激光测距系统方案设计书

目录
摘要
引言 31.1国内外研究现状3
1.1.1国外研究现状 41.1.2国内研究现状 52.1课题主要研究
内容5
2.2相位法测距原理7
3.1ΔΦ的测定 113.1.1 差频法测多普勒频移11
4.1影响测量精度的因素及处理办法15
5.1大气折射率误差18
优点 19参考文献

激光测距系统设计
摘要
本文主要介绍相位法激光测距基本原理, 详细论述了相位差
的自动数字测量方法及其引起的误差.对单次检相的精度、频
率漂移、大气折射率等对测距误差的影响进行了分析并提出
了具体解决方法. 实现结果表明, 采用相位法测距-6）。D10×
精度可以达到±（5mm+5
。精度激光测距。 相位关键词:
AbstractThe authors introduce the basic principle of
laser
range finding technology based on phase, propound
in detail the automatic digital measurement
technique of phase difference and its
errors,analyze the effect of single phase-picking
precision frequency drift and atmosphere refractive
etc.on laser ranging errors and put forward index，
some special improvement methods The result of
laser ranging realization show that adopting phase
±laser ranging can achieve the precision of

-6
.
）D10×5mm+5（．
Keywords:laser range finding。phase。accuracy
1.1引言
激光多普勒测速技术是伴随着激光器的诞生而产生的
一种新的测量技术，它是利用激光的多普勒效应来对流体或
固体速度进行测量的一种技术，广泛应用于军事，航空，航
天，机械，能源，冶金，水利，钢铁，计量，医学，环保等
领域。
激光多普勒测速仪是利用激光多普勒效应来测量
流体或固体运动速度的一种仪器，通常由五个部分组成：激
光器，入射光学单元，接收或收集光学单元，多普勒信号处
理器和数据处理系统或数据处理器，主要优点在于非接触测
量，线性特性，较高的空间分辨率,快速动态响应及较宽的测
量范围，由于采用近代光-电子学和微处理机技术的LDV系统，
可以比较容易地实现二维，三维等流动的测量，并获得各种
复杂流动结构的定量信息。正因为该技术有如此多的优点，
因此近些年得到了人们的广发关注。
1.2国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
20世纪中期，激光测距机是激光器在军事上最早应用的工程。
世界上第一台激光测距机于1961年诞生在美国休斯飞机公
司，称为柯利达I型.经过30年的发展，军用激光测距机已
更新了两代，研制发展了三代。第一代激光测距机采用发射
0. 6943,cun红外红宝石激光器和光电倍增管探测器，是最早
问世的激光测距机.20世纪70年代初期少式，因其隐蔽70、
日本的AN/GVS-3量装备部队，如美国的．
性差、效率低、体积大、重量重、耗电多，很快便被第二代
激光测距机取代。第二代激光测距机采用发射1. 06,tnn近红
外钦激光器(主要是Nd:YAG激光器，少数为钦玻璃激光器)
和硅光电二极管或硅雪崩光电二极管探测器。第二代比第一
代隐蔽性好、效率高、小巧、耗电少，因此第二代激光测距
机的小型化研制进展迅速。第三代激光测距机，即人眼安全
的激光测距机。目前已研制成工作波长为10. 6μm和1. 54
μm的三种不同类型的各种型号的人眼安全激光测距机，己
进入生产和应用阶段。与此同时，激光测距技术也逐渐应用
到民事领域。从20世纪70年代初至今的近30年，国外许
多大学、研究机构和公司也开展了这方面的研究工作。
1.2.2国内研究现状
我国激光测距仪的研究始于20世纪50年代，是在原固体、
气体激光测距机基础上，发展起来的。目前，基础技术已具
备，主要是解决工程应用的问题，开发各种应用产品。1972
年，北京光学仪器厂与武汉地震大队等联合研制成国内首台
JCY-1型精密气体激光测距仪，1974年研制出了JCY-2型激光
测距仪，测程为15-20 km，测距精度±(10mm
+ 1 ppm x D) 。He-Ne激光管，2. 5 mW，调制方式为石英超
种调制频率，测相采用手动方式，速5声外调制，采用了．
度慢。1973-1976年，北京测绘仪器厂与北京大学、北京光
学仪器厂、清华大学、国家测绘总局测绘科学研究所和北京
市地质地形勘测处分别合作，先后研制成HGC-1型及DCH-1
型红外测距仪，精度分别为±1. 5 mm和±5mm，测程分别
为l km和1. 5 km。它们采用半导体激光器作为光源，直接内
调制方式，2种调制频率。测量时间分别为6.6s和10s。
2.1课题主要研究内容
本文主要任务是完成相位式激光测距技术的研究、设计。整
个研究过程，理论分析与实验工作相结合，采取的研究方法
为:查阅并收集资料、选择合适的器件，测距理论总体设计和
各个部分电路的研究设计，从而给出了整个相位式半导体激
光测距系统的电路系统实现方案。整个电路系统包括了四大
部分，它们分别是:
(1)半导体激光器的调制驱动电路，这部分采用高频正弦信号
对激光器的注入电流进行调制，使得激光器光强随注入电流
而变化。
(2)光电检测放大滤波电路，这部分采用P-I-N光电二极 管对
激光信号进行探测。．
(3)锁相环频率综合电路，这部分先对锁相环原理作了简单介
绍，然后应用高精度的频率计作频率校准,自动调节本机振
荡频率, 确保用作检相的低频信号的频率稳定不变.
(4)利用数字测相系统进行测相，最后通过屏幕显示出来。
相位式激光测距是通过测量连续的幅度调制信号在待测距
离上往返传播所产生的相位延迟，间接地测定信号传播时间，
从而得到被测距离的。这种方法测量精度高，通常在毫M量
级。相位式激光测距的原理框图如图2-5所示。它由激光发
射系统、频率调制系统、回波接收系统、混频鉴相系统和计
数显示系统等组成。激光信号由调制系统调制后，经被测物
反射，接收系统将反射的光信号转换为电信号并进行放大,
后转到混频器中进行混频，混频结果又进测中进行测相，最
后通过屏幕显示出来。

2.2相位法测距原理
设光源S相对观测者O以速度u移动，光源S所发出
光波的固有频率为υ0，观测者O接收到的光波频率为υ。
假设t时刻光源S在距离观测者O 为r处发出1ˊ一组光信号，
经传播，在t时刻被观测者0所接收；t1时刻光源S在距离
观测者O为r处再次发出信号，经2传播，在t时刻被观测
者O所接收〈见图1〉. 按照光2速不变原理，光的传播速度
与光源相对观测者的运动无关，显然，由上述假设可以得到：

将上式（3）式（2）相减得到
ˊ
所在的实均是观测者O﹑﹑t﹑tt需要明确的是，这里的t 21
验室坐标系的时钟所记录的时间。

其中，t﹑t是观测者O所在处的一只时钟所记录的时21ˊ处的
两只时钟记录的时间。光、rtt间；、则分别是位于r21．
源S在位置r和位置r连续两次发出光信号的时问间隔是一
个21ˊ处的两只时钟所记录的rr、T=t周期T，即-t(这是分别
位于21ˊˊ TT，即= t- t时问)，观测者O所接收到的光信号周
期为12很)，由于TO(这是位于观测者处的一只时钟所记录的
时间:
)为一小量，由图中可知有如下近似关系- r短，(r
12

）式得到：将（5）式代到（4

根据狭义相对论，在实验室坐标系的时钟所记录的时间不同
于固连在光源坐标系的时钟所记录的固有时间，将发生所谓
“时间膨胀”效应。即位于r、r处的两只时钟记录的12ˊ而
言是发生了T0-t相对于光源发光的同有周期时间间隔
T=tT0T与“膨胀”的时间，按照相对论的“时间膨胀”效应，

的关系为：
得到：(6)代入式(7)将式

由于不同坐标系的观测者所观测光源发出光信号的数目是
相同的。因此，由式(8)可得到对应的频率关系为:

上式即是光波多普勒效应的数学表达式。其中，υ0 是光源
的固有频率，υ是观测者所接收的频率，u是光源相对观测
者的运动速度，c是光在自由空间的传播速度。激光测距精
度高, 速度快. 相位法激光测距是通过间接测定调制光信号
来计算距离D : t在被测量距离上往返所需的时间2DD = ( c /
2 ) t= (c / 2 ) (Φ/ 2πf ) ( l )

2D
式中: c为光波在空气中传播的速度。 Φ为调制光信号经
为信号的调制频率。f 。而产生的相位移D 过被测距离

在图1 中, A 表示调制光波的发射点, B 表示安置反

' , A表示所发出的调制光波经反射器反射后射器的地点'
2
的的接收地点.A- A两点间的距离即是待测距离D
相位移为. 如果调制光波长较短时,倍(2 )
Δλ+ψΦ= N111表示 Δψ表示相位移Φ中包含的2π的整数
倍。式中: N11 不 (l) 得2π的相位尾数,将上式代人式是整
周期×N(c/2f)+Δππ2(N+ΔN)/ 2f= N×D=(c/2)×11111 )L+)
λ/2=(NΔNΔ)= (N(c/2f+N111Δ1111称之为侧尺长/2=λ）为小
数。2/ψ=N式中ΔΔ（π L111Δ1 度．