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。一、激光測距方程（圖9-1）§9-1脈沖激光測距

圖9-11、從測距儀發(fā)射的激光到達目標上的激光功率

Pt——激光發(fā)射功率（W）Tα——大氣單程透過率Kt——發(fā)射光學系統(tǒng)透過率At——目標面積（m2）As——光在目標處照射的面積（m2）欲使激光能量充分利用，則要求At≤As，此時但當At<As時，≤12、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(shù)為ρ）附注：幾個概念（1）*立體角（Ω）的概念：（如圖9-2）（球面度）圖9-2（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）。（4）“郎伯”定律：（如圖9-3）圖9-3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(shù)Tα——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PrPr=Pe·Ωr·KrΩr——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）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(shù)α=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，則可得最大探測距離Rmax為：結論：1、激光發(fā)射能量大對測距有利：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。

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。二、光電讀數(shù)（圖9-4）

圖9-4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：（2）光電計數(shù)誤差：可產生±1個脈沖當量的誤差，且影響2次：（1）瞄準誤差（圖9-5）圖9-5四、測距儀光學原理框圖（圖9-6）

圖9-6五、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)（圖9-7）圖9-7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2、出窗探測系統(tǒng)（圖9-8）圖9-8（二）設計中幾個光學參數(shù)的討論1、接受物鏡相對孔徑和探測器光敏面（φ0）的關系。圖9-9對如黑圖9-9所示測的出損窗探逢測系慣統(tǒng)，崗設接在收物啊鏡口肌徑為D，視場經角為w，在象面磁上光斑潑直徑為φ，則當w很小時免，可用蜓下式建型立它們男之間的鄭關系：在出織窗探鋼測系薄統(tǒng)中社，光充敏面徒置于坑象面丑處，煌設光共電探祝測器化的光面敏面存為φ0，一般取抄：φ≤0職.8φ0即2w粗fˊ敢≤0億.8裙φ0，所以?′≤注意：聰越大，驗接收能胞量越多掙，但光稈學系統(tǒng)扣象差愈裕難校正漠。例：若夏取竊，控雪崩二坑極管光驕敏面直錫徑為：φ0=1m鏡m2W染=2億.9董°=逃50街×1鳥0-3rad，則由與上式搭可得D=3約.2m蚊m此時fˊ=濫16（mm）這樣光休探測系辜統(tǒng)顯然穗是不合霜理的，利因此，馳需要調違整系統(tǒng)崖參數(shù)。例如，財若將探數(shù)測器換謠為光電箭倍增管絕，并取φ0=2室0m悶m，則上例助中D=6肌4mm，fˊ剝=3開20辨mm。此參卸數(shù)趨暢于合車理。2、窄位帶干早涉濾雹波器程與視欺場角W之間遞的矛齡盾如圖9-北10，設魄干涉?zhèn)錇V波渴器之燈視場媽角為自：2W0=+5o，即W0=5o圖9-淹10設計貝時要等求αmax≤[瓣W0]例：設乏接收系額統(tǒng)W=2笨5×1攀0-3rad，則αma鳥x=8房誠.5由3°黨>W0=5培°解決仰這個紀矛盾掌的辦西法是貪減小停接收冬系統(tǒng)獨的相感對孔唐徑莫，或佛增大扮探測排器面?zhèn)シe。一、厘問題但的提看出則脈沖哲激光測技距中最判小脈沖損當量的撫公式：可知：δ與填雄充時偷鐘脈魄沖的伙頻率fT成反比粉，例，設fT=1蒙50辟MH梅z，C=井3×走108m/s則δ=1蜘m因此在檢測量中恰，如果窮存在一旋個脈沖陵的誤差萄，則其博測距誤榮差即為1m，這對遠掛距離測吳量也許補是允許咐的，但見對近距桑離測量芒（如50m等）歲，則舊誤差梨太大犧。如調要求苗測距浴誤差捕為1c廢m，則要求瞎時鐘脈撫沖的頻墨率應為fT=15殃GHz，這將漆帶來槳三個瘦問題滿：§9-霸2多周浩期脈駛沖激仁光測潑距·過高奇的時柜鐘脈蟲沖不界易獲足得；·高頻頌電子包元器花件價見格昂鈴貴，濫穩(wěn)定藍性較辮差；·對電路匆的性能仍要求很矛高。二、多丘周期測溫距原理（一）吊非延時及多周期希脈沖激往光測距通過竿對脈錫沖激曲光在稱測距磨儀和撞目標爸間往愚返多辦個周貓期累稱計時場間求子平均列來提勤高測常距精歌度的母方法伯。設晶振淋填充時究鐘脈沖搭的頻率澤為fT，測距儀拐距目標循的距離扣為S，光脈沖甘經過N個周期滔后所走阻的總路亦程和為L，式中m：計數(shù)器牌在N個周期答中所計詞的總晶銅振脈沖批個數(shù)。例：設N=1療50，fT=10級0MH更z，C=喉3×斬108m/蒸s，則當m=相1時，爆多脈遍沖測誰量時嗎的最俘小脈剪沖正傷量為貪：而當愛采用紀單脈殊沖測超量時結論構表明笨，多頑脈沖勒測量草比單抱脈沖感測量營的測銜距精出度提叛高了N倍。（二喇）固練定延逮時多沾周期雞脈沖凍激光爸測距當測夢量距浸離很愧小時覺，則版由“餐發(fā)射愈→接跌收→欠再發(fā)隔射……”過程遮中所穿形成陰的振銅蕩回接路的破頻率煌就很拳高。例：缸當S=掉1.監(jiān)5m時，端測量妙一次諒（光飛脈沖勸往返燦一次究）所浙需時易間所以其冰振蕩回獄路的頻滲率為如此高尊的振蕩突頻率對爹驅動放數(shù)大電路亂響應速非度要求煉太高。解決凳方法稍：在倡儀器易接收警到回廉波脈潛沖信工號時莖，不庭馬上毯觸發(fā)葛下一葵個激若光脈你沖，飯而是奶增加烤一個怪固定割的延冤時t0=m0/fT（m0為延英時的棍時鐘色脈沖糾數(shù)）匯后，呈才觸醫(yī)發(fā)下陸一個躬激光奇脈沖典。這樣，洗可有效示降低振蝴蕩回路廈的頻率其。具體按禮以下程蹄序實施溝：1．發(fā)歇射系剃統(tǒng)發(fā)兩出光箱脈沖悄；2．從發(fā)寫射時刻察開始，價計數(shù)器洪開始計瞇數(shù)；3．光脈壞沖從目盟標返回揭被接收膨系統(tǒng)收州到回波江信號后帆，不關誓閉計數(shù)寺器，而凳是經一匠固定延汪時t0后，聚再去細觸發(fā)罩激光富發(fā)出倍下一賀個光證脈沖聚，同辛時計擔數(shù)計映又開愿始計荷數(shù)。旬以形捆成周禮期振魂蕩信叮號；4．經N個周妥期后寄，關健閉計頁數(shù)器栗；5．將N個周島期測稍量的村總時宰間t減去N個周期繪延時的害時間N量t0的值啊取平滑均值粥，就開可得觀到光梨脈沖麗往返孕一次燥所需壘的時浴間。6．將該脖時間代抬入測距爛公式后還可得所初測距離嫌。固定延時再發(fā)射形成：再接收再延時發(fā)射接收設時鐘逝脈沖頻鳴率為fT，測距韻儀距圓目標盈距離社為S，光脈沖嘩經過N個周期披后所走篩的總路擋程為L，式中m：計數(shù)計克的總計始數(shù)脈沖室數(shù)；m0：延時t0內計數(shù)前器的計魯數(shù)值。例：設哲固定延將時t0=20違0nS，N=貫15晚0，fT=10疤0MH州z，則可算緩出延時傅脈沖個奇數(shù)為：一、年相位蝦測距全原理通過盲檢測模被高境頻調偏制的軟連續(xù)游激光繞往返怒后和尺初始煎信號翅的相旨位差或可使詢測距捆精度暗大大糊提高言。連續(xù)息激光燃經過佩高頻而調制忙后成廈為高協(xié)頻調笛制光遞，設伏調制弟頻率乓為fυ，如圖9-炊11所示藝。激光往罩返一周澡的時間t可以躁用調周制波銜的整亞數(shù)周測期數(shù)項及不搏足一熔個周援期的烈小數(shù)綢周數(shù)竭來表后示?！?判-3相位激運光測距圖9-漿11fυ——調制啄頻率遷（Hz）N—尚—光波族往返謝全程租中的盞整周美期數(shù)Δφ——不是晚一個跨周期敬的位傻相值L定義懷為測鼠距儀無的電止尺長藝度：檢等于君調制腰波長醒的二峰分之奮一。則相承位測恒距方莫程為戲：結論烤：因盡為L為已份知的驕，所犯以只酸需測德得N和ΔN即可求D。二、相煩位測距掠的多值線性在測距燥方程中置是可以襖通過儀經器測得恒的，但纏不能測狠得N值，褲因此碗，以哈上方歷程存喉在多夫值解味，即使存在奪測距棚的多顧值性疤。但頭若我?guī)冾A腥先知免道所居測距妥離在或一個玻電尺委長度L之內喜，即槐令N=0，此時熔，測處距結軋果將懇是唯耐一的湖。其測持距方柿程變撓為：例：梳設光設調制紅頻率選為fυ=15切0×1齊03Hz則電尺償長度當被測逝距離小戀于10糾00息m時，誤測距肅值是閘唯一濤的。即在10遷00桂m以內砍的測鍵距時N=停0（不足一袍個電尺戴長度）三、相毀位測距獸精度將夠兩邊逼微分董后，荒取有晶限微滿量，其中禁為相對者測相精錫度（一兔般1/謀10哥00可比駱較容沖易做演到的金）例如塊，對擋上例少而言揀，即此蛋時測懸距精帶度可睡達1m。從上式巴可以看度出ΔD與調巖制頻恰率fυ成反比湖，即欲苦提高儀垮器的測詠距精度(即使ΔD減少)，則須投提高調借制頻率fv享.而由電云尺長度予公式可肯知,此時臭可測鄉(xiāng)豐距離甚減少狼。因階此在允測相咳精度禽受限啦的情企況下浸，存篩在以榮下矛阻盾：·若想得六到大的想測量距蓄離→則浙測距精興度不高·若想得宴到高的政測量精菊度→（褲電尺長協(xié)度短）岔，則測婚量距離濱受限制晨。如何解掉決這個芝矛盾呢遺？四、雙走頻率相咽位激光窮測距即設置舊若干個期測量頻慎率進行狗測量，殖現(xiàn)以兩店個頻率錄為例加穗以說明炊。設測量腸主頻為?1，輔助頻賀率為?2=k睛?1（k為<1的系數(shù)共，如0.腰9=找k）顯然，腰此時在內儀器中辜存在2個電尺熟長度，朱他們分泳別為：此時，L2>L1“游標”高原理：設兩頻悶率的光乒波從儀修器發(fā)出潛時的初嬌位相相駝同，則只薪有當D=勤10終L1或10L1的整宅數(shù)倍蕉時，數(shù)兩者次位相疊才相哨等。券即兩大個調原制頻敵率的邀相位揚差第禿二次梯等于0時，惕兩個乏頻率萌的電浴尺長用度L1和L2的末端的經過若循干次后抄又剛好瘦重合。瞧且在一糖個周期旺內，相雀位差與鼻被測距例離成正訪比。（塵圖9-徐12）圖9-疏12因此辮，只宅有測毯量距利離不飲大于10L1（N≤紀10），就可焦根據請（Δφ1-Δ各φ2）的值測來確蜘定N和距增離D。采用茄兩個柄頻率肢測距套時的蔑測距野方程考：上兩式賤相減，霞并以L2代入得仇：式中：蠅為可測肚距離的餃放大倍億數(shù)，笛為新的及電尺長育度。對上同例：墳，首即將炎電尺田長度獵放大訊了10倍，或踩者說在悄儀器測牧相精度致不變的樣條件下機，可測篩距離擴拍大了10倍，即Dma嶺x=10鄭L1。N的確痰定：齒（圖9-覺12）結論劑：1、采尚用兩砍個頻床率，灣能使耳最大鄭可測攏量距賀離增烈大倍俗倍，（f2=Kf1）；2、當川時，厚采用唯計嬌算D值；3、當盛時，巖采用計算D值；4、可采藍用多個屈頻率進壩行測量臘。如取例：終設測載量儀泡器的漸分辨閥率為0.0當1m，最大可乒測距離儀為