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激光测距(非常详细)
脉冲测距和相位测距。
一、激光测距方程
1、从测距仪发射的激光到达目标上的激光功率 1）对于点目标，目标面积小于激光照亮面积：
Pt Pt Kt At T / As 1
Pt——激光发射功率（W）
Tα ——大气单程透过率 Kt——发射光学系统透过率 At——目标面积（m2） As——光在目标处照射的面积（m2）
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
我国卫星测距站
卫星激光测距应用
卫星激光测距（Satellite Laser Ranging：SLR）是
随着现代激光、光电子学、 计算机和空间科学发展而建立
起来的一门崭新观测技术。由于它具有独特的测距方式和 较高的测量精度,已在地学领域广泛应用。目前,其观测资 料已可用于地球物理学、地球动力学、大地测量学、天文 学和地震预报等多种学科。
2、小的激光发散角： 措施：增大扩束准直系统的角放大率。 3、高透过率光学系统；
4、大的接收孔径角；
5、大目标对测距有利； 6、高灵敏度探测器。
二、光电读数
1 1 N 1 因为 s ct c f ( fT 为晶振频率;T ) T 2 2 fT 测距仪的最小脉冲正量δ为：
令N=1
SPAD
接收望远镜
箱
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
一、激光测距方程
1、从测距仪发射的激光到达目标上的激光功率 1）对于点目标，目标面积小于激光照亮面积：
Pt Pt Kt At T / As 1
Pt——激光发射功率（W）
Tα ——大气单程透过率 Kt——发射光学系统透过率 At——目标面积（m2） As——光在目标处照射的面积（m2）
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
我国卫星测距站
卫星激光测距应用
卫星激光测距（Satellite Laser Ranging：SLR）是
随着现代激光、光电子学、 计算机和空间科学发展而建立
起来的一门崭新观测技术。由于它具有独特的测距方式和 较高的测量精度,已在地学领域广泛应用。目前,其观测资 料已可用于地球物理学、地球动力学、大地测量学、天文 学和地震预报等多种学科。
2、小的激光发散角： 措施：增大扩束准直系统的角放大率。 3、高透过率光学系统；
4、大的接收孔径角；
5、大目标对测距有利； 6、高灵敏度探测器。
二、光电读数
1 1 N 1 因为 s ct c f ( fT 为晶振频率;T ) T 2 2 fT 测距仪的最小脉冲正量δ为：
令N=1
SPAD
接收望远镜
箱
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
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。
激光相位法测距页PPT文档
接收系统基本结构图
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。
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。
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
?
? ? 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
第九章激光测距
2f 2 L定义为测距仪的电尺长度：等于调制波长的二分之一。
则相位测距方程为： D LN 2 LLN N L
结论：因为L为已知的，所以只需测得N和ΔN即可求D。
二、相位测距的多值性
在测距方程中是可以通过仪器测得的，但不能测得N值， 因此，以上方程存在多值解，即存在测距的多值性。但若我 们预先知道所测距离在一个电尺长度L之内，即令N=0，此时， 测距结果将是唯一的。
其测距方程变为：D L 2
例：设光调制频率为fυ=150×103Hz 则电尺长度 L C 3108m 100m0
2f 2150103 当被测距离小于1000m时，测距值是唯一的。
即在1000m以内的测距时N=0（不足一个电尺长度）
三、相位测距精度 将 D L两边微分后，取有限微量，
m0t0fT 201 0 09101 06 020
§9-3 相位激光测距
一、相位测距原理 通过检测被高频调制的连续激光往返后和初始信号的
相位差可使测距精度大大提高。 连续激光经过高频调制后成为高频调制光，设调制频
率为fυ，如图9-11所示。 激光往返一周的时间t可以用调制波的整数周期数及不
足一个周期的小数周数来表示。
图9-11
t N 1 2 f
fυ——调制频率（Hz） N——光波往返全程中的整周期数
Δ φ——不是一个周期的位相值
则 令 D L 1 2C C C t2 C TN v,等 2 校 f1 1个 于 2 C f调 N 制 4 C 频 f 率 对应 的长度
大气衰减系数α=2.66/V，（V：为大气能见距离km）
A S t KrAre2/P r2
以光电探测器所能探得的最小光功率Pmin代替上式中的
则相位测距方程为： D LN 2 LLN N L
结论：因为L为已知的，所以只需测得N和ΔN即可求D。
二、相位测距的多值性
在测距方程中是可以通过仪器测得的，但不能测得N值， 因此，以上方程存在多值解，即存在测距的多值性。但若我 们预先知道所测距离在一个电尺长度L之内，即令N=0，此时， 测距结果将是唯一的。
其测距方程变为：D L 2
例：设光调制频率为fυ=150×103Hz 则电尺长度 L C 3108m 100m0
2f 2150103 当被测距离小于1000m时，测距值是唯一的。
即在1000m以内的测距时N=0（不足一个电尺长度）
三、相位测距精度 将 D L两边微分后，取有限微量，
m0t0fT 201 0 09101 06 020
§9-3 相位激光测距
一、相位测距原理 通过检测被高频调制的连续激光往返后和初始信号的
相位差可使测距精度大大提高。 连续激光经过高频调制后成为高频调制光，设调制频
率为fυ，如图9-11所示。 激光往返一周的时间t可以用调制波的整数周期数及不
足一个周期的小数周数来表示。
图9-11
t N 1 2 f
fυ——调制频率（Hz） N——光波往返全程中的整周期数
Δ φ——不是一个周期的位相值
则 令 D L 1 2C C C t2 C TN v,等 2 校 f1 1个 于 2 C f调 N 制 4 C 频 f 率 对应 的长度
大气衰减系数α=2.66/V，（V：为大气能见距离km）
A S t KrAre2/P r2
以光电探测器所能探得的最小光功率Pmin代替上式中的
激光相位法测距课件
详细描述
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。
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。