diào)制的光波在待測距離上往返傳播所發(fā)生的相位變化，間接測量時(shí)間t。這種方法測量精度較高，因而在大地和工程測量中得到了廣泛的應(yīng)用,一、脈沖激光測距 由激光器對(duì)被測目標(biāo)發(fā)射一個(gè)光脈沖，然后接收系統(tǒng)接收目標(biāo)反射回來的光脈沖，通過測量光脈沖往返的時(shí)間來算出目標(biāo)的距離,t 的測量： 在確

3、定時(shí)間起始點(diǎn)之間用時(shí)鐘脈沖填充計(jì)數(shù),t,開始,結(jié)束,t=NT,時(shí)鐘脈沖,測程遠(yuǎn)，精度與激光脈寬有關(guān)，普通的納秒激光測距精度在米的量級(jí),脈沖測距,激光脈沖測距儀的簡化結(jié)構(gòu)如下圖所示,激光脈沖測距儀的簡化結(jié)構(gòu),測距儀對(duì)光脈沖的要求,光脈沖應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度 光脈沖的方向性要好 光脈沖的單色性要好 光脈沖的寬度要窄 用于激光測距的激光器： 紅寶石激光器、釹玻璃激光器、 二氧化碳激光器、半導(dǎo)體激光器,二、連續(xù)激光相位測距 采用無線電波段的頻率對(duì)激光束進(jìn)行幅度調(diào)制并測定調(diào)制光往返一次所產(chǎn)生的相位延遲，再根據(jù)調(diào)制光的波長，換算此相位延遲所代表的距離，即用間接方法測定出光經(jīng)往返所需的時(shí)間,t,短距離、高精度，

4、精度可達(dá)毫米級(jí),三、衛(wèi)星激光測距,作為激光測距應(yīng)用的最重要成果之一 衛(wèi)星激光測距Satellite Laser Ranging ,簡稱為 SLR）技術(shù)起源于二十世紀(jì)六十年代，是目前單次測距精度最高的衛(wèi)星觀測技術(shù)，其測距精度已達(dá)到毫米量級(jí)，對(duì)衛(wèi)星的測軌精度可達(dá)到 1-3 cm,衛(wèi)星激光測距技術(shù)集光機(jī)電于一身,涉及計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù),光學(xué)、激光學(xué)、大地測量學(xué)、機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、天文學(xué)、自動(dòng)控制學(xué)、電子通訊等多種學(xué)科。因此SLR測距儀系統(tǒng)十分復(fù)雜,消耗較大,故障率較高,同時(shí)受天氣因素制約,維護(hù)起來也比較困難,需要花費(fèi)較大的人力物力,但它又是目前精度最高的絕對(duì)觀測技術(shù)手段,衛(wèi)星激光測距系統(tǒng),衛(wèi)星激光測距

5、系統(tǒng)按照各部分用途大致分為：激光發(fā)射、激光接收、信息處理和信息傳輸四大部分。 激光發(fā)射部分的作用是產(chǎn)生峰值功率高，光束發(fā)散角小的脈沖激光，使其經(jīng)過發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)一步準(zhǔn)直后，射向所測衛(wèi)星。 激光接收部分是接收從被測衛(wèi)星反射回來的微弱激光脈沖信號(hào)，經(jīng)接收光學(xué)系統(tǒng)聚焦后，照在光電探測器的光敏面上，使光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)并經(jīng)過放大。 信息處理部分的主要作用是進(jìn)行衛(wèi)星測站預(yù)報(bào)，跟蹤衛(wèi)星，測量激光脈沖從測距系統(tǒng)到被測衛(wèi)星往返一次的時(shí)間間隔t，并準(zhǔn)確顯示和記錄在計(jì)算機(jī)硬盤上，再由人工或自動(dòng)方式形成標(biāo)準(zhǔn)格式。 信息傳輸部分的作用是通過通訊網(wǎng)絡(luò)接收軌道預(yù)報(bào)參數(shù)和其它指令（下傳），上傳觀測結(jié)果所形成的標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)等

6、,衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)組成,衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)功能分為七大分系統(tǒng)： 望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)臺(tái)分系統(tǒng) 激光器分系統(tǒng) 光電接收分系統(tǒng) 伺服驅(qū)動(dòng)控制分系統(tǒng) 測距控制分系統(tǒng) 微光導(dǎo)星分系統(tǒng) 軟件分系統(tǒng),測量原理,控,制,機(jī),箱,系,統(tǒng),控,制,計(jì),算,機(jī),激光器,GPS時(shí)鐘接收機(jī),計(jì)數(shù)器,伺服系統(tǒng),脈沖分配器,轉(zhuǎn)臺(tái),SPAD,發(fā)射望遠(yuǎn)鏡,接收望遠(yuǎn)鏡,GPS,天線,點(diǎn)火,1PPS,10MHz,開,關(guān),測距精度與激光脈寬,測距精度是由于激光脈沖前后沿時(shí)間差造成的； 因此激光脈沖寬度影響測距精度,表：測距精度與脈寬的比較,衛(wèi)星激光測距主要指標(biāo)與激光器分系統(tǒng)的關(guān)系,測距精度激光脈寬. 測程（近地星、遠(yuǎn)地星）激光能量、發(fā)散角. 回

7、波率激光能量、發(fā)散角、激光脈沖重復(fù)頻率,注：測距精度還受光電接收分系統(tǒng)的影響；回波率與天氣好壞關(guān)系較大,衛(wèi)星激光測距激光器發(fā)展歷史,第一代： 1964年，調(diào)Q激光器，脈寬ns，測距精度3m； 第二代：7090年代，主被動(dòng)鎖模激光器，脈寬100ps，測距精度3cm； 第三代：SESAM鎖模，50Hz; 第四代：SESAM鎖模，KHz，精度 1cm； 第五代：雙波長激光器，去除大氣干擾,衛(wèi)星激光測距激光器,總的來講在其它條件相同時(shí)，發(fā)射激光的脈沖能量越高，脈寬越窄，重復(fù)率越高，峰值功率越大，則系統(tǒng)的測距能力越高,千赫茲皮秒激光器為第四代衛(wèi)星激光測距之激光器。 下一代衛(wèi)星測距用激光器為雙波長激光器,

8、測距誤差分析,1） 測距系統(tǒng)儀器誤差 激光脈沖寬度誤差 時(shí)間間隔測量誤差 主波計(jì)時(shí)探測誤差 回波計(jì)時(shí)探測誤差 時(shí)鐘同步誤差 時(shí)鐘頻率標(biāo)準(zhǔn)誤差 （2） 衛(wèi)星反射器誤差 反射器質(zhì)心修正值誤差 （3） 系統(tǒng)延遲測量誤差 地靶距離標(biāo)定誤差 地靶常規(guī)標(biāo)校測量誤差 （4） 氣象參數(shù)采集和大氣修正模型誤差,我國衛(wèi)星測距站,衛(wèi)星激光測距應(yīng)用,衛(wèi)星激光測距（Satellite Laser Ranging：SLR）是隨著現(xiàn)代激光、光電子學(xué)、 計(jì)算機(jī)和空間科學(xué)發(fā)展而建立起來的一門嶄新觀測技術(shù)。由于它具有獨(dú)特的測距方式和較高的測量精度,已在地學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。目前,其觀測資料已可用于地球物理學(xué)、地球動(dòng)力學(xué)、大地測量學(xué)、

9、天文學(xué)和地震預(yù)報(bào)等多種學(xué)科,激光測距的基本公式為： c大氣中的光速 t為光波往返所需時(shí)間 由于光速極快，對(duì)于一個(gè)不太大的D來說，t是一個(gè)很小的量， 例：設(shè)D=15km，c=3105km/sec 則t=510-5sec 由測距公式可知，如何精確測量出時(shí)間t的值是測距的關(guān)鍵。由于測量時(shí)間t的方法不同，產(chǎn)生了兩種測距方法： 脈沖測距和相位測距,8.2 脈沖激光測距,一、激光測距方程,1、從測距儀發(fā)射的激光到達(dá)目標(biāo)上的激光功率 1）對(duì)于點(diǎn)目標(biāo)，目標(biāo)面積小于激光照亮面積： Pt激光發(fā)射功率（W） T大氣單程透過率 Kt發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)透過率 At目標(biāo)面積（m2） As光在目標(biāo)處照射的面積（m2） 2）對(duì)于擴(kuò)

10、展目標(biāo)，由于目標(biāo)面積大于光斑面積，所以目標(biāo)有效反射面就是光斑面積： 2、激光回波在單位立體角內(nèi)所含的激光功率Pe（激光在目標(biāo)產(chǎn)生漫反射，其漫反射系數(shù)為,附注：幾個(gè)概念 （1）立體角（）的概念：（球面度,2）一點(diǎn)光光源向三維空間幅射的立體角為： （3）一點(diǎn)光源以小孔徑角（u）幅射的立體角： 因?yàn)閡很小，可將球面以圓面積代替 注意：u為孔徑角（rad,4）“郎伯”定律,設(shè)光正入射到一漫反射體，設(shè)垂直于漫反射面反射的光強(qiáng)為IN，若向任一方向漫反射的光強(qiáng)Ii滿足下式： 即Ii=INCosi 則該漫反射體稱作“余弦幅射體”或“郎伯幅射體”。 設(shè)激光發(fā)射光軸與目標(biāo)漫反射面法線重合，且主要反射能量集中在1r

11、ad以內(nèi)（約57） 則=u2= 式中：目標(biāo)漫反射系數(shù) T大氣單程透過率,3、測距儀光接受系統(tǒng)能接受到的激光功率Pr Pr=PerKr r目標(biāo)對(duì)光接收系統(tǒng)入瞳的張角（物方孔徑角） 所對(duì)應(yīng)的立體角 Kr接收光學(xué)系統(tǒng)透過率 Ar入瞳面積 R目標(biāo)距離（m） 所以：Pr=PeKrAr/R2（3,4、測距公式 以（1）代（2）并代入（3）得：光電探測器可接收到的激光功率Pr為： 整理得：Pr=PtKtKrT2Ar/（ASR2） 式中：大氣透過率T=e-， 大氣衰減系數(shù)=2.66/V，（V：為大氣能見距離km,代入上式，整理得 以光電探測器所能探得的最小光功率Pmin代替上式中的探測功率Pr，則可得最大探測

12、距離Rmax為： 結(jié)論： 1、激光發(fā)射能量大對(duì)測距有利,若已知脈沖激光單脈沖能量E（J），和脈寬（s），則可由下式求其峰值功率Pt。 Pt=Et/ 例：對(duì)YAG激光器：已知=5ns=510-9sec， Et=10mJ=1010-3J 但增大單脈沖能量必須提閾值電壓，這將導(dǎo)致: 1）能耗上升，2）電磁干擾增大，3）氙燈壽命減少,2、小的激光發(fā)散角： 措施：增大擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)的角放大率。 3、高透過率光學(xué)系統(tǒng)； 4、大的接收孔徑角； 5、大目標(biāo)對(duì)測距有利； 6、高靈敏度探測器,二、光電讀數(shù),因?yàn)?測距儀的最小脈沖正量為： 令N=1 例：設(shè)fT=150MHz=1.5108Hz，C=3108m 三、測距

13、精度 對(duì) 求偏微分， 分析N產(chǎn)生的誤差,2）光電計(jì)數(shù)誤差： 可產(chǎn)生1個(gè)脈沖當(dāng)量的誤差，且影響2次,1）瞄準(zhǔn)誤差,四、測距儀光學(xué)原理框圖,五、激光接收光學(xué)系統(tǒng) （一）激光接受光學(xué)系統(tǒng)的兩種基本型式 1、出瞳探測系統(tǒng),場鏡的作用是減小探測器口徑，并使孔徑光欄成像在光電探測器上 設(shè)計(jì)時(shí)滿足以下關(guān)系： 式中：為橫向放大倍率，0為光電探器光敏面直徑。 解以上方程組，可得,2、出窗探測系統(tǒng),二）設(shè)計(jì)中幾個(gè)光學(xué)參數(shù)的討論 1、接受物鏡相對(duì)孔徑 和探測器光敏面（0）的關(guān)系,對(duì)出窗探測系統(tǒng)，設(shè)接收物鏡口徑為D，視場角為w，在象面上光斑直徑為，則當(dāng)w很小時(shí)，可用下式建立它們之間的關(guān)系： 在出窗探測系統(tǒng)中，光敏面置

14、于象面處，設(shè)光電探測器的光敏面為0，一般?。?.80 即2wf0.80， 所以,注意： 越大，接收能量越多，但光學(xué)系統(tǒng)象差愈難校正。 例：若取 ，雪崩二極管光敏面直徑為：0 =1mm 2W=2.9=5010-3rad， 則由上式可得D=3.2mm 此時(shí)f=16（mm） 這樣光探測系統(tǒng)顯然是不合理的，因此，需要調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)。 例如，若將探測器換為光電倍增管，并取0=20mm， 則上例中D=64mm，f=320mm。此參數(shù)趨于合理,2、窄帶干涉濾波器與視場角W之間的矛盾 如下圖，設(shè)干涉濾波器之視場角為：2W0= +5，即W0=5,設(shè)計(jì)時(shí)要求maxW0 例：設(shè)接收系統(tǒng)W=2510-3rad， 則ma

15、x=8.53W0=5 解決這個(gè)矛盾的辦法是減小接收系統(tǒng)的相對(duì)孔徑 ，或增大探測器面積,一、問題的提出 則脈沖激光測距中最小脈沖當(dāng)量的公式： 可知：與填充時(shí)鐘脈沖的頻率fT成反比， 例，設(shè)fT=150MHz，C=3108m/s 則=1m 因此在測量中，如果存在一個(gè)脈沖的誤差，則其測距誤差即為1m，這對(duì)遠(yuǎn)距離測量也許是允許的，但對(duì)近距離測量（如50m等），則誤差太大。如要求測距誤差為1cm，則要求時(shí)鐘脈沖的頻率應(yīng)為fT=15GHz，這將帶來三個(gè)問題,8.3 多周期脈沖激光測距,過高的時(shí)鐘脈沖不易獲得； 高頻電子元器件價(jià)格昂貴，穩(wěn)定性較差； 對(duì)電路的性能要求很高。 二、多周期測距原理 （一）非延時(shí)多

16、周期脈沖激光測距 通過對(duì)脈沖激光在測距儀和目標(biāo)間往返多個(gè)周期累計(jì)時(shí)間求平均來提高測距精度的方法。 設(shè)晶振填充時(shí)鐘脈沖的頻率為fT，測距儀距目標(biāo)的距離為S，光脈沖經(jīng)過N個(gè)周期后所走的總路程和為L,式中m：計(jì)數(shù)器在N個(gè)周期中所計(jì)的總晶振脈沖個(gè)數(shù)。 例：設(shè)N=150，fT=100MHz，C=3108m/s，則當(dāng)m=1時(shí)，多脈沖測量時(shí)的最小脈沖正量為： 而當(dāng)采用單脈沖測量時(shí) 結(jié)論表明，多脈沖測量比單脈沖測量的測距精度提高了N倍,二）固定延時(shí)多周期脈沖激光測距 當(dāng)測量距離很小時(shí)，則由“發(fā)射接收再發(fā)射”過程中所形成的振蕩回路的頻率就很高。 例：當(dāng)S=1.5m時(shí)，測量一次（光脈沖往返一次）所需時(shí)間 所以其振

17、蕩回路的頻率為 如此高的振蕩頻率對(duì)驅(qū)動(dòng)放大電路響應(yīng)速度要求太高。 解決方法：在儀器接收到回波脈沖信號(hào)時(shí)，不馬上觸發(fā)下一個(gè)激光脈沖，而是增加一個(gè)固定的延時(shí)t0= m0/fT（m0為延時(shí)的時(shí)鐘脈沖數(shù)）后，才觸發(fā)下一個(gè)激光脈沖,固定延時(shí),再發(fā)射,形成,再接收,再延時(shí),發(fā) 射,接 收,這樣，可有效降低振蕩回路的頻率。 具體按以下程序?qū)嵤?1發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出光脈沖； 2從發(fā)射時(shí)刻開始，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)； 3光脈沖從目標(biāo)返回被接收系統(tǒng)收到回波信號(hào)后，不關(guān)閉計(jì)數(shù)器，而是經(jīng)一固定延時(shí)t0后，再去觸發(fā)激光發(fā)出下一個(gè)光脈沖，同時(shí)計(jì)數(shù)計(jì)又開始計(jì)數(shù)。以形成周期振蕩信號(hào)； 4經(jīng)N個(gè)周期后，關(guān)閉計(jì)數(shù)器； 5將N個(gè)周期測量的總

18、時(shí)間t減去N個(gè)周期延時(shí)的時(shí)間N t0的值取平均值，就可得到光脈沖往返一次所需的時(shí)間。 6將該時(shí)間代入測距公式后可得所測距離,設(shè)時(shí)鐘脈沖頻率為fT，測距儀距目標(biāo)距離為S，光脈沖經(jīng)過N個(gè)周期后所走的總路程為L， 式中m：計(jì)數(shù)計(jì)的總計(jì)數(shù)脈沖數(shù)； m0：延時(shí)t0內(nèi)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值。 例：設(shè)固定延時(shí)t0=200nS，N=150，fT=100MHz，則可算出延時(shí)脈沖個(gè)數(shù)為,一、相位測距原理 通過檢測被高頻調(diào)制的連續(xù)激光往返后和初始信號(hào)的相位差可使測距精度大大提高。 連續(xù)激光經(jīng)過高頻調(diào)制后成為高頻調(diào)制光，設(shè)調(diào)制頻率為f，如下圖所示。 激光往返一周的時(shí)間t可以用調(diào)制波的整數(shù)周期數(shù)及不足一個(gè)周期的小數(shù)周數(shù)來表示,

19、8.4 相位激光測距,f調(diào)制頻率（Hz） N光波往返全程中的整周期數(shù) 不是一個(gè)周期的位相值 L定義為測距儀的電尺長度：等于調(diào)制波長的二分之一。 則相位測距方程為： 結(jié)論：因?yàn)長為已知的，所以只需測得N和N即可求D,二、相位測距的多值性 在測距方程中N是可以通過儀器測得的，但不能測得N值，因此，以上方程存在多值解，即存在測距的多值性。但若我們預(yù)先知道所測距離在一個(gè)電尺長度L之內(nèi)，即令N=0，此時(shí)，測距結(jié)果將是唯一的。 其測距方程變?yōu)椋?例：設(shè)光調(diào)制頻率為f=150103Hz 則電尺長度 當(dāng)被測距離小于1000m時(shí)，測距值是唯一的。 即在1000m以內(nèi)的測距時(shí)N=0（不足一個(gè)電尺長度,三、相位測距

20、精度 將 兩邊微分后，取有限微量， 其中 為相對(duì)測相精度（一般1/1000可比較容易做到的） 例如，對(duì)上例而言， 即此時(shí)測距精度可達(dá)1m。 從上式可以看出D與調(diào)制頻率f成反比，即欲提高儀器的測距精度(即使D減少)，則須提高調(diào)制頻率fv.而由電尺長度公式可知,此時(shí)可測距離減少。因此在測相精度受限的情況下，存在以下矛盾,若想得到大的測量距離則測距精度不高 若想得到高的測量精度（電尺長度短），則測量距離受限制。 如何解決這個(gè)矛盾呢？ 四、雙頻率相位激光測距 即設(shè)置若干個(gè)測量頻率進(jìn)行測量，現(xiàn)以兩個(gè)頻率為例加以說明。 設(shè)測量主頻為1，輔助頻率為2=k 1（k為1的系數(shù)，如0.9=k） 顯然，此時(shí)在儀器中存在2個(gè)電尺長度，他們分別為,此時(shí)，L2L1 “游標(biāo)”原理： 設(shè)兩頻率的光波從儀器發(fā)出時(shí)的初位相相同， 則只有當(dāng)D=10L1或10L1的整數(shù)倍時(shí)，兩者位相才相等。即兩個(gè)調(diào)制頻率的相位差第二次等于0時(shí)，兩個(gè)頻率的電尺長度L1和L2的末端經(jīng)過若干次后又剛好重合。且在一個(gè)周期內(nèi)，相位差與被測距離成正比,因此，只有測量距離不大于10L1