演示文稿激光測距非常詳細

（優(yōu)選）激光測距非常詳細當前第1頁\共有70頁\編于星期四\3點主要內容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相位激光測距當前第2頁\共有70頁\編于星期四\3點激光測距的特點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：探測距離遠測距精度高抗干擾性強保密性好體積小重量輕8.1概述當前第3頁\共有70頁\編于星期四\3點激光測距儀的分類

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，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報等；3、遠程激光測距儀，它用于測量導彈、人造衛(wèi)星、月球等空間目標的距離；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間來換算出距離的，其換算公式為：當前第4頁\共有70頁\編于星期四\3點測距方法分類脈沖測距法：測距儀發(fā)出光脈沖，經被測目標反射后，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間間隔，即光脈沖在待測距離上的往返傳播時間t。脈沖法測距精度大多為米的量級；相位測距法：它是通過測量連續(xù)調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用。當前第5頁\共有70頁\編于星期四\3點一、脈沖激光測距

由激光器對被測目標發(fā)射一個光脈沖，然后接收系統(tǒng)接收目標反射回來的光脈沖，通過測量光脈沖往返的時間來算出目標的距離：

t的測量：在確定時間起始點之間用時鐘脈沖填充計數。t開始結束t=NT時鐘脈沖測程遠，精度與激光脈寬有關，普通的納秒激光測距精度在米的量級。當前第6頁\共有70頁\編于星期四\3點脈沖測距激光脈沖測距儀的簡化結構如下圖所示：激光脈沖測距儀的簡化結構當前第7頁\共有70頁\編于星期四\3點測距儀對光脈沖的要求：光脈沖應具有足夠的強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、半導體激光器。當前第8頁\共有70頁\編于星期四\3點二、連續(xù)激光相位測距

采用無線電波段的頻率對激光束進行幅度調制并測定調制光往返一次所產生的相位延遲，再根據調制光的波長，換算此相位延遲所代表的距離，即用間接方法測定出光經往返所需的時間。t短距離、高精度，精度可達毫米級。當前第9頁\共有70頁\編于星期四\3點三、衛(wèi)星激光測距

作為激光測距應用的最重要成果之一——衛(wèi)星激光測距SatelliteLaserRanging,簡稱為SLR）技術起源于二十世紀六十年代，是目前單次測距精度最高的衛(wèi)星觀測技術，其測距精度已達到毫米量級，對衛(wèi)星的測軌精度可達到1-3cm。

衛(wèi)星激光測距技術集光機電于一身,涉及計算機軟、硬件技術,光學、激光學、大地測量學、機械學、電子學、天文學、自動控制學、電子通訊等多種學科。因此SLR測距儀系統(tǒng)十分復雜,消耗較大,故障率較高,同時受天氣因素制約,維護起來也比較困難,需要花費較大的人力物力,但它又是目前精度最高的絕對觀測技術手段。當前第10頁\共有70頁\編于星期四\3點當前第11頁\共有70頁\編于星期四\3點衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)

衛(wèi)星激光測距系統(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)射部分的作用是產生峰值功率高，光束發(fā)散角小的脈沖激光，使其經過發(fā)射光學系統(tǒng)進一步準直后，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，經接收光學系統(tǒng)聚焦后，照在光電探測器的光敏面上，使光信號轉變?yōu)殡娦盘柌⒔涍^放大。信息處理部分的主要作用是進行衛(wèi)星測站預報，跟蹤衛(wèi)星，測量激光脈沖從測距系統(tǒng)到被測衛(wèi)星往返一次的時間間隔t，并準確顯示和記錄在計算機硬盤上，再由人工或自動方式形成標準格式。信息傳輸部分的作用是通過通訊網絡接收軌道預報參數和其它指令（下傳），上傳觀測結果所形成的標準格式數據等。

當前第12頁\共有70頁\編于星期四\3點衛(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)：望遠鏡轉臺分系統(tǒng)激光器分系統(tǒng)光電接收分系統(tǒng)伺服驅動控制分系統(tǒng)測距控制分系統(tǒng)微光導星分系統(tǒng)軟件分系統(tǒng)當前第13頁\共有70頁\編于星期四\3點測量原理控制機箱系統(tǒng)控制計算機激光器GPS時鐘接收機計數器伺服系統(tǒng)脈沖分配器轉臺SPAD發(fā)射望遠鏡接收望遠鏡GPS天線點火1PPS10MHz開關當前第14頁\共有70頁\編于星期四\3點當前第15頁\共有70頁\編于星期四\3點測距精度與激光脈寬測距精度是由于激光脈沖前后沿時間差造成的；因此激光脈沖寬度影響測距精度：脈寬10ns100ps10ps測距精度3m3cm3mm表：測距精度與脈寬的比較當前第16頁\共有70頁\編于星期四\3點衛(wèi)星激光測距主要指標與激光器分系統(tǒng)的關系測距精度—激光脈寬.測程（近地星、遠地星）—激光能量、發(fā)散角.回波率—激光能量、發(fā)散角、激光脈沖重復頻率.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系較大。當前第17頁\共有70頁\編于星期四\3點衛(wèi)星激光測距—激光器發(fā)展歷史第一代：1964年，調Q激光器，脈寬ns，測距精度3m；第二代：70－90年代，主被動鎖模激光器，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。當前第18頁\共有70頁\編于星期四\3點衛(wèi)星激光測距－激光器：

總的來講在其它條件相同時，發(fā)射激光的脈沖能量越高，脈寬越窄，重復率越高，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。當前第19頁\共有70頁\編于星期四\3點測距誤差分析（1）測距系統(tǒng)儀器誤差激光脈沖寬度誤差時間間隔測量誤差主波計時探測誤差回波計時探測誤差時鐘同步誤差時鐘頻率標準誤差（2）衛(wèi)星反射器誤差反射器質心修正值誤差（3）系統(tǒng)延遲測量誤差地靶距離標定誤差地靶常規(guī)標校測量誤差（4）氣象參數采集和大氣修正模型誤差當前第20頁\共有70頁\編于星期四\3點我國衛(wèi)星測距站當前第21頁\共有70頁\編于星期四\3點衛(wèi)星激光測距應用

衛(wèi)星激光測距（SatelliteLaserRanging：SLR）是隨著現(xiàn)代激光、光電子學、計算機和空間科學發(fā)展而建立起來的一門嶄新觀測技術。由于它具有獨特的測距方式和較高的測量精度,已在地學領域廣泛應用。目前,其觀測資料已可用于地球物理學、地球動力學、大地測量學、天文學和地震預報等多種學科。當前第22頁\共有70頁\編于星期四\3點

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的值是測距的關鍵。由于測量時間t的方法不同，產生了兩種測距方法：脈沖測距和相位測距。8.2脈沖激光測距

當前第23頁\共有70頁\編于星期四\3點一、激光測距方程當前第24頁\共有70頁\編于星期四\3點1、從測距儀發(fā)射的激光到達目標上的激光功率

1）對于點目標，目標面積小于激光照亮面積：

Pt——激光發(fā)射功率（W）

Tα——大氣單程透過率

Kt——發(fā)射光學系統(tǒng)透過率

At——目標面積（m2）

As——光在目標處照射的面積（m2）

2）對于擴展目標，由于目標面積大于光斑面積，所以目標有效反射面就是光斑面積：

2、激光回波在單位立體角內所含的激光功率Pe（激光在目標產生漫反射，其漫反射系數為ρ）當前第25頁\共有70頁\編于星期四\3點附注：幾個概念（1）立體角（Ω）的概念：（球面度）當前第26頁\共有70頁\編于星期四\3點（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）。當前第27頁\共有70頁\編于星期四\3點（4）“郎伯”定律：當前第28頁\共有70頁\編于星期四\3點

設光正入射到一漫反射體，設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”。設激光發(fā)射光軸與目標漫反射面法線重合，且主要反射能量集中在1rad以內（約57°）則Ω=πu2=π

式中：ρ——目標漫反射系數

Tα——大氣單程透過率當前第29頁\共有70頁\編于星期四\3點3、測距儀光接受系統(tǒng)能接受到的激光功率Pr

Pr=Pe·Ωr·Kr

Ωr——目標對光接收系統(tǒng)入瞳的張角（物方孔徑角）所對應的立體角

Kr——接收光學系統(tǒng)透過率

Ar——入瞳面積

R——目標距離（m）所以：Pr=Pe·Kr·Ar/R2……（3）當前第30頁\共有70頁\編于星期四\3點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=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α=2.66/V，（V：為大氣能見距離km）當前第31頁\共有70頁\編于星期四\3點

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：結論：

1、激光發(fā)射能量大對測距有利：當前第32頁\共有70頁\編于星期四\3點

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，這將導致:1）能耗上升，2）電磁干擾增大，3）氙燈壽命減少。當前第33頁\共有70頁\編于星期四\3點2、小的激光發(fā)散角：措施：增大擴束準直系統(tǒng)的角放大率。3、高透過率光學系統(tǒng)；4、大的接收孔徑角；5、大目標對測距有利；6、高靈敏度探測器。當前第34頁\共有70頁\編于星期四\3點二、光電讀數當前第35頁\共有70頁\編于星期四\3點

因為測距儀的最小脈沖正量δ為：令N=1

例：設fT=150MHz=1.5×108Hz，C=3×108m三、測距精度對求偏微分，

·分析ΔN產生的誤差：當前第36頁\共有70頁\編于星期四\3點（2）光電計數誤差：可產生±1個脈沖當量的誤差，且影響2次：（1）瞄準誤差當前第37頁\共有70頁\編于星期四\3點四、測距儀光學原理框圖當前第38頁\共有70頁\編于星期四\3點五、激光接收光學系統(tǒng)

（一）激光接受光學系統(tǒng)的兩種基本型式

1、出瞳探測系統(tǒng)當前第39頁\共有70頁\編于星期四\3點

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計時滿足以下關系：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，可得當前第40頁\共有70頁\編于星期四\3點2、出窗探測系統(tǒng)當前第41頁\共有70頁\編于星期四\3點（二）設計中幾個光學參數的討論1、接受物鏡相對孔徑和探測器光敏面（φ0）的關系。

當前第42頁\共有70頁\編于星期四\3點

對出窗探測系統(tǒng)，設接收物鏡口徑為D，視場角為w，在象面上光斑直徑為φ，則當w很小時，可用下式建立它們之間的關系：在出窗探測系統(tǒng)中，光敏面置于象面處，設光電探測器的光敏面為φ0，一般?。害铡?.8φ0

即2wfˊ≤0.8φ0，所以?′≤當前第43頁\共有70頁\編于星期四\3點

注意：越大，接收能量越多，但光學系統(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，需要調整系統(tǒng)參數。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。此參數趨于合理。當前第44頁\共有70頁\編于星期四\3點2、窄帶干涉濾波器與視場角W之間的矛盾如下圖，設干涉濾波器之視場角為：2W0=+5o，即W0=5o當前第45頁\共有70頁\編于星期四\3點設計時要求αmax≤[W0]例：設接收系統(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。當前第46頁\共有70頁\編于星期四\3點一、問題的提出則脈沖激光測距中最小脈沖當量的公式：可知：δ與填充時鐘脈沖的頻率fT成反比，例，設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為fT=15GHz，這將帶來三個問題：8.3多周期脈沖激光測距

當前第47頁\共有70頁\編于星期四\3點·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。設晶振填充時鐘脈沖的頻率為fT，測距儀距目標的距離為S，光脈沖經過N個周期后所走的總路程和為L，當前第48頁\共有70頁\編于星期四\3點

式中m：計數器在N個周期中所計的總晶振脈沖個數。

例：設N=150，fT=100MHz，C=3×108m/s，則當m=1時，多脈沖測量時的最小脈沖正量為：而當采用單脈沖測量時結論表明，多脈沖測量比單脈沖測量的測距精度提高了N倍。

當前第49頁\共有70頁\編于星期四\3點

（二）固定延時多周期脈沖激光測距

當測量距離很小時，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動放大電路響應速度要求太高。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）后，才觸發(fā)下一個激光脈沖。當前第50頁\共有70頁\編于星期四\3點固定延時再發(fā)射形成：再接收再延時發(fā)射接收當前第51頁\共有70頁\編于星期四\3點

這樣，可有效降低振蕩回路的頻率。具體按以下程序實施：

1．發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出光脈沖；

2．從發(fā)射時刻開始，計數器開始計數；

3．光脈沖從目標返回被接收系統(tǒng)收到回波信號后，不關閉計數器，而是經一固定延時t0后，再去觸發(fā)激光發(fā)出下一個光脈沖，同時計數計又開始計數。以形成周期振蕩信號；

4．經N個周期后，關閉計數器；

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。當前第52頁\共有70頁\編于星期四\3點

設時鐘脈沖頻率為fT，測距儀距目標距離為S，光脈沖經過N個周期后所走的總路程為L，式中m：計數計的總計數脈沖數；

m0：延時t0內計數器的計數值。例：設固定延時t0=200nS，N=150，fT=100MHz，則可算出延時脈沖個數為：當前第53頁\共有70頁\編于星期四\3點一、相位測距原理通過檢測被高頻調制的連續(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)激光經過高頻調制后成為高頻調制光，設調制頻率為fυ，如下圖所示。激光往返一周的時間t可以用調制波的整數周期數及不足一個周期的小數周數來表示。8.4相位激光測距

當前第54頁\共有70頁\編于星期四\3點當前第55頁\共有70頁\編于星期四\3點fυ——調制頻率（Hz）

N——光波往返全程中的整周期數

Δ

φ——不是一個周期的位相值

L定義為測距儀的電尺長度：等于調制波長的二分之一。則相位測距方程為：結論：因為L為已知的，所以只需測得N和ΔN即可求D。當前第56頁\共有70頁\編于星期四\3點二、相位測距的多值性在測距方程中ΔN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。但若我們預先知道所測距離在一個電尺長度L之內，即令N=0，此時，測距結果將是唯一的。其測距方程變?yōu)椋豪涸O光調制頻率為fυ=150×103Hz

則電尺長度當被測距離小于1000m時，測距值是唯一的。即在1000m以內的測距時N=0（不足一個電尺長度）當前第57頁\共有70頁\編于星期四\3點三、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：當前第58頁\共有70頁\編于星期四\3點·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。設測量主頻為?1，輔助頻率為?2=k?1（k為<1的系數，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：當前第59頁\共有70頁\編于星期四\3點

此時，L2>L1

“游標”原理：設兩頻率的光波從儀器發(fā)出時的初位相相同，則只有當D=10L1或10L1的整數倍時，兩者位相才相等。即兩個調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的末端經過若干次后又剛好重合。且在一個周期內，相位差與被測距離成正比。當前第60頁\共有70頁\編于星期四\3點當前第61頁\共有70頁\編于星期四\3點

因此，只有測量距離不大于10L1（N≤10），就可根據（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：當前第62頁\共有70頁\編于星期四\3點

上兩式相減，并以L2代入得：

式中：為可測距離的放大倍數，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。當前第63頁\共有70頁\編于星期四\3點N的確定：