脉冲发射的相位式激光测距技术研究
脉冲测距 相位测距对比
脉冲测距与相位测距的对比分析
在现代科技领域，测量距离的方法多种多样，其中，脉冲测距和相位测距是两种常用的测距方式。
本文将对这两种测距方式进行详细的对比分析。
一、脉冲测距
脉冲测距是一种利用发射短时间的脉冲光波，通过测量发射和接收之间的时间差来确定目标距离的方法。
这种测距方式的主要优点在于其精度高，因为其直接测量的是光传播的时间，而光速是一个非常稳定的常数。
此外，脉冲测距还可以通过改变脉冲宽度来调整测距范围，适应性较强。
然而，脉冲测距也存在一些缺点。
首先，由于需要精确测量微秒级别的时差，因此对电子设备的性能要求较高，成本相对较大。
其次，脉冲测距的抗干扰能力较弱，容易受到环境因素的影响。
二、相位测距
相位测距则是一种利用激光干涉原理，通过测量发射光波和反射光波之间的相位差来确定距离的方法。
相位测距的优点主要体现在其具有较高的分辨率和较强的抗干扰能力，适合于微小距离的测量。
但是，相位测距也有其局限性。
一方面，由于相位差受光波长限制，因此其测距范围较小。
另一方面，相位测距对环境条件要求较高，例如需要保持稳定的温度和湿度等，这在一定程度上限制了其应用场合。
三、对比分析
总的来说，脉冲测距和相位测距各有优劣，适用的场景也有所不同。
脉冲测距更适合于远距离、大范围的测距需求，如地质勘探、航空测量等领域；而相位测距则更适用于微小距离的高精度测量，如精密仪器制造、生物医学研究等领域。
综上所述，选择哪种测距方式取决于具体的测量需求和环境条件。
在未来的发展中，我们期待看到更多的新技术和新方法出现，以满足日益增长的测距需求。
《相位法激光测距仪设计》
《相位法激光测距仪设计》摘要：I.引言- 激光测距仪背景和应用- 相位法激光测距仪的优势II.相位法激光测距仪原理- 相位法基本原理- 激光测距仪系统构成III.相位法激光测距仪设计- 系统硬件设计- 激光发射器- 激光接收器- 数字鉴相器- 系统软件设计- 相位差计算- 距离计算IV.相位法激光测距仪应用- 军事领域- 民用领域V.结论- 相位法激光测距仪的优势- 发展前景正文：激光测距仪是一种利用激光技术测量物体距离的仪器，广泛应用于军事、民用等领域。
相位法激光测距仪作为其中一种类型，具有高精度、高效率等优势，成为近年来研究的热点。
相位法激光测距仪基于相位法原理，通过检测发射光和反射光之间的相位差来检测距离。
其系统构成主要包括激光发射器、激光接收器、数字鉴相器等部分。
其中，激光发射器负责发射激光束，激光接收器负责接收反射光，而数字鉴相器则负责计算相位差。
在设计相位法激光测距仪时，需要考虑系统硬件和软件的设计。
在硬件方面，激光发射器和接收器需要具有较高的稳定性和精度，以保证测量结果的准确性。
此外，数字鉴相器的设计也非常重要，其性能直接影响到相位差计算的准确性。
在软件方面，相位差计算和距离计算的算法需要优化，以提高计算速度和精度。
相位法激光测距仪在军事和民用领域具有广泛的应用前景。
在军事领域，相位法激光测距仪可以应用于侦查、定位、导航等方面，提高作战效率和精度。
在民用领域，相位法激光测距仪可以应用于土地测量、建筑测量、无人机导航等领域，为生产生活提供便捷。
总之，相位法激光测距仪具有显著的优势，其设计和应用值得进一步研究和探讨。
激光测距 相位
激光测距相位激光测距相位法是一种常用的测量距离的技术方法，它利用激光器发射激光脉冲，通过测量激光的相位差来确定目标物体与测量仪器之间的距离。
该方法具有测量精度高、测量范围广、测量速度快等优点，被广泛应用于工业、建筑、医疗和科学等领域。
相位法是一种利用激光的光波特性进行测距的方法。
它的基本原理是利用激光脉冲的相位差来计算目标物体与测量仪器之间的距离。
激光脉冲发射时首先经过一个光调制器，光调制器可以控制激光的频率和相位，然后被目标物体反射回来，最后由一个接收器接收。
接收器接收到的激光脉冲经过信号处理后，测量出激光脉冲的相位差，进而计算出目标物体的距离。
在测量中，激光脉冲发射后，经过一段时间后，激光脉冲被目标物体反射回接收器。
激光脉冲的相位差就是指发射时刻和接收时刻的相位差。
可以通过测量激光脉冲的到达时间差或测量激光脉冲的相位差来计算出目标物体与测量仪器之间的距离。
在计算激光脉冲的相位差时需要考虑到激光的传播速度。
激光在真空中的传播速度为光速，而在大气中的传播速度则受到大气折射率的影响。
因此，在测量中需要将激光传播的时间与激光的相位差进行转化，从而得到准确的距离值。
激光测距相位法具有许多优点。
首先，它具有测量精度高的特点。
由于激光的相位差可以精确地测量，在近距离的测量中，可以达到亚毫米级别的测量精度。
其次，激光测距相位法的测量范围广。
激光的传播速度非常快，而且激光脉冲的相位差可以进行很大的可调范围，因此可以实现从几毫米到几百米甚至几千米的距离测量。
此外，激光测距相位法还具有测量速度快的特点。
激光脉冲的传播速度很快，在实际应用中可以实现实时测距，适用于需要快速测量的场合。
激光测距相位法被广泛应用于许多领域。
在工业领域，激光测距相位法可以用于测量物体的尺寸、位置和形状，为生产加工提供重要的参数。
例如，在汽车制造中，可以利用激光测距相位法测量车身外形的尺寸，以确保其符合设计要求。
在建筑领域，激光测距相位法可以用于测量建筑物的高度、宽度和倾斜度等参数，为建筑设计和施工提供参考。
激光测距实验报告(精)
一、激光测距简介：激光测距仪无论在军事应用方面，还是在科学技术、生产建设方面，都起着重要作用。
由于激光波长单一，测量精度高，且激光测距仪结构小巧，安装调整方便，故激光测距仪是目前高精度测距最理想的仪器。
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新的特点：①激光有小的光束发散角，即所谓的方向性好或准直性好。
②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。
③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。
若激光是连续发射的，测程可达40公里左右，并可昼夜进行作业。
若激光是脉冲发射的，一般绝对精度较低，但用于远距离测量，可以达到很好的相对精度。
世界上第一台激光器，是由美国休斯飞机公司的科学家梅曼于1960年，首先研制成功的。
美国军方很快就在此基础上开展了对军用激光装置的研究。
1961年，第一台军用激光测距仪通过了美国军方论证试验，对此后激光测距仪很快就进入了实用联合体。
激光测距仪重量轻、体积小、操作简单速度快而准确，其误差仅为其它光学测距仪的五分之一到数百分之一，因而被广泛用于地形测量，战场测量，坦克，飞机，舰艇和火炮对目标的测距，测量云层、飞机、导弹以及人造卫星的高度等。
它是提高坦克、飞机、舰艇和火炮精度的重要技术装备。
由于激光测距仪价格不断下调，工业上也逐渐开始使用激光测距仪。
国内外出现了一批新型的具有测距快、体积小、性能可靠等优点的微型测距仪，可以广泛应用于工业测控、矿山、港口等领域。
激光测距仪-分类：一维激光测距仪用于距离测量、定位；二维激光测距仪（Scanning Laser Range finder）用于轮廓测量，定位、区域监控等领域；三维激光测距仪（3D Laser Range finder）用于三维轮廓测量，三维空间定位等领域。
激光测距-方法激光测距仪一般采用两种方式来测量距离：脉冲法和相位法。
相位式激光测距原理
相位式激光测距原理
相位式激光测距原理是一种利用光学原理测量物体距离的方法。
其基
本原理是将激光束发送到目标物体，经过反射后接收回来，然后根据
光的相位差计算出物体到激光测距仪的距离。
下面将会逐一讲解相位
式激光测距原理的详细内容。
1. 激光的发射
相位式激光测距仪通过激光器发射一束定向、单色、激光光束，将激
光传输到目标体上。
2. 激光的接收
激光的接收有两种方法，其中一种可以使用普通的接收型光电二极管
来完成，另一种则需要使用相位测量的方法。
3. 相位差的测量
通过对激光发射时和接收时的相位差进行测量，得到目标到发射点的
距离，这个距离与光的波长有关。
4. 数据的处理
将测得的距离进行处理后，即可得到精确的目标距离数据，同时在数
据处理的过程当中，还可以实现自动跟踪，提高了装置的实用性。
总之，相位式激光测距原理是一种非常先进和高精度的测距方法，其
原理也比较复杂，需要参考一定的物理学知识，而在工业、航空航天、军事等领域都有广泛的应用。
相位式激光测距系统研究
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一
研筮 ． 盥一
年 且位 式 激 光 测 距 学院
矿 山、港 口、建筑 、汽车等领域 。由于其精度 高、快捷轻便、操作简单 ，在 目前测距市场上十分受人青睐。
【 关键 词 】 相 位 式激 光 测 距 仪 ； 系 统 ；研 究
制 技 术 、光 学 技 术 、 光 电检 测 技 术 、 信 号 处 理 技 术 以及 单 片 机 技 术 于 一 体 的 高 精 度 测 量 仪 器 ，广 泛 应 用 于 工 业 测 控 、
激 光 又 是 一种 电磁 波 ， 也 就 是 变 化 着 的 电磁 场 。 ３ ． 相 位 式激 光 测距 的设 计 与 原理 ３ ． １ 整体 设 计 方 案 系 统 的整 体 方 案设 计 如 图２ ． １ 所示。
矿 山 、港 口 、建 筑 、 汽 车 等 领 域 。 由于 其 精 度 高 、 快 捷 轻 便 、 操 作 简 单 ，在 目
图２ １相 位 式 激 光 测 距 接 收 系统 整 体 设 计 方 粟
以 ，如 果 被 测 距 离 大 于Ｌ 时 ， 此 方 法 是 无 法 测 出 距 离 的 。但 当被 测 距 离 小 于 Ｌ 时 ，即ｍ ＝ Ｏ 时 ，可 以测 出被 测 距 离 Ｌ 为：
图２ ３光波在距离Ｌ 上 往 返 一 次 的相 位 变 化
但 是 ，相 位 测 量 技 术 不 能 测 量 出 光 波 相 移 中 ２ １ ｒ 的 整 数 倍 ， 而 只 能 测 出 光 波 相 移 中 不 足 ２ ７ ｒ 的尾 数 △ ， 也 就 是
说 只能够 确 定不 足 １ 的 小 数 ＝ 。所
△● 一
激光测距传感器工作原理脉冲和相位的区别
激光测距传感器工作原理脉冲和相位的区别
脉冲和相位法测距的区别是什么？
脉冲式激光测距传感器通过发送一束激光脉冲到目标物体，然后测量脉冲往返所需的时间来计算距离。
激光脉冲在发射后经过目标物体反射，返回传感器。
传感器根据脉冲往返的时间计算出目标物体的距离。
脉冲式激光测距传感器适用于长距离测量，其精度受限于脉冲持续时间和计时器的精度。
主要用于机载激光雷达、测距望远镜等远距离测场景。
相位式激光测距传感器通过发送连续激光束，并比较发射和接收激光束的相位差来计算距离。
相位式激光测距传感器在测量过程中，通过调整发射激光的频率或相位，并与接收到的反射激光进行相位比较，从而计算出目标物体的距离。
相位式激光测距传感器适用于中短距离测量，具有较高的精度。
主要用在工业自动化、机器人导航等精度要求高的场景。
在实际应用中，可以根据需求选择适合的激光测距传感器。
一种脉冲_相位式激光测距仪的设计
图 1 脉冲相位式激光测距系统框图 为减小噪声干扰 ,提高 DDS 的频谱纯度 ,选用低相位 实现距离的粗测 ,而精测部分则完全由对发射信号和回波
噪声的器件 ,采用对电源有良好去耦合的高稳定高纯度的 时钟信号 。同时运用同轴线馈入时钟信号 ,以防时钟的泄
信号的相位差的测量精度决定 。由此 ,限制系统测量精度 的主要因素是对相位差的测量 ,以前的设计系统中对相位
差 ,设最大点为 k0 ,最大点的相位为 <则有相位差
θ= Nf 0<
(10)
k0 f s
由此即可求得距离差为 :
d=
c 2
×2π1 f
×θ
(11)
由最后的公式知 ,DSP 只需要对选频信号分别采样 ,
做 FF T 变换后点乘 ,并求取此时最大值的相位和位置即可
求出相应的距离差 。
由以上测距公式知信号为 30 M Hz 时 , 采样频率为
800 k Hz 的情况下 ,如果想让系统达到 1 mm 的测距精度
则理论分析有 :
Δθ = 4πf ×Δd/ c
(12)
代入相应的数值有如下计算结果 :
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激光测距技术是以集光学、激光技术、精密机械、电子学、计算技术及光电子等多 种技术的综合应用。随着激光技术、电子技术、计算技术和集成光学的发展，激光测距 仪朝着数字化、自动化、小型轻便化方向发展。并且而随着小型专用计算机的发展和应 用，使激光测距仪的工作效率、测距精度和测量速度有了非常大的提高。此外，半导体 激光器的出现使整个仪器的体重和重量也大为减少。因此研究激光测距对于军工、科研 等高精度要求的测距以及需要野外作业的测距有着很大的意义。
脉冲发射的相位式激光测距技术研究
2
制，出现了半导体激光自混合干涉测距技术 [5] 。它是利用被测物体形成的反馈光对线性 调频 LD 光源输出光功率的调制特性，实现绝对距离测量。由于其光学系统仅包含一个 光源和一个准直透镜，结构极其简单、紧凑，系统易准直，因此倍受关注。
除了主动激光测距外，还有一种被动光学测距方法，叫做光子微分法。它指对目标 辐射光提取两个或更多个不同的光测数据，并从这些数据中求出距离。称为被动测距的 光度测量测距技术 [6]−[7] 就是一种光子微分法。
激光测距是测量光束从光源发射到目标，再经反射回光源处的时间延时 T=2L/c， 算得距离 L=cT/2。光行进的时间测量分为脉冲式测距技术和正弦波（相位）式测距技术。 第一种技术是关于远距离的测量，主要应用在大地测量学中和军事领域中，它能测量到 100km 以上的距离。例如 1969 年的月距实验（LURE）[1] ，它是用调 Q 红宝石激光器通 过脉冲测量方法测量地球与月球的距离，测得从地球到月球的基准直线距离为 384000km，大约只有 30cm 的误差；而第二种技术是关于大地测绘、大气测量等地貌测 量的测距（<1km），它主要应用在土木工程和建筑行业中。1970 年研制的正弦波式的激 光二极管测距仪 [2] ，现在已经在建筑领域中得到了广泛的应用，代替了军用工程领域中 的经纬仪，它能直接测量几百米的距离，有厘米数量级的分辨率。我国也在 70 年代中 期研制成功了红外光电测距仪 [3] 。
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秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指
导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所
罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得
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导师签名：
日期
第一章 绪论
利用激光的干涉性好特性，激光测距技术出现了干涉法距离测量方法。它是将一束 相干光照射到远距离的目标上，用一个参考光与反射回来的光进行干涉，再通过光电探 测测量该相干光。该相干光中包含有 cos2ks，由 cos2ks 可以计算出距离等于多少个λ/2。
随着激光理论、激光器件的发展和提高，基于电光效应、声光效应等激光调制器件 的成熟，使对激光输出频率进行调制成为可能，出现了可调谐激光器。基于可调谐激光 器产生了调频连续波(FMCW)激光测距法 [4] 它主要是通过发射一频率连续可调的激光， 测量接收到激光的频率来推算距离。半导体激光器的出现以及对半导体激光器的直接调
It is expected that this method could be used in the space laser communication, high-precision, long-range laser ranging on non-cooperative targets.
Keywords：Laser ranging technique, phase modulation, pulse modulation.
该方法是通过用等周期脉冲调制激光光波来代替连续光强调制激光光波，即脉冲出 现的位置代表原连续调制信号的过零点位置，而激光光波脉冲的幅度和宽度不变。因此， 当激光功率不稳定时，发射的激光脉冲强度变化时不会影响到调制信号的相位信息。利 用等周期激光脉冲光波往返于被测距离的相位差，求得待测距离。根据该激光测距原理， 本文利用 DDS 频率合成技术和高频电路设计知识，设计了激光测距系统方案，并对该方 案进行分析，包括高频连续正弦信号与同频脉冲（方波）信号之间的关系，产生高精度 高频率脉冲（方波）的方法，高频脉冲（方波）信号的混频技术以及基于 CPLD 的数字 鉴相技术等。随后进行了电路制作，硬件实现和系统调试等工作。这样即实现了脉冲测 距的测程远，功耗小的优点，也实现了相位式激光测距的高精度优点，有效地解决了相 位法测距中测程与测量精度之间的矛盾，具有实际使用价值。
1
第一章 绪 论
§1.1 激光测距技术的发展
随着人类社会的发展，人们对距离测量的需求越来越多，由原来的建筑物等局部测 量到大地地貌、月球等超远距离测量，测量精度要求也越来越高。因此人类在不停的研 究新的测量方法和理论，同时随着技术手段的不断进步，测量方法和技术也不断进步。 现代电子技术的飞速发展，大大推进了距离测量技术和仪器的发展。在激光没有发明前， 利用光学距离测量是基于三角测量法。用二个分开的点对测量目标进行瞄准，两点的距 离为 D，测量两个点分别与目标连线所形成的夹角α，可以测得距离 L=D/α。自 1960 年第一台激光器一红宝石激光器发明后，光学距离测量进入了基于激光技术的距离测量 时代。由于激光的方向性好，能量集中、单色性等特点，利用激光进行距离测量，可实 现距离测量的高精度，远距离等优势，使激光测距技术成为距离测量的主要技术之一， 广泛应用在军事和民用领域。
西安电子科技大学 硕士学位论文
脉冲发射的相位式激光测距技术研究 姓名：王刚
申请学位级别：硕士 专业：光学工程 指导教师：曾晓东 20100101
中文摘要
I
中文摘要
激光测距技术，尤其是相位式激光测距技术，是一种应用广泛的距离测量技术，具 有精度高、昼夜可用且性能可靠等特点，受到工程测量部门的广泛使用。一般情况下， 相位式激光测距是用一调制信号对发射连续的光波进行光强调制，利用混频技术和自动 测相技术，测量“调制光波”往返于被测距离的相位差，间接求得待测距离。然而对光 强的连续调制存在调制波形易变形，且随着调制频率的增加，调制深度会降低，特别是 在高频时就更为严重；并且与脉冲式激光测距相比，连续光强调制消耗功率大，测量距 离不远等不足。从而限制了相位式激光测距技术的应用。针对连续光波光强调制存在的 不足，分析相位式激光测距的检相过程，发现对检相有用的信号是整形过程中的过零点 的部分，而连续信号的其他部分对数据处理没有贡献，反而这些部分使激光器连续工作， 既损耗着功率，也在减少激光器的寿命。根据信号的傅里叶变换理论、频谱分析方法， 脉冲（方波）与同频正弦信号之间的关系，并借鉴脉冲式激光测距技术的优点，产生了 基于脉冲信号调制的相位式激光测距想法。
总之，随着激光技术和电子技术的发展，激光测距向着高精度、大量程的方向发展， 势必在多种领域得到更为广泛的应用。尤其是在激光大气通信，非合作目标的高精度、 远距离激光测距的应用方面具有很大的应用空间。
关键词：激光测距技术、相位、脉冲
ABSTRACT
Ig technique, particularly, phase-laser ranging technique, is widely used in distance measurement with high precision, available in day and night, and reliable, and is widely used in the engineering measurement. Normally, phase-modulated laser ranging uses a continuous light wave signal for the launch system, by frequency mixing, and automatic phase measuring technique, measuring “modulated waves”. Based on the phase difference between the reflected signal and the local emitting signal, the unknown distance can be obtained. However, the light wave with continuous waveform modulation is easily changed in the transmission, and with the increase in modulation frequency, modulation depth will be reduced, especially at high frequencies; Compared with the pulsed laser ranging, continuous light modulation has large power consumption, and can not be used in the long distance situation. In order to overcome the drawbacks of continuous light wave Modulation, we propose a pulse-modulation scheme.