相位式激光测距原理及其技术实现
用于相位法激光测距的电路系统设计
用于相位法激光测距的电路系统设计激光测距是一种常用的非接触式测量技术，可以精确测量目标物体与测距仪的距离。
相位法激光测距是其中一种常见的方法，通过测量激光光波的相位差来计算距离。
下面将介绍一个基于相位法激光测距原理的电路系统设计。
1. 激光发射电路：设计一个激光二极管的驱动电路，可以通过电流控制二极管的发射光强。
使用一个恒流源以确保驱动电流的稳定性。
此外，还需要添加一个调节电路，可以根据需要调整激光发射的光功率。
2. 光电检测电路：将光电二极管作为光电检测元件接在测距仪上，用于接收激光反射光信号。
光电二极管产生的电流与光的强度成正比。
使用一个高增益的放大器将光电二极管产生的微弱电流信号放大。
3. 相位差测量电路：使用一个相位差测量电路来测量激光光波发射和接收之间的相位差。
该电路可以采用锁相放大器或频率调制技术。
在锁相放大器中，将激光发射的信号作为参考信号，将光电二极管接收到的信号作为待测信号输入。
锁相放大器可以精确测量相位差，并输出一个稳定的直流电压信号。
4. 距离计算电路：将锁相放大器输出的直流电压信号输入到距离计算电路中，根据相位差和激光波长的关系，计算出目标物体与测距仪之间的距离。
该电路可以通过编程芯片或者专门的测距芯片来实现距离计算。
以上是一个基于相位法激光测距原理的电路系统设计。
通过精心选择和设计各个电路模块，可以实现高精度和稳定的激光测距功能。
需要注意的是，在实际设计中还需考虑电路的抗干扰能力、功率稳定性和其他实际应用需要的因素。
在激光测距中，相位法是一种常用的方法，能够提供高精度和高稳定性的测距结果。
相位法激光测距的原理是通过测量激光发射和接收之间的光波相位差来计算目标物体与测距仪之间的距离。
在设计电路系统时，需要考虑到激光发射电路、光电检测电路、相位差测量电路和距离计算电路等各个环节。
首先，激光发射电路是相位法激光测距系统中的重要组成部分。
它负责驱动激光二极管发射具有稳定光强的激光光束。
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。
激光测距技术原理
激光测距技术原理：1.激光的亮度高。
固体激光器的亮度更可高达1011W／cm2Sr这是因为激光虽然功率有限，但是由于光束极小，于是具有极高的功率密度，所以激光的亮度一般都大于我们所见所有光（包括可见光中的强者：太阳光），这也是激光可用于星际测量的根本原因所在；2.激光的单色性好。
这是因为激光的光谱频率组成单一。
3.激光的方向性好。
激光具有非常小的光束发散角，经过长距离的飞行以后仍然能够保持直线传输；4.激光的相干性好。
我们通常所见到的可见光是非相干光，激光可以做到他们都做不到的事情，比如说切割钢材。
在测距领域，激光的作用更是不容忽视，可以这样说，激光测距是激光应用最早的领域（1960年产生，1962年即被应用于地球与月球间距离的测量）。
测量的精确度和分辨率高、抗干扰能力强，体积小同时重量轻的激光测距仪受到了大多数有测距需求的企业、机构或个人的青睐，其市场需求空间大，应用领域广行业需求多，并且起着日益重要的作用。
一、相位法激光测距技术原理：当今市场上主流的激光测距仪是基于相位法的激光测距仪。
这是因为基于相位法的激光测距仪轻易地就可以克服超声波测距的一大缺陷：误差过大，使测量精度达到毫米级别。
而基于此法的激光测距仪主要的缺点在于电路复杂、作用距离较短（一百米左右，经过众多科学工作者的努力，现在也有作用距离在几百米的相位法激光测距仪）。
相位法激光测距技术，是采用无线电波段频率的激光，进行幅度调制并将正弦调制光往返测距仪与目标物间距离所产生的相位差测定，根据调制光的波长和频率，换算出激光飞行时间，再依次计算出待测距离。
该方法一般需要在待测物处放置反射镜，将激光原路反射回激光测距仪，由接收模块的鉴波器进行接收处理。
也就是说，该方法是一种有合作目标要求的被动式激光测距技术。
如下图所示：由图所显示的关系，我们可以知道，用正弦信号调制发射信号的幅度，通过检测从目标反射的回波信号与发射信号之间的相移φ，通过计算即可以得到待测距离。
相位式光电测距的基本原理
相位式光电测距的基本原理
嘿，朋友们！今天咱来聊聊相位式光电测距的基本原理，这可真是个神奇又有趣的玩意儿呢！
你看啊，相位式光电测距就好像我们和目标之间的一场特殊“对话”。
想象一下，我们发出一束光，就像我们向目标喊了一句话。
这束光跑啊跑，跑到目标那里，然后又反射回来。
我们呢，就等着接收这个反射回来的光。
这里面关键的就是这个“相位”啦！就好比我们听音乐的时候，不同的音符有不同的频率和相位。
这束光也是一样，它在传播的过程中，相位会发生变化。
我们通过检测这个相位的变化，就能知道光跑了多远啦！
说起来简单，实际可复杂着呢！这就像是解一道很难的谜题。
我们得非常精确地测量和分析这个相位的变化。
就好像你要在一堆沙子里找出一粒特别的沙子一样，需要特别的细心和耐心。
那这相位式光电测距有啥用呢？哎呀，用处可大了去了！比如在建筑工地上，工程师们要用它来精确测量距离，这样才能保证建筑物建得稳稳当当的呀！还有在测绘领域，没有它，那些地图可就没那么准确啦！
而且哦，这技术还在不断发展和进步呢！就跟我们人一样，不断学习，不断变得更好。
以后说不定能测的距离更远更精确呢！
总之呢，相位式光电测距真的是个了不起的东西。
它就像我们的眼睛一样，能帮我们看到那些我们用普通方法看不到的距离和细节。
它让我们的生活变得更方便，让我们的世界变得更精彩！所以啊，可别小看了这小小的相位式光电测距哦，它可是有着大大的能量呢！。
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及其技术实现
相位式激光测距技术实现（1）
一、激光调制的实现
由于采用多尺度测量，而且是运用间接测尺频 率方式和差频测相技术，这就要求系统必须有一套 高性能的频率发生装置，实现多种频率的高速切换。 而且为保证测量精度，要求频率发生器的精度很高。 传统的压控振荡器不仅频率稳定速度慢，而且频率 精度不高，不能胜任激光调制的任务。目前在电子 工程领域得到广泛应用的DDS(直接数字频率合成) 技术，非常适合作为这里对激光进行调制的频率源。
相位式激光测距技术实现（2）
DDS的原理框图
目前许多芯片公司都已生产了性能可观的DDS芯片， 如Standford公司的STEL2375，其最高工作频率可达 1GHz，输出信号带宽为400MHz，频率分辨力为mHz级。 可见，这些性能指标完全可以满足激光调制的需要。
相位式激光测距技术实现（3）
二、相位差测量的实现
相位式激光测距原理分析（4）
三、间接测尺原理（1）
上述的直接测尺频率方式在实际应用中会遇到频带过宽，测
相精度难以实现的问题。例如：要求测程100km，精度0.01m，
测相精度为1／1000，则对应的直接测尺长度为10150kHz，15MHz，频带宽近15MHz。
相位式激光测距原理分析（6）
四、相位差测量原理 （1）
主控振荡器信号 es1 =Acos(ωs t+ φs) 本地振荡器信号 el =Acos(ωl t+ φl) 接受到的信号 es2 =Acos(ωs t+ φs +Δφ)
相位式激光测距原理分析（7）
四、相位差测量原理（2）
混频后输出：
参考信号 er =Dcos[(ωs –ωl)t+(φs- φl)] 测距信号 es =Dcos[(ωs –ωl)t+(φs- φl)+ Δφ] 取ωs –ωl在几kHz到几十kHz，这样包含相位差信息的正弦信
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。
相位测距
基本原理相位式激光测距是通过测量连续的调制光波往返距离产生的相位延迟,间接的测定光在空气中往返于待测目标间的飞行时间,从而求出被测距离。
由激光调制发射系统、反射器、光电探测接收系统、频率综合部分(本振信号产生)、相位测量、以及显示部分组成。
由于测距的调制信号频率比较高,如果直接测量相位信息,则对测相芯片的分辨率要求比较高,而且误差比较大。
因此通常测距仪都采用了混频测相的方式对,高频信号与本振信号进行差频然后得到中低频信号,进行相位比较,后续通过AD转换和单片机把相位差信息转换成我们所需要的距离信息并且显示出来。
频率选择根据测距仪的设计需要,比如:测量精度、量程、计算简便,选择合适的测尺频率。
测尺频率可由下式确定:相位测量技术相位式激光测距仪中测距光波被接收以后通过测量相位差来计算光波飞行时间,因此相位测量是测距仪中关系到测距精度的一个关键部分。
主要的数字相位测量方法有以下几种:自动数字测相、欠采样同步检测法、向量内积法。
由于相位式激光测仪的测距要求精度比较高,测距光波的调制频率比较高,因此直接进行相位测量,则对器件的要求比较高,现在一般都釆用混频的方式与数字检相搭配使用,这样可以先把高频信号差频成中频或低频信号,然后再进行相位比较。
激光测距仪的总体设计1)采用波长为650mn的半导体激光器做光源,雪崩二极管做光电探测器;2)选用单一的直接测尺方式,测尺频率为lOMHz ,本地振荡信号频率为9.995MHz;3)用AD8002A做光电探测器前置放大电路和带通滤波器;4)用于测相的混频输出信号为5KHz,理论测尺长度为15米。
测相精度在毫米量级;5)使用AD8302做测相芯片,模数转换芯片将模拟信号转换成数字信号,传送给单片机控制系统,并且通过LCD显示出距离;6)采用窄带干涉滤光片来抑制带外噪声。
激光调制：利用有源晶体振荡器来产生lOMHz的高频振荡信号接入调制电路V端,测距回波接收部分光电器件：APD硅光电二极管在体积、响应速度、可靠性上相比其他元件都有非常好的特性，特别是硅材料制成的雪崩光电二极管（Avalanche Photo Diode，简称APD）。
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相位式激光测距原理分析（4）
三、间接测尺原理（1）
上述的直接测尺频率方式在实际应用中会遇到频带过宽，测 相精度难以实现的问题。例如：要求测程100km，精度0.01m， 测相精度为1／1000，则对应的直接测尺长度为100km，1km， 10m，频率分别为1.5kHz，150kHz，15MHz，频带宽近15MHz。 在这么宽的频带内保证1／1000的测相精度是很难实现的，故实 际测量中采用间接测尺频率方式。 用两个频率fs1和fs2的调制光去测同一距离得到： L=Ls1(m1+Δm1) L=Ls2(m2+Δm2) 等效形式为： L=Ls (m+Δm) 其中Ls=Ls1Ls2/（Ls2+Ls2）=1/2×C/(fs1- fs2)=1/2×C/ fs m=m1-m2 Δm=Δm1-Δm2 fs =fs1- fs2 C为光速
四、相位差测量原理 （1）
主控振荡器信号 es1 =Acos(ωs t+ φs) 本地振荡器信号 el =Acos(ωl t+ φl) 接受到的信号 es2 =Acos(ωபைடு நூலகம் t+ φs +Δφ)
相位式激光测距原理分析（7）
四、相位差测量原理（2）
混频后输出： 参考信号 er =Dcos[(ωs –ωl)t+(φs- φl)] 测距信号 es =Dcos[(ωs –ωl)t+(φs- φl)+ Δφ] 取ωs –ωl在几kHz到几十kHz，这样包含相位差信息的正弦信 号频率大大降低，提高了下一步测相的精度。
相位式激光测距原理分析（5）
三、间接测尺原理（2）
对于上例的测量要求，用间接测尺频率方式，从表可以看出， 各个间接测尺的频率值非常接近，频宽为150kHz，只有直接 测尺方式的1／100。在这样窄的频率范围内可以使放大器和 调制器获得相当接近的增益和相位稳定性，从而提高测量精 度。
相位式激光测距原理分析（6）
相位式激光测距技术实现（2）
DDS的原理框图
目前许多芯片公司都已生产了性能可观的DDS芯片， 如Standford公司的STEL2375，其最高工作频率可达 1GHz，输出信号带宽为400MHz，频率分辨力为mHz级。 可见，这些性能指标完全可以满足激光调制的需要。
相位式激光测距技术实现（3）
二、相位差测量的实现
为简化相位差计电路的设计，减小系统的体积和功耗， 采用FPGA(现场可编程门阵列)配合少量地外围电路实现相 位差的测量，换算和显示功能。
Thanks
The End
Any questions please mail to tjuhuangjack@
相位式激光测距原理分析（3）
二、多尺度原理
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m，只能测出不足一个波长的尾数部分Δφ=2πΔm，由于m 值不确定，故距离LAB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，则可以解 决多值问题。系统中用两把相同精度的光尺，其中一把光尺的 Ls1 <LAB ，另一把光尺Ls2>LAB ，分别测量同一距离，然后把测 得的结果，相互组合起来即可。比如：距离为2.047m，用Ls1 =0.1m的光尺测量得到不足0.1m的尾数0.047m，用Ls2=10m的光 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2.047 m。 这样就解决了大量程和高精度的矛盾。其中最长 的测尺决定了测距的量程，最短的测尺决定了测距的精度。
一、激光调制的实现
由于采用多尺度测量，而且是运用间接测尺频 率方式和差频测相技术，这就要求系统必须有一套 高性能的频率发生装置，实现多种频率的高速切换。 而且为保证测量精度，要求频率发生器的精度很高。 传统的压控振荡器不仅频率稳定速度慢，而且频率 精度不高，不能胜任激光调制的任务。目前在电子 工程领域得到广泛应用的DDS(直接数字频率合成) 技术，非常适合作为这里对激光进行调制的频率源。
相位式激光测距原理及其技术实现
2005级光学工程 黄岑 (2005202089) tjuhuangjack@
激光测距概览
• 激光测距按实现机理可分为脉冲式和连续波相位式。 • 脉冲式的优势在于测试距离远，信号处理简单，被测 目标可以是非合作的。但其测量精度并不太高，现在 广泛使用的手持式和便携式测距仪大多采用这种原理， 作用距离为数百米至数十千米，测量精度为五米左右。 • 连续波相位式激光测距仪是用无线电波段的频率，对 激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产 生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延 迟所代表的距离。连续波相位式的优势是测距精度高， 相对误差可保持在百万分之一以内，但被测目标必须 是合作的。
相位式激光测距原理分析（1）
原理示意图：
相位式激光测距原理分析（2）
一、基本原理 • 若调制光角频率为ω，在待测量距离LAB上往返一次 产生的相位延迟为φ，则对应时间t 可表示为： t=(φ+Δφ)/ω 其中φ+Δφ=2π(m+Δm) m：表示激光往返LAB所经历的整数个波长 Δm：表示不足一个波长的分量 则待测距离LAB可表示为 LAB =1/2 ct=1/2 c·(φ+Δφ)/ω=1/2λ(m+Δm) =Ls(m+Δm) 其中 Ls称作“光尺”
相位式激光测距原理分析（8）
四、相位差测量原理（3）
相位差测量原理图：
两路信号的相位差Δφ=360Nτ/T=N(360 fc / fm ) 其中τ为频标脉冲周期； fm为频标脉冲频率； fc为被测信号 频率；N为计数值。 如果令fm =360fc ，则计数值N直接表示 了相位差，这时精度为1度。
相位式激光测距技术实现（1）