激光測距原理課件

第九章激光測距激光測距的基本公式為：

c——大氣中的光速t——為光波往返所需時間由于光速極快，對于一個不太大的D來說，t是一個很小的量，例：設(shè)D=15km，c=3×105km/sec則t=5×10-5sec由測距公式可知，如何精確測量出時間t的值是測距的關(guān)鍵。由于測量時間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。第九章激光測距激光測距的基本公式為：1一、激光測距方程（圖9-1）§9-1脈沖激光測距

圖9-1一、激光測距方程（圖9-1）§9-1脈沖激光測距圖921、從測距儀發(fā)射的激光到達目標(biāo)上的激光功率

Pt——激光發(fā)射功率（W）Tα——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）欲使激光能量充分利用，則要求At≤As，此時但當(dāng)At<As時，≤12、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ρ）1、從測距儀發(fā)射的激光到達目標(biāo)上的激光功率3附注：幾個概念（1）*立體角（Ω）的概念：（如圖9-2）（球面度）圖9-2附注：幾個概念圖9-24（2）一點光光源向三維空間幅射的立體角為：（3）一點光源以小孔徑角（u）幅射的立體角ω：因為u很小，可將球面以圓面積代替注意：u為孔徑角（rad）。（2）一點光光源向三維空間幅射的立體角為：5（4）“郎伯”定律：（如圖9-3）圖9-3（4）“郎伯”定律：（如圖9-3）圖9-36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為IN，若向任一方向漫反射的光強Ii滿足下式：即Ii=IN·Cosi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1rad以內(nèi)（約57°）則Ω=πu2=π式中：ρ——目標(biāo)漫反射系數(shù)Tα——大氣單程透過率設(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為73、測距儀光接受系統(tǒng)能接受到的激光功率PrPr=Pe·Ωr·KrΩr——目標(biāo)對光接收系統(tǒng)入瞳的張角（物方孔徑角）所對應(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=Pe·Kr·Ar/R2……（3）3、測距儀光接受系統(tǒng)能接受到的激光功率Pr84、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=Pt·Kt·ρ·Kr·Tα2·Ar/（AS·π·R2）式中：大氣透過率Tα=e-α，大氣衰減系數(shù)α=2.66/V，（V：為大氣能見距離km）4、測距公式9

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，則可得最大探測距離Rmax為：結(jié)論：1、激光發(fā)射能量大對測距有利：

10若已知脈沖激光單脈沖能量E（J），和脈寬τ（s），則可由下式求其峰值功率Pt。Pt=Et/τ例：對YAG激光器：已知τ=5ns=5×10-9sec，Et=10mJ=10×10-3J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。

若已知脈沖激光單脈沖能量E（J），和脈寬τ（s），則112、小的激光發(fā)散角：措施：增大擴束準(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)對測距有利；6、高靈敏度探測器。2、小的激光發(fā)散角：12二、光電讀數(shù)（圖9-4）

圖9-4二、光電讀數(shù)（圖9-4）圖9-413因為測距儀的最小脈沖正量δ為：令N=1例：設(shè)fT=150MHz=1.5×108Hz，C=3×108m三、測距精度對求偏微分，·分析ΔN產(chǎn)生的誤差：因為14（2）光電計數(shù)誤差：可產(chǎn)生±1個脈沖當(dāng)量的誤差，且影響2次：（1）瞄準(zhǔn)誤差（圖9-5）圖9-5（2）光電計數(shù)誤差：（1）瞄準(zhǔn)誤差（圖9-5）圖9-515四、測距儀光學(xué)原理框圖（圖9-6）

圖9-6四、測距儀光學(xué)原理框圖（圖9-6）圖9-616五、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)（圖9-7）圖9-7五、激光接收光學(xué)系統(tǒng)圖9-717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)計時滿足以下關(guān)系：式中：β為橫向放大倍率，φ0為光電探器光敏面直徑。解以上方程組，可得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182、出窗探測系統(tǒng)（圖9-8）圖9-82、出窗探測系統(tǒng)（圖9-8）圖9-819（二）設(shè)計中幾個光學(xué)參數(shù)的討論1、接受物鏡相對孔徑和探測器光敏面（φ0）的關(guān)系。圖9-9（二）設(shè)計中幾個光學(xué)參數(shù)的討論圖9-920對如圖9-9所示的出窗探測系統(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φ，則當(dāng)w很小時，可用下式建立它們之間的關(guān)系：在出窗探測系統(tǒng)中，光敏面置于象面處，設(shè)光電探測器的光敏面為φ0，一般?。害铡?.8φ0即2wfˊ≤0.8φ0，所以?′≤對如圖9-9所示的出窗探測系統(tǒng)，設(shè)接收物鏡口徑為D，21

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：φ0=1mm2W=2.9°=50×10-3rad，則由上式可得D=3.2mm此時fˊ=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φ0=20mm，則上例中D=64mm，fˊ=320mm。此參數(shù)趨于合理。

222、窄帶干涉濾波器與視場角W之間的矛盾如圖9-10，設(shè)干涉濾波器之視場角為：2W0=+5o，即W0=5o圖9-102、窄帶干涉濾波器與視場角W之間的矛盾圖9-1023設(shè)計時要求αmax≤[W0]例：設(shè)接收系統(tǒng)W=25×10-3rad，則αmax=8.53°>W0=5°解決這個矛盾的辦法是減小接收系統(tǒng)的相對孔徑，或增大探測器面積。激光測距原理課件24一、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：δ與填充時鐘脈沖的頻率fT成反比，例，設(shè)fT=150MHz，C=3×108m/s則δ=1m因此在測量中，如果存在一個脈沖的誤差，則其測距誤差即為1m，這對遠距離測量也許是允許的，但對近距離測量（如50m等），則誤差太大。如要求測距誤差為1cm，則要求時鐘脈沖的頻率應(yīng)為fT=15GHz，這將帶來三個問題：§9-2多周期脈沖激光測距

一、問題的提出§9-2多周期脈沖激光測距25·過高的時鐘脈沖不易獲得；·高頻電子元器件價格昂貴，穩(wěn)定性較差；

·對電路的性能要求很高。二、多周期測距原理

（一）非延時多周期脈沖激光測距

通過對脈沖激光在測距儀和目標(biāo)間往返多個周期累計時間求平均來提高測距精度的方法。設(shè)晶振填充時鐘脈沖的頻率為fT，測距儀距目標(biāo)的距離為S，光脈沖經(jīng)過N個周期后所走的總路程和為L，·過高的時鐘脈沖不易獲得；26

式中m：計數(shù)器在N個周期中所計的總晶振脈沖個數(shù)。

例：設(shè)N=150，fT=100MHz，C=3×108m/s，則當(dāng)m=1時，多脈沖測量時的最小脈沖正量為：而當(dāng)采用單脈沖測量時結(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。

27（二）固定延時多周期脈沖激光測距

當(dāng)測量距離很小時，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，測量一次（光脈沖往返一次）所需時間

所以其振蕩回路的頻率為如此高的振蕩頻率對驅(qū)動放大電路響應(yīng)速度要求太高。解決方法：在儀器接收到回波脈沖信號時，不馬上觸發(fā)下一個激光脈沖，而是增加一個固定的延時t0=m0/fT（m0為延時的時鐘脈沖數(shù)）后，才觸發(fā)下一個激光脈沖。（二）固定延時多周期脈沖激光測距28這樣，可有效降低振蕩回路的頻率。具體按以下程序?qū)嵤?．發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出光脈沖；2．從發(fā)射時刻開始，計數(shù)器開始計數(shù)；3．光脈沖從目標(biāo)返回被接收系統(tǒng)收到回波信號后，不關(guān)閉計數(shù)器，而是經(jīng)一固定延時t0后，再去觸發(fā)激光發(fā)出下一個光脈沖，同時計數(shù)計又開始計數(shù)。以形成周期振蕩信號；4．經(jīng)N個周期后，關(guān)閉計數(shù)器；5．將N個周期測量的總時間t減去N個周期延時的時間Nt0的值取平均值，就可得到光脈沖往返一次所需的時間。6．將該時間代入測距公式后可得所測距離。固定延時再發(fā)射形成：再接收再延時發(fā)射接收這樣，可有效降低振蕩回路的頻率。固定延時再發(fā)射形成：29設(shè)時鐘脈沖頻率為fT，測距儀距目標(biāo)距離為S，光脈沖經(jīng)過N個周期后所走的總路程為L，式中m：計數(shù)計的總計數(shù)脈沖數(shù)；m0：延時t0內(nèi)計數(shù)器的計數(shù)值。例：設(shè)固定延時t0=200nS，N=150，fT=100MHz，則可算出延時脈沖個數(shù)為：設(shè)時鐘脈沖頻率為fT，測距儀距目標(biāo)距離為S，光脈沖經(jīng)30一、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fυ，如圖9-11所示。激光往返一周的時間t可以用調(diào)制波的整數(shù)周期數(shù)及不足一個周期的小數(shù)周數(shù)來表示。§9-3相位激光測距

一、相位測距原理§9-3相位激光測距31圖9-11圖9-1132fυ——調(diào)制頻率（Hz）N——光波往返全程中的整周期數(shù)

Δ

φ——不是一個周期的位相值

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：因為L為已知的，所以只需測得N和ΔN即可求D。激光測距原理課件33二、相位測距的多值性

在測距方程中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電尺長度L之內(nèi)，即令N=0，此時，測距結(jié)果將是唯一的。其測距方程變?yōu)椋豪涸O(shè)光調(diào)制頻率為fυ=150×103Hz則電尺長度當(dāng)被測距離小于1000m時，測距值是唯一的。即在1000m以內(nèi)的測距時N=0（不足一個電尺長度）二、相位測距的多值性34三、相位測距精度

將兩邊微分后，取有限微量，其中為相對測相精度（一般1/1000可比較容易做到的）例如，對上例而言，即此時測距精度可達1m。從上式可以看出ΔD與調(diào)制頻率fυ成反比，即欲提高儀器的測距精度(即使ΔD減少)，則須提高調(diào)制頻率fv.而由電尺長度公式可知,此時可測距離減少。因此在測相精度受限的情況下，存在以下矛盾：三、相位測距精度35·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。如何解決這個矛盾呢？四、雙頻率相位激光測距

即設(shè)置若干個測量頻率進行測量，現(xiàn)以兩個頻率為例加以說明。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，此時在儀器中存在2個電尺長度，他們分別為：·若想得到大的測量距離→則測距精度不高36此時，L2>L1

“游標(biāo)”原理：設(shè)兩頻率的光波從儀器發(fā)出時的初位相相同，則只有當(dāng)D=10L1或10L1的整數(shù)倍時，兩者位相才相等。即兩個調(diào)制頻率的相位差第二次等于0時，兩個頻率的電尺長度L1和L2的末端經(jīng)過若干次后又剛好重合。且在一個周期內(nèi)，相位差與被測距離成正比。（圖9-12）激光測距原理課件37圖9-12圖9-1238因此，只有測量距離不大于10L1（N≤10），就可根據(jù)（Δφ1-Δφ2）的值來確定N和距離D。采用兩個頻率測距時的測距方程：因此，只有測量距離不大于10L1（N≤10），就可根39上兩式相減，并以L2代入得：

式中：為可測距離的放大倍數(shù)，為新的電尺長度。對上例：，即將電尺長度放大了10倍，或者說在儀器測相精度不變的條件下，可測距離擴大了10倍，即Dmax=10L1。上兩式相減，并以L2代入得：40N的確定：（圖9-12）N的確定：（圖9-12）41結(jié)論：1、采用兩個頻率，能使最大可測量距離增大倍倍，（f2=Kf1）；2、當(dāng)時，采用計算D值；3、當(dāng)時，采用計算D值；4、可采用多個頻率進行測量。如取結(jié)論：42例：設(shè)測量儀器的分辨率為0.01m，最大可測距離為100m，測相精度為，采用2個頻率測量，設(shè)計L1·L2及f1，f2。（1）求L1：所以：L1=10m（2）求測距放大倍率：（3）求K：由例：設(shè)測量儀器的分辨率為0.01m，最大可測距離為143（4）求L2：（5）求f1和f2（4）求L2：44（二）第二方案：采用一個精頻：如f1=15MHz，相應(yīng)L1=10m，和一個粗頻：如f2=150KHz，相應(yīng)L1=1000m，粗尺確定（1-1000）m的距離，電尺長度為1000m，（測量精度為1m），精尺確定（0.01-10）m的距離，電尺長度為10m，（測量精度為0.01m）。注：測相精度為1/1000。該方案既擴大了可測距離，又提高了測量精度。（二）第二方案：采用一個精頻：如f1=15MHz，相45三、相位差的測量

1、移相法：通過移相器改變參考信號的位相使之與測距信號位相一致即可得相位差值Δφ。2、脈沖填充法：將參考信號與測距信號的正弦波整形成方波，微分后觸發(fā)計數(shù)器并在開、關(guān)門之間填充晶振脈沖，從而得到位相差值。（圖9-13）

三、相位差的測量46圖9-13四、相位測距儀的光學(xué)系統(tǒng)

和激光脈沖測距儀原理基本相同，但需設(shè)置角偶反射器（角錐鏡、三面直角棱鏡）。圖9-13四、相位測距儀的光學(xué)系統(tǒng)47第九章激光測距激光測距的基本公式為：

c——大氣中的光速t——為光波往返所需時間由于光速極快，對于一個不太大的D來說，t是一個很小的量，例：設(shè)D=15km，c=3×105km/sec則t=5×10-5sec由測距公式可知，如何精確測量出時間t的值是測距的關(guān)鍵。由于測量時間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。第九章激光測距激光測距的基本公式為：48一、激光測距方程（圖9-1）§9-1脈沖激光測距

圖9-1一、激光測距方程（圖9-1）§9-1脈沖激光測距圖9491、從測距儀發(fā)射的激光到達目標(biāo)上的激光功率

Pt——激光發(fā)射功率（W）Tα——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）欲使激光能量充分利用，則要求At≤As，此時但當(dāng)At<As時，≤12、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ρ）1、從測距儀發(fā)射的激光到達目標(biāo)上的激光功率50附注：幾個概念（1）*立體角（Ω）的概念：（如圖9-2）（球面度）圖9-2附注：幾個概念圖9-251（2）一點光光源向三維空間幅射的立體角為：（3）一點光源以小孔徑角（u）幅射的立體角ω：因為u很小，可將球面以圓面積代替注意：u為孔徑角（rad）。（2）一點光光源向三維空間幅射的立體角為：52（4）“郎伯”定律：（如圖9-3）圖9-3（4）“郎伯”定律：（如圖9-3）圖9-353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為IN，若向任一方向漫反射的光強Ii滿足下式：即Ii=IN·Cosi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1rad以內(nèi)（約57°）則Ω=πu2=π式中：ρ——目標(biāo)漫反射系數(shù)Tα——大氣單程透過率設(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為543、測距儀光接受系統(tǒng)能接受到的激光功率PrPr=Pe·Ωr·KrΩr——目標(biāo)對光接收系統(tǒng)入瞳的張角（物方孔徑角）所對應(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=Pe·Kr·Ar/R2……（3）3、測距儀光接受系統(tǒng)能接受到的激光功率Pr554、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=Pt·Kt·ρ·Kr·Tα2·Ar/（AS·π·R2）式中：大氣透過率Tα=e-α，大氣衰減系數(shù)α=2.66/V，（V：為大氣能見距離km）4、測距公式56

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，則可得最大探測距離Rmax為：結(jié)論：1、激光發(fā)射能量大對測距有利：

57若已知脈沖激光單脈沖能量E（J），和脈寬τ（s），則可由下式求其峰值功率Pt。Pt=Et/τ例：對YAG激光器：已知τ=5ns=5×10-9sec，Et=10mJ=10×10-3J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。

若已知脈沖激光單脈沖能量E（J），和脈寬τ（s），則582、小的激光發(fā)散角：措施：增大擴束準(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)對測距有利；6、高靈敏度探測器。2、小的激光發(fā)散角：59二、光電讀數(shù)（圖9-4）

圖9-4二、光電讀數(shù)（圖9-4）圖9-460因為測距儀的最小脈沖正量δ為：令N=1例：設(shè)fT=150MHz=1.5×108Hz，C=3×108m三、測距精度對求偏微分，·分析ΔN產(chǎn)生的誤差：因為61（2）光電計數(shù)誤差：可產(chǎn)生±1個脈沖當(dāng)量的誤差，且影響2次：（1）瞄準(zhǔn)誤差（圖9-5）圖9-5（2）光電計數(shù)誤差：（1）瞄準(zhǔn)誤差（圖9-5）圖9-562四、測距儀光學(xué)原理框圖（圖9-6）

圖9-6四、測距儀光學(xué)原理框圖（圖9-6）圖9-663五、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)（圖9-7）圖9-7五、激光接收光學(xué)系統(tǒng)圖9-764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)計時滿足以下關(guān)系：式中：β為橫向放大倍率，φ0為光電探器光敏面直徑。解以上方程組，可得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652、出窗探測系統(tǒng)（圖9-8）圖9-82、出窗探測系統(tǒng)（圖9-8）圖9-866（二）設(shè)計中幾個光學(xué)參數(shù)的討論1、接受物鏡相對孔徑和探測器光敏面（φ0）的關(guān)系。圖9-9（二）設(shè)計中幾個光學(xué)參數(shù)的討論圖9-967對如圖9-9所示的出窗探測系統(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φ，則當(dāng)w很小時，可用下式建立它們之間的關(guān)系：在出窗探測系統(tǒng)中，光敏面置于象面處，設(shè)光電探測器的光敏面為φ0，一般?。害铡?.8φ0即2wfˊ≤0.8φ0，所以?′≤對如圖9-9所示的出窗探測系統(tǒng)，設(shè)接收物鏡口徑為D，68

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：φ0=1mm2W=2.9°=50×10-3rad，則由上式可得D=3.2mm此時fˊ=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φ0=20mm，則上例中D=64mm，fˊ=320mm。此參數(shù)趨于合理。

692、窄帶干涉濾波器與視場角W之間的矛盾如圖9-10，設(shè)干涉濾波器之視場角為：2W0=+5o，即W0=5o圖9-102、窄帶干涉濾波器與視場角W之間的矛盾圖9-1070設(shè)計時要求αmax≤[W0]例：設(shè)接收系統(tǒng)W=25×10-3rad，則αmax=8.53°>W0=5°解決這個矛盾的辦法是減小接收系統(tǒng)的相對孔徑，或增大探測器面積。激光測距原理課件71一、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：δ與填充時鐘脈沖的頻率fT成反比，例，設(shè)fT=150MHz，C=3×108m/s則δ=1m因此在測量中，如果存在一個脈沖的誤差，則其測距誤差即為1m，這對遠距離測量也許是允許的，但對近距離測量（如50m等），則誤差太大。如要求測距誤差為1cm，則要求時鐘脈沖的頻率應(yīng)為fT=15GHz，這將帶來三個問題：§9-2多周期脈沖激光測距

一、問題的提出§9-2多周期脈沖激光測距72·過高的時鐘脈沖不易獲得；·高頻電子元器件價格昂貴，穩(wěn)定性較差；

·對電路的性能要求很高。二、多周期測距原理

（一）非延時多周期脈沖激光測距

通過對脈沖激光在測距儀和目標(biāo)間往返多個周期累計時間求平均來提高測距精度的方法。設(shè)晶振填充時鐘脈沖的頻率為fT，測距儀距目標(biāo)的距離為S，光脈沖經(jīng)過N個周期后所走的總路程和為L，·過高的時鐘脈沖不易獲得；73

式中m：計數(shù)器在N個周期中所計的總晶振脈沖個數(shù)。

例：設(shè)N=150，fT=100MHz，C=3×108m/s，則當(dāng)m=1時，多脈沖測量時的最小脈沖正量為：而當(dāng)采用單脈沖測量時結(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。

74（二）固定延時多周期脈沖激光測距

當(dāng)測量距離很小時，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，測量一次（光脈沖往返一次）所需時間

所以其振蕩回路的頻率為如此高的振蕩頻率對驅(qū)動放大電路響應(yīng)速度要求太高。解決方法：在儀器接收到回波脈沖信號時，不馬上觸發(fā)下一個激光脈沖，而是增加一個固定的延時t0=m0/fT（m0為延時的時鐘脈沖數(shù)）后，才觸發(fā)下一個激光脈沖。（二）固定延時多周期脈沖激光測距75這樣，可有效降低振蕩回路的頻率。具體按以下程序?qū)嵤?．發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出光脈沖；2．從發(fā)射時刻開始，計數(shù)器開始計數(shù)；3．光脈沖從目標(biāo)返回被接收系統(tǒng)收到回波信號后，不關(guān)閉計數(shù)器，而是經(jīng)一固定延時t0后，再去觸發(fā)激光發(fā)出下一個光脈沖，同時計數(shù)計又開始計數(shù)。以形成周期振蕩信號；4．經(jīng)N個周期后，關(guān)閉計數(shù)器；5．將N個周期測量的總時間t減去N個周期延時的時間Nt0的值取平均值，就可得到光脈沖往返一次所需的時間。6．將該時間代入測距公式后可得所測距離。固定延時再發(fā)射形成：再接收再延時發(fā)射接收這樣，可有效降低振蕩回路的頻率。固定延時再發(fā)射形成：76設(shè)時鐘脈沖頻率為fT，測距儀距目標(biāo)距離為S，光脈沖經(jīng)過N個周期后所走的總路程為L，式中m：計數(shù)計的總計數(shù)脈沖數(shù)；m0：延時t0內(nèi)計數(shù)器的計數(shù)值。例：設(shè)固定延時t0=200nS，N=150，fT=100MHz，則可算出延時脈沖個數(shù)為：設(shè)時鐘脈沖頻率為fT，測距儀距目標(biāo)距離為S，光脈沖經(jīng)77一、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fυ，如圖9-11所示。激光往返一周的時間t可以用調(diào)制波的整數(shù)周期數(shù)及不足一個周期的小數(shù)周數(shù)來表示?！?-3相位激光測距

一、相位測距原理§9-3相位激光測距78圖9-11圖9-1179fυ——調(diào)制頻率（Hz）N——光波往返全程中的整周期數(shù)

Δ

φ——不是一個周期的位相值

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：因為L為已知的，所以只需測得N和ΔN即可求D。激光測距原理課件80二、相位測距的多值性

在測距方程中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電尺長度L之內(nèi)，即令N=0，此時，測距結(jié)果將是唯一的。其測距方程變?yōu)椋豪涸O(shè)光調(diào)制頻率為fυ=150×103Hz則電尺長度當(dāng)被測距離小于1000m時，測距值是唯一的。即在1000m以內(nèi)的測距時N=0（不足一個電尺長度）二、相位測距的多值性81三、相位測距精度

將兩邊微分后，取有限微量，其中為相對測相精度（一般1/1000可比較容易做到的）例如，對上例而言，即此時測距精度可達1m。從上式可以看出ΔD與調(diào)制頻率fυ成反比，即欲提高儀器的測距精度(即使ΔD減少)，則須提高調(diào)制頻率fv.而由電尺長度公式可知,此時可測距離減少。因此在測相精度受限的情況下，存在以下矛盾：三、相位測距精度82·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。如何解決這個矛盾呢？四、雙頻率相位激光測距

即設(shè)置若干個測量頻率進行測量，現(xiàn)以兩個頻率為例加以說明。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，此時在儀器中存在2個電尺長度，他們分別為：·若想得到大的測量距離→則測距精度不高83此時，L2>L1

“游標(biāo)”原理：設(shè)兩頻率的光波從儀器發(fā)出時的初位相相同，則只有當(dāng)D=10L1或10L1的整數(shù)倍時，兩者位相才相等。即兩個調(diào)制頻率的相位差第二次等于0時，兩個頻率的電尺長度L1和L2的末端經(jīng)過若干次后又剛好重合。