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激光測距技術知識

2010-09-02

激光測距技術原理：

一、概述：

     1960年一種神奇的光誕生了，它就是激光。激光的英文名稱是 Laser，取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各單詞的頭一個字母組成的縮寫詞。意思是“受激輻射的光放大”。由于激光在亮度、方向性、單色性以及相干性等方面都有不俗的特點，它一出現就吸引了眾多科學工作者的目光，并被迅速地被應用在工業生產方面、國防軍工方面、房地產業、各級科研機構、工程、防盜安全等各個行業各個領域：激光焊接、激光切割、激光打孔（包括斜孔、異孔、膏藥打孔、水松紙打孔、鋼板打孔、包裝印刷打孔等）、激光淬火、激光熱處理、激光打標、玻璃內雕、激光微調、激光光刻、激光制膜、激光薄膜加工、激光封裝、激光修復電路、激光布線技術、激光清洗等。有關于激光的研究與生產制造也如火如荼地開展了起來。
激光與普通光源所發出的光相比，有顯著的區別，形成差別的主要原因在于激光是利用受激輻射原理和激光腔濾波效應。而這些本質性的成因使激光具有一些獨特的特點：
     1.激光的亮度高。固體激光器的亮度更可高達1011W／cm2Sr這是因為激光雖然功率有限，但是由于光束極小，于是具有極高的功率密度，所以激光的亮度一般都大于我們所見所有光（包括可見光中的強者：太陽光），這也是激光可用于星際測量的根本原因所在；
     2.激光的單色性好。這是因為激光的光譜頻率組成單一。
     3.激光的方向性好。激光具有非常小的光束發散角，經過長距離的飛行以后仍然能夠保持直線傳輸；
     4.激光的相干性好。我們通常所見到的可見光是非相干光，激光可以做到他們都做不到的事情，比如說切割鋼材。
在測距領域，激光的作用更是不容忽視，可以這樣說，激光測距是激光應用早的領域（1960年產生，1962年即被應用于地球與月球間距離的測量）。測量的精確度和分辨率高、抗干擾能力強，體積小同時重量輕的激光測距儀受到了大多數有測距需求的企業、機構或個人的青睞，其市場需求空間大，應用領域廣行業需求多，并且起著日益重要的作用。

二、相位法激光測距技術原理：

當今市場上主流的激光測距儀是基于相位法的激光測距儀。這是因為基于相位法的激光測距儀輕易地就可以克服超聲波測距的一大缺陷：誤差過大，使測量精度達到毫米級別。而基于此法的激光測距儀主要的缺點在于電路復雜、作用距離較短（一百米左右，經過眾多科學工作者的努力，現在也有作用距離在幾百米的相位法激光測距儀）。
相位法激光測距技術，是采用無線電波段頻率的激光，進行幅度調制并將正弦調制光往返測距儀與目標物間距離所產生的相位差測定，根據調制光的波長和頻率，換算出激光飛行時間，再依次計算出待測距離。該方法一般需要在待測物處放置反射鏡，將激光原路反射回激光測距儀，由接收模塊的鑒波器進行接收處理。也就是說，該方法是一種有合作目標要求的被動式激光測距技術。如下圖所示：

由圖所顯示的關系，我們可以知道，用正弦信號調制發射信號的幅度，通過檢測從目標反射的回波信號與發射信號之間的相移φ，通過計算即可以得到待測距離。Δ
D=ct/2 ①
t=φ/ω ②
又有ω=2nf ③  φ=N+Δφ ④
即D=（N+Δφ） *c/(4nf)  ⑤
  其中，D是待測距離，也即測距儀與目標物間距離；
C是光速，等于299792458m/s（假設光速未受環境影響）；
t是往返測距儀與目標物間距離一次的時間；
φ是激光光束往返一次后所形成的相位差；
Δφ是激光光束往返一次后所形成的相位差不足半波長的部分；
N是相位差中半波長的個數；
ω是調制信號的角頻率。
由于N的個數在激光飛行之后并不能確定，所以這就導致了基于相位法的激光測距儀只能測定Δφ，相位差中不足半波長的部分。這就形成了相位法的內傷：長作用距離固定，由調制光的波長決定。但是從另一方面看，相位法激光測距儀可以準確地測量半個波長內的相位差，這也成就了相位法激光測距儀突出的優點：測量精度高，可達到毫米級別。
一、脈沖法激光測距技術原理：
    相位法與超聲波測速測距所用方法相類似，大測量距離通常為幾百米，能較容易達到毫米的數量級，但是按照該方法設計的測距儀的大測量距離是受到限制的，不可擴展。該方法主要在國外應用較廣。而脈沖法激光測距一般采用紅外激光，包括近紅外激光和中紅外激光。該波段激光有可見和非可見之分。且基于此技術的測距儀對相干性要求低、速度快、實現結構簡單、峰值輸出功率高、重復頻率高且范圍大，所以此項目使用的是脈沖方法設計手持激光測距儀。脈沖法激光測距的原理是：

如上圖，激光測距設備對準測量目標——Target，發送光脈沖，光脈沖在經過光學鏡頭時，一束被透鏡前的平面鏡反射，進入激光反饋計時模塊，經光電轉換及放大濾波整流后，電平信號送入時間數字轉換芯片的開始計時端；另一束激光脈沖經過透鏡壓縮發散角后，開始飛行，遇到目標障礙物后發生漫反射，部分激光返回到激光接收處理電路，同樣地，經過光電轉換及放大濾波整流后，所形成的電平信號送入時間數字轉換芯片結束計時端，即完成整個測量過程。
其中，設D為待測距離，
T為往返測量點與待測物間距離所用時間，
C為激光在空氣中傳播的速度（假設已設置測量的環境參數），
n為測量時大氣折射率，那么，易得：
D=CT/2n
非常簡單地，我們把對距離的測量轉變為對時間差的測量，所以，在脈沖式激光測距中，需要測量的只是發射與接收激光的時間間隔、受環境因素影響的大氣折射率、環境參數及激光傳播速度。這就是脈沖式測距的理論原理。