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。

脉冲法测距的过程是这样的：测距仪发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收，测距仪同时记录激光往返的时间。

光速和往返时间的乘积的一半，就是测距仪和被测量物体之间的距离。

脉冲法测量距离的精度是一般是在+/- 1米左右。

另外，此类测距仪的测量盲区一般是15米左右。

二、实验目的：
1、对激光测距仪的构成具有一定认识；
2、了解激光测距的发展过程；
3、了解激光测距的工作原理；
4、由激光测距仪的原理动手测量一段距离，了解换算过程，增强动手能力。

三、相位式激光测距仪原理
激光测距仪的测距原理是：由激光器对被测目标发射一个光信号，然后接受目标反射回来的光信号，通过测量光信号往返经过的时间，计算出目标的距离。

设目标的距离为L ，光信号往返所走过的距离即为2L
则：￡=2L ／c
即：L =ct ／2 (1)
式中 c 一光在空气中的传播速度c ≈3×10 m ／s ；
￡一光信号往返所经过的时间，S ；
L 一检测目标的距离，rn 。

测距仪由激光器发出按某一频率变化的正弦调制光波，光波的强度变化规律与光源的驱动电源的变化完全相同，发出的光波到达被测目标，通常这种测距仪都配置了被称为合作目标的反射镜，这块反射镜能把入射光束反射回去，而且保证反射光的方向与入射光方向完全一致。

在仪器的接收端获得调制光波的回波，经鉴相和光电转换后，得到与接受到的光波调制频率相位完全相同的电信号，此电信号放大后与光源的驱动电压相比较，测得两个正弦电压的相位差，根据所测相位差就可算得所测距离。

假设正弦调制光波往返后相位延迟一个ϕ角，又令激光调制频率为0ω,则光波在被测距离上往返一次所需时间t 为：
0/ωϕ=t
把上式代入测距公式(1)中，得到：
02/ωϕc L =
而ϕπϕ∆+⨯=2N ，所以被测距离L 为：
)()2/(2/)2(000N N L N L N c L ∆+=∆+=∆⨯⨯=πϕωϕπ
式中 0L 一光尺，002/f c L =；
02/πϕ∆=∆N
显然，只要能够测量出发射和接收光波之间的相位差，就可确定出距离L 的数值。

但目前任何测量交变信号相位的方法，都不能确定出相位的整周期数N ，
只能测定不是π2的尾数ϕ
∆，由于N值不确定，故距离L就成为多值解。

既然相位测量可以确定被测量的尾数，那么，利用两种光尺同时测量同一个量，则可
L=0．1 以解决多值问题。

系统中用两把精度都是1‰的光尺，其中一把光尺的
01
L=10 m，分别测量同一距离，然后把测得的结果，相互组合m，另一把光尺的
02
起来即可。

L光尺测量得到不足0．1的尾数0．047 m，比如：距离为2．047 m，用
01
L光尺测量得到不足10 m 的尾数为2 m，把两个光尺相加起来的读数为用
02
2．047 m 。

四、实验设备及元器件：
激光发射器
分光镜
反光镜
接收器2只
电子示波器
五、实验原理：
由激光发射器发射一束激光。

经过分光镜后一束射向前方反光镜后，有信号接收器A接受，另一束直接由信号接收器B接收，两个信号接收器与激光发射器处于同一平面上。

通过示波器观察出两束光波的相位变化，得到两束光接收到的时间差，通过计算算得激光发射器与反光镜的距离。

六、实验装置图：
接收器A
七、实验内容与步骤：
1、连接实验设备，将各实验器材放在实验台的相对位置上，调整分光镜、反光镜、接收器，使接收器能够准确的接收到两束光。

2、确认各个实验器材的位置，使接收器能够准确的接收到两束光，
3、通过观察电子示波器中出现的两个波形图，得到两束光接收到相差的时间差s 。

4、计算：
设激光发射器与反光镜距离为a ，接收器B 与分光镜距离为b ，分光镜与反光镜距离为c ，反光镜与接收器A 的距离为d ，激光发射器与分光镜距离为e 。

设b S 与e S 已知，
e b d c a S S S S S +-+=2/)(，
s c S S d c ⨯=+
代入解得a S
八、实验数据计算
本次试验测得13ns ；
m S S S S S e b d c a 95.12.02/)1.01012103(2/)(98=+-⨯⨯⨯=+-+=-
九、知识拓展：
激光测距仪-品牌及分类
1.手持激光测距仪
测量距离一般在200米内，精度在2mm左右。

这是目前使用范围最广的激光测距仪。

在功能上除能测量距离外，一般还能计算测量物体的体积。

2. 望远镜式激光测距仪
测量距离一般在600-3000米左右，这类测距仪测量距离比较远，但精度相对较低，精度一般在1米左右。

主要应用范围为野外长距离测量。

3.工业激光测距仪
测量距离在0.5-3000米左右，精度在50mm以内，300米外要加设反光板，部分产品还能在测距的同时测速。

主要应用于位置控制（如车辆和船舶）；定位起重机；装卸和搬运设备；飞机测量（测高仪）；冶金过程控制；测量不宜接近的物体（如管灌装物、管道、集装箱），以及水位测量。

典型的传感器有LDM301、LDM4x。