1、第九章 激光測(cè)距,激光測(cè)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(cè)距公式可知，如何精確測(cè)量出時(shí)間t的值是測(cè)距的關(guān)鍵。由于測(cè)量時(shí)間t的方法不同，產(chǎn)生了兩種測(cè)距方法：脈沖測(cè)距和相位測(cè)距。,一、激光測(cè)距方程（圖9-1）,9-1 脈沖激光測(cè)距,圖9-1,1、從測(cè)距儀發(fā)射的激光到達(dá)目標(biāo)上的激光功率 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） 欲使激光能量充分利用，則要求AtAs，此時(shí)

2、 但當(dāng)AtAs時(shí)， 1 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：（如圖9-2） （球面度）,圖9-2,（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：（如圖9-3）,圖9-3,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

3、主要反射能量集中在1rad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(cè)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(cè)距公式 以（1）代（2）并代入（3）得：光電探測(cè)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(cè)器所能探得的最小光功率Pmin代替上式中的探測(cè)

4、功率Pr，則可得最大探測(cè)距離Rmax為： 結(jié)論： 1、激光發(fā)射能量大對(duì)測(cè)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(cè)距有利； 6、高靈敏度探測(cè)器。,二、光電讀數(shù)（圖9-4）,圖9-4,因?yàn)?測(cè)距儀的最小脈沖正量為： 令N=1 例：設(shè)fT=150M

5、Hz=1.5108Hz，C=3108m 三、測(cè)距精度 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（圖9-5）,圖9-5,四、測(cè)距儀光學(xué)原理框圖（圖9-6）,圖9-6,五、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(cè)系統(tǒng)（圖9-7）,圖9-7,場(chǎng)鏡的作用是減小探測(cè)器口徑，并使孔徑光欄成像在光電探測(cè)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(cè)系統(tǒng)（圖9-8）,圖9-8,（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(cè)器光敏面（0）

6、的關(guān)系。,圖9-9,對(duì)如圖9-9所示的出窗探測(cè)系統(tǒng)，設(shè)接收物鏡口徑為D，視場(chǎng)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(cè)系統(tǒng)中，光敏面置于象面處，設(shè)光電探測(cè)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(cè)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(cè)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

7、理。,2、窄帶干涉濾波器與視場(chǎng)角W之間的矛盾 如圖9-10，設(shè)干涉濾波器之視場(chǎng)角為：2W0= +5，即W0=5,圖9-10,設(shè)計(jì)時(shí)要求maxW0 例：設(shè)接收系統(tǒng)W=2510-3rad， 則max=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(cè)器面積。,一、問題的提出 則脈沖激光測(cè)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(cè)量中，如果存在一個(gè)脈沖的誤差，則其測(cè)距誤差即為1m，這對(duì)遠(yuǎn)距離測(cè)量也許是允許的，但對(duì)近距離測(cè)量（如50m等），則誤差太大。如要求測(cè)距誤差為1cm，則要求時(shí)鐘脈沖的

8、頻率應(yīng)為fT=15GHz，這將帶來三個(gè)問題：,9-2 多周期脈沖激光測(cè)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(cè)距原理 （一）非延時(shí)多周期脈沖激光測(cè)距 通過對(duì)脈沖激光在測(cè)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(cè)距精度的方法。 設(shè)晶振填充時(shí)鐘脈沖的頻率為fT，測(cè)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(cè)量時(shí)的最小脈沖正量為： 而當(dāng)采用單脈沖測(cè)量時(shí) 結(jié)論表明，多脈沖測(cè)量比單脈沖測(cè)

9、量的測(cè)距精度提高了N倍。,（二）固定延時(shí)多周期脈沖激光測(cè)距 當(dāng)測(cè)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(cè)量一次（光脈沖往返一次）所需時(shí)間 所以其振蕩回路的頻率為 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。,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

10、，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(cè)量的總時(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(cè)距公式后可得所測(cè)距離。,設(shè)時(shí)鐘脈沖頻率為fT，測(cè)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(cè)距原理 通過檢測(cè)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(cè)距精度大

11、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，如圖9-11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。,9-3 相位激光測(cè)距,圖9-11,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(cè)距儀的電尺長度：等于調(diào)制波長的二分之一。 則相位測(cè)距方程為： 結(jié)論：因?yàn)長為已知的，所以只需測(cè)得N和N即可求D。,二、相位測(cè)距的多值性 在測(cè)距方程中是可以通過儀器測(cè)得的，但不能測(cè)得N值，因此，以上方程存在多值解，即存在測(cè)距的多值性。但若我們預(yù)先知道所測(cè)距離在一個(gè)電尺長度L之內(nèi)，即令N=0，此時(shí)，測(cè)距結(jié)果將是唯一的。 其測(cè)距

12、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(cè)距離小于1000m時(shí)，測(cè)距值是唯一的。 即在1000m以內(nèi)的測(cè)距時(shí)N=0（不足一個(gè)電尺長度）,三、相位測(cè)距精度 將 兩邊微分后，取有限微量， 其中 為相對(duì)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)距離減少。因此在測(cè)相精度受限的情況下，存在以下矛盾：, 若想得到大的測(cè)量距離則測(cè)距精度不高 若想得到高的測(cè)量精度（電尺長度短），則測(cè)量距離受限制。 如何解決這

13、個(gè)矛盾呢？ 四、雙頻率相位激光測(cè)距 即設(shè)置若干個(gè)測(cè)量頻率進(jìn)行測(cè)量，現(xiàn)以兩個(gè)頻率為例加以說明。 設(shè)測(cè)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(cè)距離成正比。（圖9-12）,圖9-12,因此，只有測(cè)量距離不大于10L1（N10），就可根據(jù)（1-2）的值來確定N和距離D。 采用兩

14、個(gè)頻率測(cè)距時(shí)的測(cè)距方程：,上兩式相減，并以L2代入得： 式中： 為可測(cè)距離的放大倍數(shù)， 為新的電尺長度。 對(duì)上例： ，即將電尺長度放大了10倍，或者說在儀器測(cè)相精度不變的條件下，可測(cè)距離擴(kuò)大了10倍，即Dmax=10L1。,N的確定：（圖9-12）,結(jié)論： 1、采用兩個(gè)頻率，能使最大可測(cè)量距離增大倍 倍， （f2=Kf1）； 2、當(dāng) 時(shí)，采用 計(jì)算D值； 3、當(dāng) 時(shí)，采用 計(jì)算D值； 4、可采用多個(gè)頻率進(jìn)行測(cè)量。 如取,例：設(shè)測(cè)量儀器的分辨率為0.01m，最大可測(cè)距離為100m，測(cè)相精度為 ，采用2個(gè)頻率測(cè)量，設(shè)計(jì)L1L2及f1，f2。 （1）求L1： 所以：L1=10m （2）求測(cè)距放大倍率： （3）求K：由,（4）求L2： （5）求f1和f2,（二）第二方案：采用一個(gè)精頻：如f1=15MHz，相應(yīng)L1=10m，和一個(gè)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(cè)量精度為1m），精尺確定（0.01-10）m的距離，電尺長度為