激光测距方法综述

激光测距方法综述

引言

激光测距就是通过激光往返的时间来测定距离。由于激光器与普通光源有显著的区别，它利用受激发射原理和激光腔的滤波效应，使所发光束具有一系列特点：激光有小的光束发散角，即所谓的方向性好或准直性好；激光的单色性好，或者说相干性好，普通灯源或太阳光都是非相干光；激光的输出功率虽然有限度，但光束细，所以功率密度很高，一般的激光亮度远比太阳表面的亮度大。因而采用激光器做光源的测距仪也就有一些优于其他测距仪的特点：测量精度高、分辨率高、抗干扰能力强、体积小、重量轻。因此广泛应用于军事、科学技术、生产、建设等各个方面。

一、激光测距的国内外现状

1960年，世界上第一台红宝石激光器诞生，激光所具有的单色性好、方向性强和高亮度性引起了人们的普遍关注。随后科学家和工程师们就提出了激光测距、激光雷达、激光制导研制的构想，并开展了大量研究工作。作为激光雷达的原型，激光测距仪以其体积小巧，性能优越等优点迅速取代了传统的光学测距仪，成为光学测距主导产品。最突出发展的是卫星测距机。1961年，美国已成功开发出世界上第一台红宝石激光测距系统。1969年，美国的坦克火控系统中的首次使用激光测距系统。同年，科学家们利用激光测距系统精确测量出地球测试点和月球反射器间的距离。

二极管激光测距仪的研究起始于在20世纪60年代末，80年代中期开始陆续解决了激光装置、光学系统和信号处理电路的关键技术，在20世纪80年代后期进入应用研究阶段，并开发了各种不同用途的射频模组原型，20世纪90年代中期，各种成熟的产品不断涌现。

国外大学、研究机构和公司都进行了对脉冲半导体激光测距系统的研究。Schwartz Electro-Optics公司为美国的国家数据中心研制了激光波长测量装置，开发了无人海浪测量站，并为美国联邦政府的公路总局开发了激光自动感应车辆行驶速度和高度的测量系统，提高了交通效率；还开发了军用直升机激光防碰撞报警装置。EXXON公司研制了用于海洋石油勘探开发的激光二极管角度测距系统。1992年，美国亚特兰大激光公司研制了警方使用的手持式人眼安全激光二极管测距仪，用于测量车辆的距离和速度。在1996年下半年，美国Bushnell 公司开发了400米的400型LD激光测距仪Yaddaga400，1997被评为世界上100个重大科技成果之一，同年，他们推出了测距能力为800米的800型激光测距机。美国Lecia公司也研制了小型LD测距仪，测量距离为0.2~30m。自1995年以来对人眼安全的半导体激光测距技术的发展十分迅速，推出了波长为800~900nm范围内、峰值功率为KW、脉冲宽度20~50ns、测量距离10m~1km非合作目标激光测距系统。

目前国际上脉冲式激光测距的系统研究主要向着髙精度、远距离、发射脉冲窄、测距范围广等方向进行。在这种研究方向的指引下，国际上对激光测距研究的技术水平有了很大提高：Leica公司所生产的测距望远镜，其测距的范围从10m~ 1.2km，其测距精度小于±lm，Bushnell公司的激光测距仪的测量范围从15m~1.5km，加拿大NEWCON公司生产的LRM2500CI

型激光测距机的最大测程可达2500m 。 在20世纪80年代开始研究开发的国内的激光测距机是在原来的固体、气体激光测距仪的基础上发展起来的。目前，已具备了基础技术，主要是为了解决工程难题，开发出各种应用产品。航天科工集团公司八三五八所研制了测量范围200m ， 0.5m 精度，重复频率l00Hz 的激光测距仪。上海光学精密机械研究所研制的便携式激光测距仪，对漫反射混凝土墙的测距可达100m ，釆用300MHz 的计数方法，精度为0.5m ，重复频率1KHz 。中国计量学院信息工程系光电子所与国外合作研发了低成本、便携式半导体激光测距仪。常州莱赛公司开发了作用距离为200m 的半导体激光测距仪。由西南技术物理研究所研制的半导体激光髙度表，工作波长为905nm ，重复率l00Hz 。

二、 激光测距的方法及原理

激光的出现，标志着人们掌握和

利用光波进入一个新阶段。激光技术出现之后，很快被应用到各类测量 (大地测量、地形测量、工程测量、航空摄影测量，以及人造地球卫星的观测和月球的光学定位等航天测量)中，使测量方法不断革新，测量精度显著提高．引起了测量领域内的深刻变化。激光测距是其中应用最早且最为成熟的一种。激光测距分为相对距离测量和绝对距离测量，常用的方法有:干涉法、反馈法、脉冲法、相位法、三角测量法、纵模拍频测距法等多种方法，这些方法各有特点，分别应用于不同的测量环境和测量领域。 2.1 干涉法

干涉法激光测距是通过移动被测目标并对相干光进行测量，经计算/2λ的数量完成距离增量的测量，因

此干涉法测量的灵敏度非常高，达到纳米级的测量。激光的干涉测距是经典的精密测距方法，根据光的干涉原理，两列具有固定相位差，而且有相同频率、相同的振动方向或振动方向之间夹角很小的光相互交叠，将会产生干涉现象。

图（2.1.1）

图（2.1.1）为常用的迈克尔逊干涉仪的原理示意图。由激光器发射的激光经分光镜分成反射光束S 1和透射光束S 2。两光束分别由固定反射镜M 1和可动反射镜M 2反射回来，两者在分光镜处汇合成相干光束。若两列光S 1和S 2的路程差S= S 1- S 2。设两束光迭加时，其合成的光强为

()122/I I I L πλ=++ （1）

其中λ为激光的波长，当L=N λ/2时，两束反射光的相位差为2π的整倍数，迭加后振幅增大，即I 最大，出现亮条纹；当L=(2N+l) /2时，两束光的相位相反，二者振幅相抵消，I 最小，出现暗条纹。将这两束光再经分束器反射到光探测器上，则其输出信号与迭加后光线的亮暗有关。假设开始时反射器1、2的间距为L ，然后沿光线前进方向慢慢移动反射器2。每移动一个λ/2，两束光的相位关系从相同到相反，变化一个周期(λ)，出现一次亮暗光交替，光探测器的输出信号也变化一次。从该输出信号变化的次数，就可以确定反射器2移动的距离

/2

L nλ

?=。

由于光的波长极短，特别是激光的单色性高，其波长值很准确，所以利用干涉法测距的分辨率至少为λ/2，精度为微米级。利用现代电子技术还可能测定0.01个光干涉条纹，因此干涉法测距的精度极高，这是任何其它测距法无法比拟的。

2.2 反馈法

反馈法测距适用于各种电磁波波源，并且测距精度高、速度快、便于仪器小型化、数字化。反馈法测距采用距离与传输时间、传输时间与振荡频率相互转换的技术，通过测量系统闭环振荡频率的手段，来测量激光传输时间，从而达到激光测距的目的。反馈法测距的设想最早由前苏联人提出。60年代末日本庆应大学进行了实验研究，结果表明反馈法测距是很有发展前景的方法，但此后未再发现详细报道。

国内对反馈法测距的研究刚刚起步，北方交通大学物理系姚淑娜等人对反馈测距法进行了初步研究，并取得了一定的结果。姚淑娜等人对反馈法测距进行了原理探讨和方案论证，设计了一套实验装置，在实验室内进行了短距离测量，取得了一定的效果。她们将待测距离L作为探测器和反射器之间的振荡反馈通道，使光-电脉冲信号的振荡频率与待测距离相关，从而由测量频率值求得距离。如图（2.2.1）是反馈法测距的原理图。

图（2.2.1）

在反馈法测量中，主要问题是测距的精度随着距离的增加而降低，此外，大气湍流造成反馈信号的起伏，也将引起振荡频率的不稳定性，会导致测量误差，因此反馈法测距比较适用于短程测距。

2.3 脉冲法

脉冲激光测距方法即为激光飞行时间(TOF)的距离测量，目前已经有了非常广泛的应用，如地形的测量、战术测距、导弹轨迹跟踪、以及卫星、地球到月球距离的测量等。脉冲激光测距利用激光脉冲瞬时功率大(可至兆瓦)，持续时间短，能量在时间上相对集中的特点来进行测量。在存在合作目标时，脉冲激光测距能够到达很远的测程。在不存在合作目标时，通过被测物体对脉冲激光的漫反射所得到的反射信号也可以进行测距。

脉冲激光测距仪的原理如图（2.3.1）所示。由激光发射系统发射一个持续时间极短脉冲激光，经过测量范围R后，被目标物体反射，脉冲激光接收系统收到回波信号，计时电路开始计时，通过计算脉冲激光发射和回波信号到达探测器之间的时间间隔，可以计算出目标对象和激光测距仪之间的距离。该距离可表示为：

1

2

R ct

=（1）

其中C为光速，t为计时电路计算出的脉冲激光发射与回波信号到达之间的时间间隔。

由式(1)可以看出，脉冲式激光测距的测量精度主要取决于脉冲发射到回波信号达到之间的时间差的测量精度。其中如何精确的确定t的起止时刻和精确测量飞行时间，如何减小测量误差及消除输入噪声引起的时间抖动，是脉冲式激光测距的重要研究方向。

图（2.3.1）

2.4 相位法

相位式激光测距仪，是利用一种固定频率的高频正弦信号，通过连续调制激光源的发光强度，测定调制激光往返一次所产生的相位延迟。通过该延迟测量的距离。即用相位延迟间接的测定信号的传播时间，代替直接测量激光往返所需的时间变化量，从而测量出距离。相位式激光测距测量精度高，可达毫米级，适用于近距离测量。相位式激光测距的基本原理图如图所示

设调制频率为f ，调制波形c

f

λ=，c 为光速，则光波的相移为

()22m m m φπ?π=+?=+? 式中m 为0或正整数，?m 为小数，则图中两括号间的距离

()2R ct c m m f ?

λπ===+?

式中，t 表示光在两括号间传播的时间，如果测得光波相移?表达式中的

整数m 和小数m ?，就可以由上式确定出被测距离R ，所调制光波被认为是一把“光尺”，即波长λ就是相位式激光测距度量的尺子。相位式激光测距通常有粗尺和细尺两种测量手段，这是为了保证足够的精度并扩大测量距离，所以一般需要两种调制频率。 2.5 三角测量法

三角法激光测距是由激光器发出的光线，经过会聚透镜聚焦后入射到被测物体表面上，接收透镜接收来自入射光点处的散射光，并将其成像在光电位置探测器敏感面上，当物体移动时，通过光点在成像面上的位移来计算出物体移动的相对距离，三角法激光测距的分辨力很高，可以达到微米数量级。

激光三角法具有结构简单、测试速度快、实时处理能力强、使用灵活方便的特点，随着半导体技术、光电子技术等的发展，尤其是计算机技术的迅猛发展，三角法测试技术在长度、距离及三维形貌等的测试中有广泛的应用。

激光三角法测量常采用直射式和斜射式两种结构。直射式激光三角法原理如图（2.5.1）所示

图（2.5.1）

激光器发出的光线，经会聚透镜

聚焦后垂直入射到被测物体表面上，物体移动或其表面变化，导致入射点沿入射光轴的移动。入射点处的散射

光经接收透镜入射到光电位置探测器(PSD 或CCD)上。若光点在成像面上的位移为x ’，则被测面在沿轴方向的

位移为'

sin 'cos ax x b x θθ

=- ，其中，a

为激光束光轴和接收透镜光轴的交点到接收透镜前主要的距离；b 是接收透镜后主要到成像面中心点的距离;θ是激光束光轴与接收透镜光轴之间的夹角。

斜射式三角法测量原理如图（2.5.2）所示。激光器发出的光线和被测面的法线成一定角度入射到被测面上，同样地，物体移动或其表面变化，将导致入射点沿入射光轴的移动。入射点处的散射光经接收透镜入射到光电位置探测器上。若光点在成像面上的位移为x ’，则被测面在沿法线方向的移动距离为

()()

1

1212'cos sin 'cos ax x b x θθθθθ=

+-+

，公式中，1θ是激光束光轴与被测面法线之间的夹角。2θ色是成像透镜光轴与被测面法线之间的夹角。从图（2.5.2）中可以看出，斜射式入射光的光点照射在被测面的不同点上，无法知道被测面中某点的位移情况，而直射式结构却可以。因此，当被测面的法线无法确定或被测面形复杂时，只能采用直射式结构。

图（2.5.2）

一般三角法测距系统由激光器、成像系统、光敏传感器和数字控制系统组成，激光器发射激光照射到物体表面上，成像系统收集反馈光形成成像点，当被测物体移动后，成像系统中的成像点也随之移动，测量出成像点的移动量，则根据己知的基线长度，结合三角测量的方法既可求出被测物体与测距系统的距离。 2.6 纵模拍频测距法

纵模拍频测距法只能使用激光源。它的工作原理是，未选频激光器的频谱是由一组等间隔的谱线组成，即是一种多纵模激光辐射。由于纵模间存在拍频，光强便按某种规律变化。将这种辐射投射到光电检波器上，从检波器检出的信号频谱中将产生各种差频成分，此差频通过无线电装置分出而进行测距。

这种测距法不必对激光辐射作人为的调制。它有以下两个特点：一是为保证测距精度，拍频必须稳定，而多模稳频是十分难办的；二是光电倍增管的接收频率上限在100MHz 左右，这时谐振腔长度达 1.5 米以上。虽然可用外差接收法(在光电倍增管阴极区馈以超高频电场)来提高频率上限，但这时又失去了拍频测距无需高频电路的优点。由于上述等原因，纵模拍频测距法目前尚停留在实验阶段，还未达到实用阶段。 2.7 脉冲-相位式激光测距法

在平均发射功率相等的情况下，激光的脉冲幅射比连续辐射传播的距离要大，如果将脉冲串嵌入到相位式激光测距系统当中，则可以很有效地改进相位式激光测距仪的测距精度和测量量程，这种测距方法就称为脉冲-相位式激光测距。根据发射脉冲的波形及工作原理的不同，脉冲-相位式测距法可以分为调制法和谐波法。

三、激光测距方法的比较及展望

取得了很大的发展，形成了从短程到超远程系列，极大地改变了测距技术的面貌。但是，“在生产斗争和科学实验范围内，人类总是不断发展的，自然界也总是不断发展的，永远不会停止在一个水平上。”精密激光测距技术继续向着新的水平前进。

自动化与数字化是测量仪器发展的总趋势，对野外测量仪器还要求小型轻便化。目前，短程和远程测距仪已实现了数字化及部分自动化，从而缩短了测量时间、减轻了劳动强度、提高了测量精度。随着激光器、调制器、光探测器以及光学、电子元器件等的发展，将加速实现仪器的自动化水平。还要求要波长在人眼安全范围内，小型化、高可靠性，多功能化、与其它光电仪器相集成。

现代科学、国防和工程技术的发展，对测距仪的测程和精度提出了更高的要求。而研究新的测距原理和方法对于改革仪器的技术性能往往具有重大意义。在这方面目前值得注意的动向有以下两种方案：

脉冲~相位测距和脉冲测距：在平均发射功率相同的条件下，脉冲法比其他测距方法有较远的测程。脉冲～相位法测距吸收了两种测距方法的优点，而锁模激光器的日渐实用化将使脉冲测距进入短、中程精密测距的行列。研制高分辨率的微波光电二极管和电子计数器，设计不产生波前畸变与脉冲展宽的光学系统及简化激光器的锁模方法，是使精密脉冲测距仪实用化的三个主攻课题。如果这些问题得以解决，简单而可靠的脉冲测距法有可能成为精密测距的主要方法之一。

多波长测距系统：对在大气中测距的仪器，气象因素的影响是提高测距精度的最终局限。自动改正大气折射率影响的多波长测距系统，为远程精密测距开辟了一个新方向。虽然这种测距系统较复杂、体型较大，但在一些大地测量和地震观测中应用是可行的、有效的。

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