相位法测距原理
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。
光电测距基本原理
光电测距仪根据测定时间t的方式，分为直接测定时间的脉冲测距法和间接测定时间的相位测距法。
高精度的测距仪，一般采用相位式。
相位式光电测距仪的测距原理是：由光源发出的光通过调制器后，成为光强随高频信号变化的调制光。
通过测量调制光在待测距离上往返传播的相位差φ来解算距离。
相位法测距相当于用“光尺”代替钢尺量距，而λ/2为光尺长度。
相位式测距仪中，相位计只能测出相位差的尾数ΔN，测不出整周期数N，因此对大于光尺的距离无法测定。
为了扩大测程，应选择较长的光尺。
为了解决扩大测程与保证精度的矛盾，短程测距仪上一般采用两个调制频率，即两种光尺。
例如：长光尺（称为粗尺）f1=150kHz，λ1/2=1 000m，用于扩大测程，测定百米、十米和米；短光尺（称为精尺）f2=15MHz，λ2/2=10m，用于保证精度，测定米、分米、厘米和毫米。
光电测距仪结构1．仪器结构主机通过连接器安置在经纬仪上部，经纬仪可以是普通光学经纬仪，也可以是电子经纬仪。
利用光轴调节螺旋，可使主机的发射——接受器光轴与经纬仪视准轴位于同一竖直面内。
另外，测距仪横轴到经纬仪横轴的高度与觇牌中心到反射棱镜高度一致，从而使经纬仪瞄准觇牌中心的视线与测距仪瞄准反射棱镜中心的视线保持平行，配合主机测距的反射棱镜，根据距离远近，可选用单棱镜（1500m内）或三棱镜（2 500m内），棱镜安置在三脚架上，根据光学对中器和长水准管进行对中整平。
2．仪器主要技术指标及功能短程红外光电测距仪的最大测程为2 500m，测距精度可达±（3mm+2×10-6×D）（其中D为所测距离）；最小读数为1 mm；仪器设有自动光强调节装置，在复杂环境下测量时也可人工调节光强；可输入温度、气压和棱镜常数自动对结果进行改正；可输入垂直角自动计算出水平距离和高差；可通过距离预置进行定线放样；若输入测站坐标和高程，可自动计算观测点的坐标和高程。
测距方式有正常测量和跟踪测量，其中正常测量所需时间为3s，还能显示数次测量的平均值；跟踪测量所需时间为0.8s，每隔一定时间间隔自动重复测距。
4.2 相位法测距汇总
u1T cos(2f 1t 1 ) u 2T cos(2f 2 t 2 )
4f 1 R0 u1R cos2 ( f 1 f d 1 )t 1 c 4f 2 R0 u2 R cos2 ( f 2 f d 2 )t 2 c
用测量两个分开频率间的相位差方法进行测距，类似于干涉仪天线那样利用间隔 很远的两部天线，通过测量相位差来测量角度。干涉仪天线测角精度高，但有角 度模糊，可利用安置在较近的附近天线解决模糊问题。在干涉仪天线系统中各个 天线间的空间配置相应于多频测距技术中频率间的间隔。
连续波多频雷达已广泛应用于大地测量和导弹制导中进行精确测距。命名为微波 测距仪的一种便携式电子勘测设备就是根据这个原理工作的。
2018/10/31
哈尔滨工业大学电子工程系
2
单频连续波的相位法测距
前面讲过简单的连续波雷达不能测距，但在一些情况下测量回波信号与 发射信号间的相对相位进行测距也是可能的，下面具体分析：
2018/10/31
哈尔滨工业大学电子工程系
3
单频连续波相位法测距
发射机 A 设单基地雷达位于A点，目标位于B点，两者 距离R，若发射、接收信号分别为：
目标B
u1 (t ) cos( 0 t 0 )
接收机
2R u2 u1 (t ) cos( 0t 0 0 ) c 式中 0 是发射信号的初始相位，发射信号与
目标回波的相位差：
1 2 0
相位计
2R c
相位法测距1 哈尔滨工业大学电子工程系 8
相位调制连续波雷达
调相连续波雷达系统采用每经τ秒便将离散相移加至发射的连续波信号的方 法来形成相位编码波形，以测量目标的距离。 下面讨论宽度为T的雷达发射脉冲的编码，将宽度分成N个子脉冲，每个宽 度为τ =T/N，然后用载波的相位对这些子脉冲进行编码。通常有两种类型的相位 编码技术： 二进制相位(双相)码：可简单地用正号+、负号-表示，正子脉冲标志表示没有相 移，而负脉冲标志表示载波有π弧度的相移，即反相。 多相位码：在子脉冲基础上的相移为 i
相位测距原理
相位测距原理
相位测距原理是一种基于光的干涉现象的测距方法。
它利用光的波动性质，通过测量光波传播过程中的相位差来确定被测物体到光源的距离。
在相位测距原理中，首先需要发射一束相干光束。
相干光是指波长相同、频率相同、且具有固定的相位关系的光波。
常用的光源有激光器和懒散光源。
当发射的光束照射到被测物体上时，一部分光束会被物体表面反射，另一部分光束则会经过物体表面透射或折射。
被反射的光束和透射或折射的光束分别称为光的参考波和测量波。
参考波和测量波在传播过程中会遇到相位差。
这是由于被测物体到光源的距离不同，导致光波传播的光程差不同所引起的。
光程差是指光波传播过程中参考波和测量波所走过的距离差。
可以通过干涉现象对相位差进行测量。
干涉是指两束或多束光波在空间叠加形成明暗条纹的现象。
当相位差满足一定条件时，就会产生干涉。
在相位测距原理中，通过调整参考波和测量波的相位差，使得干涉现象最大化。
这可以通过改变测量波的光程来实现。
通过改变测量波的光程，可以得到一系列干涉条纹，每个条纹对应着不同的相位差。
通过对干涉条纹的计数、分析和处理，可以确定干涉条纹的数
量，从而得到参考波和测量波之间的相位差。
通过相位差的测量，可以计算出被测物体到光源的距离。
相位测距原理广泛应用于测距仪、激光测绘、激光雷达等领域。
它具有高精度、高分辨率、无需物体与传感器直接接触等优点，是一种重要的测距方法。
4.2 相位法测距
(b) 未调制的连续波波形
(c) 调制后的连续波波形
相位调制的连续波波形示意图 文献中常用双相码相移的不同表示方式： 同相(无附加相移) 反相(π弧度的相移)
+ +1 0
2013-12-20 哈尔滨工业大学电子工程系
-1 1
10
峰值N，其中N为码长
Barker Codes
B.R. Mahafza et al, Matlab simulations for radar systems design, Chapman & Hall/CRC, 2004
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M序列的产生方法——线性移位寄存器法
n级线性移位寄存器的输出序列是一个周期序列，其最大可能周 期是N=2n-1，这样的序列称为最大长度序列或M序列，其中1元素比0 元素的个数多1，即0、1的个数分为(N-1)/2、(N+1)/2。
输出
1级 2级 3级
目标B
u1 (t ) cos(0 t 0 )
接收机
2R u2 u1 (t ) cos(0t 0 0 ) c 式中 0 是发射信号的初始相位，发射信号与
目标回波的相位差：
1 2 0
相位计
2R c
相位法测距雷达方框图
c R 4f 0 4
0 周期性M序列的自相关函数
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2013-12-20
哈尔滨工业大学电子工程系
周期性与非周期性M序列自相关函数的比较
{000100110101111 ∙ ∙ ∙ ∙}
{000100110101111}
M.I. Skolnik, Radar Handbook, 2nd Ed, McGraw-Hill Companies, Inc., 1990 (中译 本：电子工业出版社，2003)
相位式激光测距——间接tof法
相位式激光测距——间接tof法全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：相位式激光测距是一种常用的测距方法，它通过测量光波的相位差来确定物体与传感器之间的距离。
而间接TOF（Time of Flight）法则是一种常见的相位式激光测距方法之一，其原理是通过测量光波往返传播的时间来计算距离。
本文将详细介绍相位式激光测距及间接TOF法的基本原理、应用领域以及优缺点。
一、相位式激光测距的基本原理相位式激光测距利用了光波的波长特性，通过测量光波的相位差来确定距离。
在相位式激光测距中，激光器向目标发射一束光波，光波经过目标反射后返回传感器，传感器接收到反射光波并测量与发射光波的相位差，通过相位差的变化来计算目标与传感器之间的距离。
相位式激光测距的精度通常很高，可以达到亚毫米级别。
二、间接TOF法的原理及优缺点间接TOF法是相位式激光测距的一种常见方法，其原理是通过测量光波往返传播的时间来计算距离。
具体来说，激光器向目标发射一束光波，光波经过目标反射后返回传感器，传感器测量光波往返的时间并将其除以光速来计算距离。
间接TOF法的优点在于测距精度高、测量速度快、适用于长距离测距等特点，但其缺点是受到光波传播速度波动的影响，可能在复杂环境中出现误差。
相位式激光测距在工业、汽车、航空航天等领域有着广泛的应用。
在工业领域，相位式激光测距可以用于精密加工、质量检测等工作中；在汽车领域，相位式激光测距可以用于自动驾驶、停车辅助等功能；在航空航天领域，相位式激光测距可以用于飞行器导航、高精度测绘等应用。
四、结论相位式激光测距是一种精确、高效的测距方法，间接TOF法作为其中一种方法，在实际应用中具有一定优势和局限性。
相位式激光测距在各个领域都有着重要的应用价值，未来随着技术的不断进步和应用领域的拓展，相位式激光测距将会得到更广泛的应用和发展。
【本文2000字，已完整】第二篇示例：相位式激光测距是一种常用的激光测距方法，通过测量激光光束的相位变化来计算目标物体的距离。
相位测距原理
相位测距原理相位测距是一种常见的测距方法，它利用波的相位变化来实现测距。
在相位测距中，我们通常使用电磁波或激光作为传感器，通过测量波的相位变化来计算目标物体与传感器之间的距离。
相位测距原理基于波的传播速度和波长的关系，通过测量波的相位变化来确定距离，具有高精度和远距离测量的优点，因此在许多领域得到了广泛应用。
首先，让我们来了解一下相位测距的基本原理。
在相位测距中，我们通常使用连续波或调制波来发送信号。
当这些波与目标物体相互作用时，它们的相位会发生变化。
通过测量波的相位变化，我们可以计算出目标物体与传感器之间的距离。
在实际应用中，我们通常会使用相位差来表示距离，通过测量波的相位差来计算出目标物体与传感器之间的距离。
在相位测距中，我们需要考虑波的传播速度和波长的关系。
波的传播速度是一个常数，而波长则取决于波的频率。
通过测量波的相位变化，我们可以确定波长的变化，进而计算出距离的变化。
因此，相位测距原理是基于波长的变化来实现距离的测量。
除了波长的变化，相位测距还需要考虑波的相位变化。
在相位测距中，我们通常会使用相位差来表示距离。
相位差是指两个波的相位之差，通过测量相位差的变化，我们可以计算出目标物体与传感器之间的距离。
因此，相位测距原理是基于相位差的变化来实现距离的测量。
在实际应用中，相位测距可以通过多种方式来实现。
例如，我们可以使用光学传感器来发送激光，并通过测量激光的相位变化来计算距离。
我们也可以使用雷达来发送电磁波，并通过测量电磁波的相位变化来实现距离的测量。
无论是光学传感器还是雷达，相位测距都可以实现高精度和远距离的测量，因此在许多领域得到了广泛应用。
总之，相位测距原理是一种基于波的相位变化来实现距离测量的方法。
通过测量波的相位变化和相位差的变化，我们可以计算出目标物体与传感器之间的距禿。
相位测距具有高精度和远距离测量的优点，在许多领域得到了广泛应用。
希望通过本文的介绍，读者对相位测距原理有了更深入的了解。
相位法激光测距原理及算法详解
相位法激光测距原理及算法详解激光相位法测距的原理激光相位测距中，把连续的激光进⾏幅度调制，调制光的光强随时间做周期性变化，测定调制光往返过程中所经过的相位变化即可求出时间和距离。
图.1 相位式激光测距原理⽰意图如图1所⽰，设发射处与反射处（提升容器）的距离为x ，激光的速度为c ，激光往返它们之间的时间为t ，则有：cxt 2设调制波频率为f ，从发射到接收间的相位差为，则有：N cfxft 242 (2) 其中，N 为完整周期波的个数，为不⾜周期波的余相位。
因此可解出：)(2)22(24N N fcN f c f c x(3) 其中，f c L s 2 称为测尺或刻度，N 即是整尺数， 2 N 为余尺。
根据测得的相位移的⼤⼩，可知道N 余尺的⼤⼩。
⽽整尺数N 必须通过选择多个合适的测尺频率才能确定，测尺频率的选择是提升容器精确定位的关键因素之⼀。
多尺测量⽅法测量正弦信号相移的⽅法都⽆法确定相位的整周期数，即不能确定出相位变化中 2的整倍数N ，⽽只能测量不⾜ 2的相位尾数，因此公式（2.3）中的N 值⽆法确定，使该式产⽣多个解，距离D 就不能确定。
解决此缺陷的办法是选⽤⼀个较低的测尺频率s f ，使其测尺长度s L 稍⼤于该被测距离，这种状况下不会出现距离的多值解。
但是由于测相系统的测相误差，会导致测距误差，并且选⽤的s L 越⼤则测距误差越⼤。
因此为了得到较⾼的测距精度⽽使⽤较短的测尺长度，即较⼤的测尺频率s f ，系统的单值测定距离就相应变⼩。
为了解决长测程和⾼精度之间的⽭盾，⼀般使⽤的解决办法是：当待测距离D ⼤于基本测尺sb L （精测测尺）时，可再使⽤⼀个或⼏个辅助测尺sl L （⼜叫粗测测尺），然后将各个测尺测得的距离值组合起来得到单⼀的和精确的距离信息。
由此可见，⽤⼀组测尺共同对距离D 进⾏测量就可以解决距离的多值解，即⽤短尺保证精度，⽤长尺保证量程。
这样就解决⾼精度和长测程的⽭盾[4]。
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2020/6/29
哈尔滨工业大学电子工程系
7
(a) 双相码
(b) 未调制的连续波波形 (c) 调制后的连续波波形
相位调制的连续波波形示意图
文献中常用双相码相移的不同表示方式：
同相(无附加相移)
反相(π弧度的相移)
+
-
+1
-1
0
1
2020/6/29
式中k一般为10-20数量级的因子
这样，一对频率f3、f1给出模糊但精确的距离计量，同时另一对频率f2、f1选的很 接近以解决在f3、f1测量时的模糊。如果还需进一步提高精度，可发射第四个频 率f4，从三个频率f1、f2、f3得到低精度但不模糊的测量用以解模糊。当用更多的 频率时其频谱和目标鉴别力将接近于用脉冲或连续波调频波形所得到的值。
测距仪的一种便携式电子勘测设备就是根据这个原理工作的。
2020/6/29
哈尔滨工业大学电子工程系
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相位调制连续波雷达
调相连续波雷达系统采用每经τ秒便将离散相移加至发射的连续波信号的方法来 形成相位编码波形，以测量目标的距离。
下面讨论宽度为T的雷达发射脉冲的编码，将宽度分成N个子脉冲，每个宽 度为τ =T/N，然后用载波的相位对这些子脉冲进行编码。通常有两种类型的相位 编码技术：
频差不能太大，故∆f的选择必须在测距精度、最大不模糊距离间取折衷(一对矛
盾)——采用多频方案加以解决。
2020/6/29
哈尔滨工业位法测距
利用发射三个或更多的频率代替两个频率可同时获得高精度和大的不模糊距离测 量。例如发射三个频率f1、f2、f3的关系为：
f3-f1=k(f2-f1)
u1(t) cos(0t 0 )
u2
u1(t
)
cos(0t
0
2R c
0 )
式中 0 是发射信号的初始相位，发射信号与
目标回波的相位差：
1
2
0
2R c
相位计 相位法测距雷达方框图
R c 4f0 4
R
c
4f0
4
2020/6/29
哈尔滨工业大学电子工程系
2
单频连续波相位法测距
只有在 不超过2 时相位差的测量才是不模糊的，由此可得最大无模
哈尔滨工业大学电子工程系
8
Barker Codes
B.R. Mahafza et al, Matlab simulations for radar systems design, Chapman & Hall/CRC,
2202000/64/29
哈尔滨工业大学电子工程系
9
2020/6/29
哈尔滨工业大学电子工程系
f1
f d1 )t
4f 1 R0
c
1
u2R
cos2 ( f2
f d 2 )t
4f 2 R0
c
2
式中1,2 是各发射信号的初始相位，目标初始距离为R0、径向速度为vr，多普
勒频率fd1=2vr/λ1，fd2=2vr/λ2。由于f2=f1+∆f，∆f<<f1，则fd1≈fd2=fd。接收机将两个 回波信号分选出来，并分别与各自对应的发射波形进行差拍，取出两个多普勒频
用测量两个分开频率间的相位差方法进行测距，类似于干涉仪天线那样利用间隔 很远的两部天线，通过测量相位差来测量角度。干涉仪天线测角精度高，但有角 度模糊，可利用安置在较近的附近天线解决模糊问题。在干涉仪天线系统中各个 天线间的空间配置相应于多频测距技术中频率间的间隔。
连续波多频雷达已广泛应用于大地测量和导弹制导中进行精确测距。命名为微波
糊距离为 2。对雷达频率而言，此无模糊距离太小，没有实际意义。
实际中目标回波信号中还存在一个由于目标反射引起的相位变化量，此 量是未知的，故简单连续波雷达不能直接用来测距。
D.K. Barton et al, Radar Technology Encyclopedia, Artech House, Inc., 1998
单频连续波的相位法测距
前面讲过简单的连续波雷达不能测距，但在一些情况下测量回波信号与 发射信号间的相对相位进行测距也是可能的，下面具体分析：
2020/6/29
哈尔滨工业大学电子工程系
1
单频连续波相位法测距
发射机 A
接收机
设单基地雷达位于A点，目标位于B点，两者 距离R，若发射、接收信号分别为：
目标B
二进制相位(双相)码：可简单地用正号+、负号-表示，正子脉冲标志表示没有相 移，而负脉冲标志表示载波有π弧度的相移，即反相。
多相位码：在子脉冲基础上的相移为 i
2
M
i
式中M为码的阶数，如Frank码
i 0,1, , M 1
由于两种类型编码技术确定距离的原理相同，这里主要研究较简单的双相码。常 用的二进制相位编码有：
同，故两信号间相对相位差增加。此相位差可用作所经过的时间的量度。当两信
号在相位上相差又同相时，则相位的测量及距离的测量都将存在模糊。
缺点：
1、由于在同时只能测量一个相位差，故连续波双频雷达基本上是单目标雷达。
2、双频连续波雷达理论测距精度由距离的均方根值误差表示为：
R
c
4f (2E
N0 )1 2
上式表明两射频信号频率差∆f越大则均方根值误差越小，但由于无模糊测量要求
10
无相位编码时 的自相关函数
Barker码B13 的自相关函
数
2020/6/29
哈尔滨工业大学电子工程系
11
引自：林茂庸，柯有安编著，雷达信号理论，国防工业出版社，1984. 11，P163
2020/6/29
哈尔滨工业大学电子工程系
12
Combined Barker Codes
{00010,00010,11101,00010}
2020/6/29
哈尔滨工业大学电子工程系
3
双载频连续波相位法测距
采用发射多频信号可增大最大无模糊距离。下面分析两个频率相差很小的连续波
信号情形——假设发射波形包含两个频率为f1、f2，两频率差∆f的连续正弦波 ：
u1T cos(2f1t 1 ) u2T cos(2f 2t 2 )
u1R
cos2 (
率成分为：
u1D
cos2fd t
4f 1 R0
c
u2D
cos2fd t
4f 2 R0
c
相位差
4 ( f2 f1)R0 4fR0
c
c
2020/6/29
哈尔滨工业大学电子工程系
4
R0
c
4f
最大无模糊距离
Rmax
c 2f
结论：双频连续波雷达最大无模糊距离为差频的半波长。
定性解释：
R
c
4f
在零距离上两个载频同相位，当它们由雷达向外发射时，由于各自频率不