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激光测距
激光在军事中的应用激光测距激光测距技术出现于20世纪60年代中期，最早在航空、航天中得到应用、随着激光技术和数字处理技术的发展，由于其优异的性能得到了广泛的应用。
激光测距（laser distance measuring）是以激光器作为光源进行测距。
根据激光工作的方式分为连续激光器和脉冲激光器。
氦氖、氩离子、氪镉等气体激光器工作于连续输出状态，用于相位式激光测距；双异质砷化镓半导体激光器，用于红外测距；红宝石、钕玻璃等固体激光器，用于脉冲式激光测距。
激光测距仪由于激光的单色性好、方向性强等特点，加上电子线路半导体化集成化，与光电测距仪相比，不仅可以日夜作业、而且能提高测距精度，显著减少重量和功耗，使测量到人造地球卫星、月球等远目标的距离变成现实。
激光测距仪是利用激光对目标的距离进行准确测定(又称激光测距)的仪器。
激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。
激光测距有脉冲法、相位法和脉冲—相位法。
脉冲法准确度低，相位法准确度高1.脉冲法测距过程：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。
原理：测距机发射矩形波激光脉冲，入射被测目标后返回部分的激光由，c为光速，t为激光脉冲测距机接收。
测距机与目标物的距离L为 L=c t2往返时间。
在激光器发射功率一定的情况下，光电探测器接受的回波功率P L的大小与测距机的光学系统的透过率有关，与目标物物理性质有关，与被测距离L的大小有关。
在不同目标下的测距方程：漫反射大目标：P L=P T A R2πL2ρK f K R K T K2α漫反射小目标：P L=P T A O A R2πΩT LρK f K R K T K2α角反射棱镜合作目标：P L=P T A t A RΩtΩT LρK f K R K T K2α式中，P T为发射功率；A R为接收光学系统的有效面积，A O为目标的有效面积，A t为角反射棱镜的有效面积，ΩT为经发散光学系统激光发散角，Ωt为角反射棱镜的激光发散角，K T为干涉滤光片的峰值透过率，K R为接收系统的透过率，K T为发射系统透过率，Kα为单程大气透过率，ρ为目标反射率。
相位法激光测距
相位法激光测距
相位法激光测距是一种通过测量激光信号的相位差来确定目标物体距离的技术。
该技术利用了激光信号在发射和反射之间的时间差以及相位差的变化来计算距离。
相位法激光测距具有精度高、测量范围广、快速、可靠等优点，因此在工业、建筑、地质勘探等领域得到广泛应用。
同时，相位法激光测距也存在着一些局限性，如对目标表面的反射率要求较高、对大气的影响较大等。
随着激光技术的不断发展，相位法激光测距技术还将不断得到改进和完善。
- 1 -。
激光测距非常详细ppt课件
8.2 脉冲激光测距
激光测距的基本公式为：
d 1 ct 2
c——大气中的光速
t——为光波往返所需时间
由于光速极快，对于一个不太大的D来说，t是一个很小的量，
例：设D=15km，c=3×105km/sec
则t=5×10-5sec
由测距公式可知，如何精确测量出时间t的值是测距的关键。由 于测量时间t的方法不同，产生了两种测距方法：
卫星激光测距－激光器 ：
总的来讲在其它条件相同时，发射激光的脉冲能量 越高，脉宽越窄，重复率越高，峰值功率越大，则 系统的测距能力越高。
千赫兹皮秒激光器为第四代卫星激光测距之激光器。 下一代卫星测距用激光器为双波长激光器。
测距误差分析
（1） 测距系统仪器误差 – 激光脉冲宽度误差 – 时间间隔测量误差 – 主波计时探测误差 – 回波计时探测误差 – 时钟同步误差 – 时钟频率标准误差
卫星激光测距技术集光机电于一身,涉及计算机软、硬件技术, 光学、激光学、大地测量学、机械学、电子学、天文学、自动控制 学、电子通讯等多种学科。因此SLR测距仪系统十分复杂,消耗较大, 故障率较高,同时受天气因素制约,维护起来也比较困难,需要花费 较大的人力物力,但它又是目前精度最高的绝对观测技术手段。
即Ii=IN·Cosi 则该漫反射体称作“余弦幅射体”或“郎伯幅射体”。 设激光发射光轴与目标漫反射面法线重合，且主要反射 能量集中在1rad以内（约57°） 则Ω=πu2=π
则Pe Pt T / Pt T 1 2
式中：ρ——目标漫反射系数 Tα——大气单程透过率
3、测距仪光接受系统能接受到的激光功率Pr
SPAD
接收望远镜
转台
测距精度与激光脉宽
测距精度是由于激光脉冲前后沿时间差造成的；
激光测距(非常详细).ppt
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? ? 2? L c
L? c ?? 2nf 2?
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短距离、
高精度， 精度可达 毫米级。
三、卫星激光测距
作为激光测距应用的最重要成果之一 ——卫星激光测距 Satellite Laser Ranging ,简称为 SLR）技术起源于二十世纪六 十年代，是目前单次测距精度最高的卫星观测技术，其测距精度已 达到毫米量级，对卫星的测轨精度可达到 1-3 cm。
激光测距是通过测量激光光束在待测距离上往返传播的时间来换算出 距离的，其换算公式为：
d ? ct 2
测距方法分类
脉冲测距法：测距仪发出光脉冲，经被测目标反射后，光 脉冲回到测距仪接收系统，测量其发射和接收光脉冲的时 间间隔，即光脉冲在待测距离上的往返传播时间t。脉冲法 测距精度大多为米的量级； 相位测距法：它是通过测量连续调制的光波在待测距离上 往返传播所发生的相位变化，间接测量时间t。这种方法测 量精度较高，因而在大地和工程测量中得到了广泛的应用。
第九讲 激光测距
电子工程学院光电子技术系
主要内容
8.1 概述 8.2 脉冲激光测距 8.3 多周期脉冲激光测距 8.4 相位激光测距
8.1 概述
激光测距的特点
激光测距仪与其它测距仪(如微波测距仪等)相比， 具备的特点： ? 探测距离远测距精度高 ? 抗干扰性强 ? 保密性好 ? 体积小 ? 重量轻
一、脉冲激光测距
由激光器对被测目标发射一个光脉冲，然后接收系统接收目标 反射回来的光脉冲，通过测量光脉冲往返的时间来算出目标的距离：
d ? ct 2
测程远，精度与激光脉宽有关，普通的纳秒 激光测距精度在米的量级 。
t 的测量：
开
结
始
束Байду номын сангаас
激光测距非常详细课件
一、脉冲激光测距
由激光器对被测目标发射一个光脉冲，然后接收系统接收目标 反射回来的光脉冲，通过测量光脉冲往返的时间来算出目标的距离：
d ct 2
测程远，精度与激光脉宽有关，普通的纳秒 激光测距精度在米的量级 。
t 的测量：
开
结
始
束
在确定时间起始点之间 用时钟脉冲填充计数。
t
时钟 脉冲
t=NT
激光测距是通过测量激光光束在待测距离上往返传播的时间来换算出 距离的，其换算公式为：
d ct 2
测距方法分类
脉冲测距法：测距仪发出光脉冲，经被测目标反射后，光 脉冲回到测距仪接收系统，测量其发射和接收光脉冲的时 间间隔，即光脉冲在待测距离上的往返传播时间t。脉冲法 测距精度大多为米的量级； 相位测距法：它是通过测量连续调制的光波在待测距离上 往返传播所发生的相位变化，间接测量时间t。这种方法测 量精度较高，因而在大地和工程测量中得到了广泛的应用。
机
箱
关
伺服系统
发射望远镜
SPAD
接收望远镜
转台
测距精度与激光脉宽
测距精度是由于激光脉冲前后沿时间差造成的；
因此激光脉冲宽度影响测距精度：L C t
表：测距精度与脉宽的比较
脉宽
10ns
100ps
测距精度 3m
3cm
10ps 3mm
卫星激光测距主要指标与激光器分系统的关系
• 测距精度—激光脉宽. • 测程（近地星、远地星）—激光能量、发散角. • 回波率—激光能量、发散角、激光脉冲重复频率.
（2） 卫星反射器误差 – 反射器质心修正值误差
（3） 系统延迟测量误差 – 地靶距离标定误差 – 地靶常规标校测量误差
新激光ppt课件第九章 激光在精密测量中的应用
2. 反射衍射测量法 反射衍射是利用被测物的边缘和反射镜构成的 狭缝来进行衍射测量的。
反射衍射法原理图
在P点处出现第k级暗条纹的光程差应满足 ： 2b sin 2b sin k
z0
0
TEM00光束远场发散角2 的公式为： 为了便于控制和提高对准 精度，一般的激光准直仪 都采用光电探测器来对准， 因此准直仪的基本组成有 如下几个部分。
z z z0 ( 02 )2 1 0
0
激光准直仪的基本组成方框图
2. 发射光学系统 激光准直仪的发射光学系统是一个倒置的望远 镜，如图。
激光准直仪光学系统结构示意图
2 分别为高斯光束入射和出射该望远系 如果 2 ， 统的光束发散角的话，令该望远系统对高斯光束的 发散角压缩比为 M ' 21 22 ，则有 M ' M
1 2
0
由于衍射效应,出射光束发散角还与物镜孔径有关.
根据圆孔的夫琅和费衍射理论可知,一个直径为D 的圆孔所造成的衍射角(即光束发散角的一半)为 0 1.22
下图是用爱里斑测量人造纤维或玻璃纤维加
工中的喷丝头孔径的原理图。
喷丝头孔径的爱里斑测量原理示意图
三、 激光衍射测量的应用
1. 薄膜材料表面涂层厚度测量 薄膜材料表面涂层厚度测量是使用分离间隙法， 原理如图。
薄膜材料表面涂层厚度测量
2. 薄带宽度测量 钟表工业中的游丝以及电子工业中的各种金属薄 带(一般宽度在1毫米)以下，均可利用激光衍射互补 测量法进行测量。在测量时要求薄带相对激光束的 光轴有准确的定位，否则将引起测量误差。下图是 薄带宽度测量原理图。
激光测距 相位
相位式激光测距是一种常见的激光测距方式，它采用连续调制的光束。
当这种光束遇到被测物体并反射回来时，通过对比接收到的光束中产生的相位变化，可以换算出测量距离。
这种方式的优点在于，由于是对发射光波的光强进行调制，并通过测量相位差来间接测量时间，所以其处理难度相对于直接测量往返时间的方式降低了许多。
相位式激光测距通常适应于中短距离的测量，其测量精度可以达到毫米、微米级，也是目前测距精度最高的一种方式。
具体的测量公式为：L = ϕ⋅c ⋅T / (2π)，其中L为测量距离，c为光在空气中的传播速度，T为调制信号的周期时间，ϕ为发射与接收波形的相位差。
激光相位法测距课件
在信号处理过程中，放大器噪声和ADC量化误差是主要的误差源。放大器噪声是由于电子热运动产生的随机波动，而ADC量化误差是由于有限位数对模拟信号的近似表示造成的。此外，时钟源的误差也会影响信号处理的精度，因为时钟源决定了信号处理的采样率和时间基准。
05
CHAPTER
提高激光相位法测距精度的措施
定期清洁光学元件，确保光路畅通无阻，减少光的散射和反射。
保持光路的清洁
保持光路环境的恒温，避免温度变化对光学元件的影响，确保光路的稳定性。
温度控制
采取有效的减震措施，降低外界振动对光路稳定性的干扰。
振动隔离
根据测距范围和精度要求，选择适当的调制频率，以提高信号的信噪比和抗干扰能力。
调制频率选择
根据调制频率和系统带宽，选择合适的采样频率，确保能够准确捕获信号相位信
感谢您的观看。
远距离测量
由于激光的相干性和干涉效应，激光相位法测距具有较强的抗干扰能力，能够在复杂的环境中进行测量。
抗干扰能力强
激光相位法测距需要稳定的测量环境，以避免外界因素对干涉信号的影响。
需要稳定环境
激光相位法测距在航天领域中广泛应用于卫星轨道测量、地球观测和天文观测等。
航天测量
激光相位法测距在军事领域中用于远程武器定位、导弹精确制导和战场侦察等。
04
CHAPTER
激光相位法测距的误差分析
光路调整误差是由于发射和接收光路的不对准或光学元件的误差所引起的。
总结词
在激光相位法测距中，发射和接收光路必须精确对准，以确保测量结果的准确性。任何光路的不对准都会导致测量误差，因为接收器可能无法正确接收发射器发出的激光信号。此外，光学元件的误差也会影响光路的调整，如透镜和反射镜的制造误差。
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模拟开关切换电路
6、CPLD电路设计 具体的设计指标：电路I/O 口为LVTTL电平；计数频 率大于100MHZ 在该系统中，差频系统与检相系统都是在CPLD内部 实现
CPLDEPM240核心电路
7、单片机相关电路设计 单片机为ATM128
单片机及其外围电路
8、电源模块设计 整个系统所需的电源电压有+9V, +5V, -5V, +3.3V和 +1.8V。 其中+9V可由交流转直流的变压器提供，也可由蓄 电池提供，而其它电源则由+9V转化而来。 （1）+5V 电源 二极管为常用的1N5824，开关电压调节器LM2596
(4)接收部分使用PIN光电二极管，经前置放大后， 使用MFB带通滤波提取有用信号，精尺频率与粗尺 频率经过通道切换幵关后采用同一组放大整形电路， 减小系统复杂度，缩小电路板面积，节约成本。 (5)在高速CPLD内部实现参考信号与本振信号的差 频、测量信号与本振信号的差频，两个差频采用自
主要元件：两片AD9954（直接数字式频率合成器）， ATM128单片机， EPM--240T100C5N， 液晶显示器LCD12864，开关电容芯片LM2662 ，低压差电压调节芯片LM1117， LM2596-5.0（开关电压调节器）， 电平转换芯片MAX3232和DB9的串口线接口， 高速比较器芯片AD8611， 高速电流反馈宽带运放AD8001 单刀双掷（SPDT)模拟开关ADG636， 电压反馈放大器AD8045， 激光二极管BOS650010， 双路、宽带跨导运算放大器OPA2662
1、频率综和电路 具体设计指标：产生5MHz，50MHz, 5.001MHz, 50.0001MHz的频 率；可在低频与高频间快速切换；电压幅度为-500mV~500mV。
信号源产生的电路原理图
2、激光调制电路
具体的设计指标为：激光光源为常见的红色可见激光； 偏置电流为30mA;调制电流幅度约为8mA。 选择的激光二极管是BOS650010， AD9954的输出经过低通滤波器滤波之后得到的主振调制 信号为电压信号，然而LD的调制特性需要的是电流信号， 故使用宽带跨导运算放大器OPA2662 ，来得到电流调制 信号。
检相脉冲宽度
自动数字检相法原理图
在“开门”时间内，计数器得到的单次检相脉冲数
闸门时间内，检相次数n可表示为：
总脉冲数
该分辨率是由 (时标脉冲频率）、_/；(差频信号频率）和 (高频调制频 率）三者共同决定的。
填充脉冲频率越高，检相精度也越高。在本系统中，正是利用了高速 CPLD实现高频脉冲的填充，来提高测量精度的。
基于CPLD的激光相位法测距
一、激光相位式测距的工作原理
调制发射光波与接收光波的相位变化
二、差频测相 为了提高测距的分辨率和精确度，调制的频率一般选择都较 高，需将参考信号(也称基准信号)和测距信号(也称被测信号) 变成中频或低频信号。
差频测相原理图示
主振调制信号
基准振荡器的号
输出差频参考信 号er和差频测量 信号es
激光调制发射电路
3光电检测电路 设计指标为：有效输出信号峰峰值大于20rnV;响应 速度小于20ns。
4带通滤波器的设计 具体的设计指标为：中心频率放大倍数均约为3倍； 品质因素50MHz时约为2.5MHz时约为3。 使用MFB 二阶有源带通滤波器
5频率通道选择电路设计 接收系统的通道选择器件选择了 ADI公司的双通道 单刀双掷（SPDT)模拟开关ADG636
+1.8V电源产生电路
本系统量程在25m以内测量精度可达0.1mm
谢谢观看
END
通
道
参考
放大整形
系统方案总体框图
Байду номын сангаас
选
择
测量
放大整形
(1)频率综合电路采用了频率切换速度快、分辨率高 的两片DDS芯片分别产生本振信号和主振调制信号， 均为正弦波，并由单片机控制，实现精尺频率与测 尺频率的快速切换。 (2)激光调制发射电路的激光器釆用半导体激光二 极管，属于电流驱动，主振调制电压信号经过一个 跨导器件OPA2662得到调制电流信号，与直流偏置
频率 切换 控制
单片机 系统控 制与数 据处理
驱计 动数 控值 制
频率综 合电路
本 振
激光调 制发射
参考
内光路
光电接 收前置 放大
反
射
光电接 收前置
外光路 面
放大
测量
50M带通 5M带通 50M带通 5M带通 滤波器 滤波器 滤波器 滤波器
50.001M 5.001M
整形
CPLD差 频与数 字检测
+5V电源产生电路
（2）-5V 电源 开关电容芯片 LM2662
（3）+3.3V 主要用于单片机
STC12LE5A16S2，CPLD 器件 EPM:240T100C5N 以及 AD9954的I/O 口供电
-5V电源产生电路
+3.3V电源产生电路
（4）+1.8V 主要用于DDS芯片AD9954的内核供电