激光测距技术

激光技术对光电测距仪的发展起到了极大的推动作用。激光测距仪利用激光作为测距仪的光源，使得测距仪在测距精度和测距量程方面有了很大的提高，而且打破了测量的时间限制。由于激光的单色性和方向性好，有利于提高测距准确度、缩小光学系统孔径，从而减小和减轻测量仪器的体积和质量。激光测距仪与计算机的结合促进了激光测距的自动化和数字显示。

激光测距的基本原理是：由激光器对被测目标发射一个光脉冲，然后接收系统接收目标反射回来的光脉冲，由此得出光在待测距离上往返传播的时间，换算后即可得到待测距离L。其计算式为

L＝ct／2 　（9－1）

式中：c为光速；t为激光在待测距离上往返传播的时间。

按照检测时间t的方法不同，激光测距技术通常有激光相位测距和脉冲激光测距两种。

9.1.1 激光相位测距

1.激光相位测距原理

相位测距是通过对光的强度进行调制来实现的。设调制频率为f，调制波形如图9－1所示，波长λ＝c／f，其中c为光速。光波从A点传播到B点的相移φ可表示为

图9－1 相位的调制波形

φ＝2mπ＋Δφ＝2π（m＋Δm） （m＝0，1，2，…）　（9－2）

式中：Δm＝。若光从A点传到B点所用时间为t，则A和B两点之间的距离为

式（9－3）为激光相位测距公式。只要求出光波相移φ中周期2π的整数倍数m和余数Δm，便可求出被测距离L。所以，调制光波的波长是相位测距的一把“光尺”。

实际上，用一台测距仪直接测量A、B两点光波传播的相移是不可能的。因此，在B点设置一个反射器（即测量靶标），使从测距仪发出的光波经靶标反射后再返回测距仪，由测距仪的测相系统对光波往返一次的相位变化进行测量。图9－2所示为光波传播2L距离后相位变化示意图。为分析方便，假设测距仪的接收系统置于A′点（实际上测距仪的发射和接收系统都在A点），并且有AB＝BA′，AA′＝2L，由式（9－3）可得

图9－2 传播2L后的光波相位变化

2L＝λ（m＋Δm）

则

式中：Ls为半波长度，Ls＝λ／2。这时，Ls为度量距离的光尺。

利用相位测量技术只能测量出不足2π的相位尾数Δφ，即只能确定余数Δm＝，而不能确定相位的整周期数m。因此，当被测距离L大于Ls时，用一把光尺是无法测定距离的。当距离小于Ls时，即m＝0时，可确定距离为

由此可知，如果被测距离较长，可降低调制频率，使得Ls＞L，即可确定距离L。但由于测相系统存在测相偏差，增大Ls会使测距的标准不确定度增大。

为能实现长距离高准确度测量，可同时使用Ls不同的几种光尺。最短的光尺用于保证必要的测距准确度，最长的光尺用于保证测距仪的量程。

目前采用的测距技术主要有直接测尺频率和间接测尺频率两种。

2.激光相位测距技术

1）直接测尺频率

由测尺长度Ls可得光尺的调制频率为

此时所选的测尺频率fs直接和测尺长度Ls相对应，即测尺长度直接由测尺频率决定，所以这种测量方式称为直接测尺频率。如果测距仪的测程为100km，要求精确到0.01m，相位测量系统的测量不确定度为0.1％，则需要三把光尺，即Ls1＝105m，Ls2＝103m，Ls3＝10m，相应的光调制频率分别为fs1＝1.5k Hz，fs2＝150k Hz，fs3＝15MHz。显然，要求相位测量系统在这么宽的频带内都保证0.1％的测量不确定度很难做到。所以，直接测尺频率一般应用于短程测距，如Ga As半导体激光短程相位测距。

2）间接测尺频率

在实际测量中，由于测程要求较大，大都采用间接测尺频率方式。若用两个调制频率分别为fs1和fs2的光尺测量同一距离L，由式（9－4）可得

L＝Ls1（m1＋Δm1） 　（9－7）

L＝Ls2（m2＋Δm2） 　（9－8）

由以上两式可得

式中：Ls＝，其中fs＝fs1－fs2，m＝m1－m2，Δm＝Δm1－Δm2＝Δφ／（2π），Δφ＝Δφ1－Δφ2。

式（9－9）中，Ls是一个新的测尺长度，fs是与Ls对应的新的测尺频率。这样，用频率为fs1和fs2的光尺分别测量某一距离时，所得相位尾数Δφ1和Δφ2之差，与用频率为fs1和fs2的差频频率fs＝fs1－fs2的光尺测量该距离时的相位尾数Δφ相等。这是间接测尺频率法测距的基本原理，即通过fs1和fs2频率的相位尾数及其差值来间接测定相应的差频频率的相位尾数。通常把fs1和fs2称为间接测尺频率，而把差频频率称为相当测尺频率。表9－1列出了间接测尺频率、相当测尺频率、相对应的测尺长度（Ls）和测距不确定度。

表9－1 间接测尺频率、相当测尺频率、相对应的测尺长度和测距不确定度

由表9－1可知，这种测距方式下各间接测尺频率非常接近，最高频率和最低频率之差仅为1.5MHz，五个间接测尺频率都集中在较窄的频率范围内，故间接测尺频率又称为集中测尺频率。这样不仅可使放大器和调制器获得相接近的增益和相位稳定性，而且各相对应的石英晶体也可统一。

3.相位测量技术

相位测量一般采用差频测相技术。差频测相的原理如图9－3所示。设主控振荡器信号的振动方程为

图9－3 差频测相原理

es1＝Acos（ωst＋φs）

经过调制器发射后，经2L距离返回光电接收器，接收到信号的振动方程为

es2＝Bcos（ωst＋φs＋Δφ）

式中：Δφ为相位变化。设基准振荡器信号的振动方程为

e1＝Ccos（ω1t＋φ1）

把基准振荡器信号送到混频器分别与主控振荡器信号和接收到的信号混频，在混频器的输出端得到差频参考信号和测距信号，它们的振动方程可分别表示为

对经差频处理后得到的低频信号进行相位比较时，可采用平衡测相法，也可采用自动数字

er＝Dcos［（ωs－ω1）t＋（φs－φ1）］

es＝Ecos［（ωs－ω1）t＋（φs－φ1）＋Δφ］ 　（9－10）

用相位检测电路测出这两个混频信号的相位差Δφ′＝Δφ。可见，经差频处理后得到的两个低频信号的相位差Δφ′和直接测量高频调制信号的相位差Δφ是一样的。通常用于测相的低频信号频率为几千赫兹到几万赫兹。测相法。平衡测相系统结构简单、性能可靠、价格低，但准确度较低，通常会有15′～20′或更大的测相不确定度。此外，平衡测相系统还存在机械磨损、测量速度低、难以实现信号处理等缺点。自动数字测相系统测相速度高，测相过程自动化，便于实现信息处理，测相不确定度低，可达2′～4′。

相位测距仪既能保证大的测量范围，又能保证较高的绝对测量准确度，因此得到了广泛的应用。相位测距仪的测量不确定度要受到大气温度、气压、湿度等方面的影响。

9.1.2 脉冲激光测距

脉冲激光测距利用了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（一般可达到兆瓦级）的特点。在有靶标的情况下，脉冲激光测距可实现极远距离的测量。在进行几千米的近程测距时，如果测量不确定度要求不高，即使不用靶标，只利用被测目标对脉冲激光的漫反射取得反射信号，也可以进行测距。目前，脉冲激光测距方法已获得了广泛的应用，如用于地形测量、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。

脉冲激光测距原理如图9－4（a）所示。由脉冲激光器发出一持续时间极短的脉冲激光，称为主波；主波经过待测距离L后射向被测目标，被反射回来的脉冲激光称为回波；回波返回测距仪，由光电探测器接收，根据主波信号和回波信号之间的时间间隔，即激光脉冲从激光器到被测目标之间的往返时间t，即可得到待测目标的距离：

L＝ct／2 　（9－11）

式中：c为光速。

图9－4 脉冲激光测距原理与各点信号及发射与计数信号波形

图9－4（a）所示为脉冲激光测距原理。脉冲激光测距仪主要由脉冲激光发射系统、光电接收系统、门控电路、时钟脉冲振荡器以及计数显示电路组成。其工作过程是：首先开启复位开关S，复位电路给出复位信号，使整机复位，准备进行测量，同时触发脉冲激光发生器，产生激光脉冲；该激光脉冲有一小部分由参考信号取样器直接送到接收系统，作为计时的起始点，大部分光脉冲射向待测目标，由目标反射回测距仪的光脉冲被光电接收系统接收，这就是回波信号。参考信号和回波信号先后由光电探测器转换成为电脉冲，并加以放大和整形。整形后的参考信号能使触发器翻转，控制计数器开始对晶体振荡器发出的时钟脉冲进行计数。整形后的回波信号使触发器的输出翻转无效，从而使计数器停止工作。图9－4（b）所示为原理图中对应各点的信号波形。这样，根据计数器的输出即可计算出待测距离：

式中：N为计数器计到的脉冲个数；f0为计数脉冲的频率。

脉冲激光测距仪中，干涉滤光片和小孔光阑的作用是减少背景光及杂散光的影响，以减少探测器输出信号的背景噪声。

测距仪的分辨力PL（PL＝L／N）取决于计数脉冲的频率，根据式（9－12）可知

若要求测距仪的分辨力PL＝1m，则要求计数脉冲的频率为150MHz。由于计数脉冲的频率不能无限制提高，脉冲测距仪的分辨力一般较低，通常为几米。

由式（9－11）可得脉冲测距的合成标准不确定度为

光速c的不确定度uc取决于大气折射率n的测量不确定度，由n值测量不确定度而带来的不确定度一般为10－6。所以对短距离（几米到几十千米）脉冲激光测距仪来说，测距准确度主要取决于时间t的测量不确定度ut。影响ut的因素很多，如激光的脉宽、反射器和接收系统对脉冲的展宽、测量电路对脉冲信号的响应延迟等。