1、本科毕业设计（20 届）激光测距技术的比较与研究所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 -激光测距技术的比较与研究【摘要】 随着激光技术的发展，激光的性能得到很大的提高，与普通光相比，激光的超常之处有亮度高、方向性好、单色性好、相干性好。激光测距仪重量也变得比较轻、测距速度快、性能可靠、体积较小、速度快而准确、操作简单，在这个科技发达的社会，越来越广泛的应用激光测距的，在许多领域中，比如电力，通信、建筑、水利、公安、军事、海事、房地产和其它户外运动等等，都可以使用激光测距方法。目前的激光测距仪的发展是向测量更加安全、测量精度高、小型化方向和系
2、统能耗低的发展方向。现在在各个方面中所使用的激光测距方法主要分为脉冲测距法、相位测距法和调平连续波测距。【关键词】激光； 脉冲测距； 相位测距； 测距应用 The comparison of laser ranging technology and research【In this paper】With the development of laser technology, laser performance is greatly improved, compared with ordinary light, laser exceptional place have high brightn
3、ess and good directivity, good monochromaticity, good coherence. Laser rangefinder is also becoming lighter weight, distance measuring speed, small size, reliable performance, high speed and accuracy, simple operation, in this society with developed science and technology, more and more widely used
4、in laser ranging, in many areas, such as electric power, communications, construction, water conservancy, public security, military, maritime, real estate and other outdoor sports, and so on, can use laser ranging method . At present the development of the laser range finder is to safer in measureme
5、nt, high measuring precision, miniaturization, direction and the development direction of system energy consumption is low. Now in all aspects by using laser ranging method is mainly divided into pulse ranging method, phase distance measurement method and leveling continuous wave range.【keywords】Las
6、er: Pulse ranging: Phase ranging: Ranging application2目 录1 绪论 .31.1 课题意义 .31.2 激光的简介 .31.3 国内外研究现状及发展趋势 .31.4 激光测距 .42 激光测距原理 .52.1 激光测距原理概述 .52.2 脉冲激光测距的原理 .52.3 相位激光测距的原理 .62.4 调频连续波测距的原理 .73 激光测距的方法 .73.1 激光测距方法的比较 .73.1.1 脉冲激光测距特点 .73.1.2 相位测距特点 .73.1.3 调制连续波测距特点 .83.1.4 激光测距仪的测量精确度 .83.2 激光测距的应
7、用 .83.2.1 激光测距的民用 .83.2.2 激光测距的军用 .94 结论 .105 致谢 .10参考文献 .11341 绪论1.1 课题意义激光测距目前已在许多行业很领域中得到了运用，其采用的测距原理与实现成本、测量精确度等也不同，如何根据具体的运用场合选择合适的激光测距技术是摆在工程技术人员面前的一个现实问题，本论文从测距理论出发，分别对脉冲激光测距原理、相位激光测距原理和调频连续波测距的原理进行分析，对不同的测距技术在不同的场合进行比较和研究，主要了解激光和激光测距技术在现实世界中如何根据所需要的选择不同的技术进行具体的应用。1.2 激光的简介早在 1958 年，肖洛（A.L.Sc
8、hawlow）和汤斯（C.H.Townes）在发表的论文中说明了激光可以从光波的波段在实现受激辐射的情况下，可能会从中获得。他们用两块新式反射率很高的互共振腔并让这两块共振腔平行安放，让光沿轴线方向传播就形成了共振模式，而没有沿轴线方式传播的光就会很快的满出共振腔外，使用这种方法就可以控制共振腔内模式的数量，而且也很大程度上减少了从辐射中发出的噪声。他们还想让光子能成倍的增加在共振腔中投入发光的材料并具有很强的光泵浦，让原子受激到高能态，原子在从高能态自发辐射形成低能态的中间过程中，使没有被激发的高能态原子形成受激的辐射，在共振腔内往返的发射时候，让它和引导的光相同的光子以指数的方式增加，并且
9、实现激光振荡。从此之后，各国的科学家就陆陆续续分别发表了关于激光的各种实验方案 2。人们很早就知道光波和无线电波在本质上都是电磁波，从利用无线电波以来，就不断地探索向高频波段发展。但是光频电磁辐射始终未能在传统的电子技术上获得突破 3。直到本世纪 50 年代的时候，因为现代物理学、原子物理学和量子力学与微波技术，才奠定了激光技术的理论和技术基础，特别是在后来的一系列研究出激光的产品中。1954 年美国的Townes 和苏联的 Bacob 等人利用分子受激辐射的原理研制成功了微博量子放大器。1958 年美国的 L.Schawlow 等人提出把微波受激辐射放大器的工作原理引申到光频波段的可能性及技
10、术途径，被叫做光受激辐射放大器，也就是所谓的激光器。1961 年制成的红宝石激光器是我国所研究出的的第一台激光器，之后在国际上出现的各种各种的激光器不久后也都在我国实现了 4。激光的应用可分为两大类：一类是信息载体的应用，比如各种激光通信叫做激光信息；另一类是能量载体的应用，比如激光模拟核聚变叫做激光能量。按广义用途分类，可分为军事应用和民事应用。51.3 国内外研究现状及发展趋势国外在很早就把激光投入到使用的阶段。国外的许多大学、研究机构和公司都实现了这方面的研究工作。第一项研究的是芬兰的技术研究中心和奥鲁大学电器工程系，早从二十世纪 70 年代初已经持续了 30 年，研究的内容是关于各方面
11、的不港式系统还是整机或者应用，不仅这样还俄罗斯和美国的公司一起开展了研究，所研究的产品涉猎的方面很广，航天、工业、机器人等等。美国国际激光系统公司所生产的激光测距机型是 GR500 型，所采用半导体激光器，频率重复为 2KHz,脉宽 40ns，发散角为 550mrad,测程 3230m，重量为10kg.美国陆军在 1971 年装备了 AN/GVS-3 行红宝石激光测距仪，提供给前方炮兵观察员使用 5。DI-3 型激光测距仪在 1973 年瑞士的 wild 公司发行，它直接用内调制法和双频率法进行测距，单次测量时间为 10 秒为一单位，它的量程最大是 1000 米，测量的精度可达5毫米 6。激光
12、测距仪徕卡公司通过采用 845nm 波长的半导体激光，7.65W 的峰值功率和脉冲重复频率在 29KHZ 报道于 1991 年。测试的量程可以达到 4Km，特别是在天气状况好的情况下，即使在可见度很低的情况，测程仍可 1km。LH-83 型手提式激光测距仪它对目标的测量范围大于 6000 米，精度是5 米，并且这个测距仪对于人眼是无害的。Bushnell 公司在1996 年推出 400 型 LD 激光测距机测距能力是 400m,同年又推出了 800 型激光测距机测距测距能力可以达到 800 米，之后在 1997 年被评为世界 100 项重要科技成果之一。1991 年Photon Interac
13、tion 公司生产 MR-101 型导弹测距仪，作为光源的是使用军品半导体，探测器采用扩大的 Si-APD,全部的重量小于 250 克，100Hz 的重复率（最高重复频率可达800Hz） ，测量范围大于 300m，测距精度小于 1m。苏联的一所研究所研发出高精度的光学测距仪 AK001 型，辐射的光电二极管是 GaAs，波长 0.9um，测距范围长度可达 0.5500m7。美国采用半导体激光器制成轻型反坦克武器激光测距机，输出的功率 40W，脉宽为70ns，10 毫弧度的发散角为 5,7KHz 的重复频率，距离为大于 500 微米。激光测距仪在国内的研究始于二十世纪 70 年代。在 1974
14、年 JCY-2 型激光测距仪的研制成功，其测量范围为 15 到 20 公里 8。它使用 2.5mV 的 He-Ne 激光管，调制为石英超声外调制，5 种的调制频率，测相为手动式，但是速度是很慢的。19731976 年间，北京测绘仪器厂与北京光学仪器厂，北京大学，清华大学，北京地质调查和测绘的国家研究所合作，分别研发出 HGC-1 型红外线测距仪 DCH-2 型，所使用的是调制频率和内调制法，测量时间分别为 6.6s 和 10s，其精度分别为1.5cm 和5mm，测程分别为 1 公里和 1.5 公里。1996年上海光机所采用国产的半导体研制出半导体激光仪，重复频率 1KHz，测量范围 10-10
15、0米，其分辨率为 0.5 米波长可达 800 到 900nm。计量学院信息工程系光电子所和国外研究所一起开发了不少的比较简单的便于携带的激光测距仪，使用线性放大技术方法，4MHz 的晶振，905nm 的波长，10W 的峰值功率，25ns 的脉宽，100Hz 的重复率，测距范围 14-1000m，测距精度小于 1m9。但它的原型是在小型的民用市场，低功耗和抗过载等等不能满足特定的工作要求并且不具备有定位的功能，这跟需要一个激光雷达有较大的差距。目前还没有出现可以应用与特定的环境（温度高，低功耗，高抗过载，超紧凑的激光雷达等） ，6还没有在国内有看到过相关的研究报告。北京智妍信报道2009-201
16、0 年激光测距仪市场分析及预测报告中提到：中国的激光测距仪在技术上来说还处在发展的起初阶段与美国，德国和日本相差很大。材料市场上的激光测距仪主要有以下几种：YAG 激光半导体工作波长为 905nm 和 1540nm 和 1064nm 的工作波长。工作波长是 1064nm 对人的眼睛和皮肤是有害，要是 1064nm 波长的激光不小心接触到眼睛，可能会导致眼睛的永久性伤害 10。在国外手持式激光测距仪完全代替了1064nm 波长的激光。在国内还可以见到一些厂家还在生产 1064nm 的激光测距仪。因为脉冲半导体激光测距的测距量程远，精度高，等好处得到了各方面的应用，激光测距技术的应用杰作出现在生活
17、中的很多场合：大地的测量和测绘，对远距离目标的精确打击等等。随着科学技术的发展，激光测距技术趋向人眼的安全和高精度的方向。1.4 激光测距在大地测量和工程测量，主要业务项目的测量比如用直尺或卷尺距离铟的测量，在复杂的地形条件下会遇到许多难以想象的困难，造成劳动密集型，低效率等，人们就往物理方面的测距去发展。人们使用光学距离测量是研究比较早的一种物理方法，大大的促进激光测距的发展。 采用的光源是激光测距仪，不仅可以提高测量范围，并克服了普通光源在白天不方便操作而造成的故障。激光的单色性能好、方向性能强，利于提高测量距距离的精度和减小光学系统孔径大小，减低了仪器的重量和体积 11。激光测距是集非接
18、触，精度高，成本低的光学，激光等综合性电子和光电子集成技术为一体的技术，被广泛应用于军事，机器人视觉，空间和测绘领域。2 激光测距原理2.1 激光测距原理概述国防工业中激光测距的技术应用很广，有激光的飞行时间和费飞行时间的激光测距 12。根据不同的形式飞行时间的测距激光状态，分为脉冲激光测距和连续波激光测距，连续波激光测距的基础上，开始和结束的不同和时间标记被分为相位激光测距和平路调制激光测距。飞行激光测距非时间技术指的飞行方法的飞行距离和时间的激光不是直接或间接获得的，而是通过光子计数的统计方法或数学的计算从而得到对象之间的距离。广泛应用的激光测距技术主要有：脉冲激光测距、相位激光测距和调频
19、连续波测距。2.2 脉冲激光测距的原理激光脉冲测距方法的原理是：把脉冲激光器瞄准目标射出一个或者一列很窄的光脉冲7（宽度小于 50ns） ，光脉冲到达目标表面后的光的一部分被反射回来，然后通过测量时间的光脉冲长度从发射到返回到接收器，能算出目标和光源两者的距离长度的多少 13。脉冲测量精度是多少米大小，因此它在军事和工程测量精度的使用有些项目并不是很高。使用脉冲测距方法和测量的空间距离在米数量级的长空间测量误差，其精度是非常高的。H=ct/2 (1-1) 式中：H待测的距离c激光在大气中的传播速度t激光在目标和光源距离上的往返传播来回时间图 2-2 脉冲激光测距原理图2.3 相位激光测距的原理
20、相位激光测距采用测量高频率的调制和相位差的测量方法 14。光源先发出不间断的激光然后使用调制器把光变成调制光，调制光经过发射望远镜向目标发射，光的强度会随着的变化作一系列周期的变化，我们通过调制光在来回中产生的相位变化计算光源和目标的距离，所得出的误差只有一百分之一，在几公里外的只有几毫米的误差 15。相位测距的精度一般是毫米级，精密的测量中经常使用比如大地的测量。基本原理图如下图：8图 2-3-1 相位激光测距原理图L= （ 2-3-1）t=+ （2-3-2） L= += （2-3-3 ）式中:c-光波在空气中传播的速度通过测得的距离 L 的差调制的光信号产生的相位f- 信号的调制频率- 调
21、制波的波长- 零或正整数-小数9图 2-3-2 多波长测量原理框图2.4 调频连续波测距的原理调频连续波激光发射距离通过发射可以调节频率的激光，其次是对接收到的激光来计算距离的频率测量 16。根据报道：使用这种调频连续波激光测距的方法，可以得到18.5 千米的测距长度和 20 毫米的测距精度。调频激光所使用的频率调制技术有：激光腔长度调整，声光调制，电源直接调制，开关调制和光调制，激光介质通过使用气体 u，固体和半导体，检测方法与直接检测盒光外差探测。频率调制连续波激光测距研究的激光介质的增益带宽，提高了频率啁秋宽度，提高测距的精度；与此同时，测距范围如果变大也要增加电子的测量系统带宽和增加频
22、率的测量精度，但频率的啁秋频率要变小，所以在现实的测量中要求测距的范围和精度要相互维持带宽和频率测量精度也要相互维持。3 激光测距的方法3.1 激光测距方法的比较激光的亮度高，单色性好和光源方向强的特点。是不少人都渴望的理想光源，而传统的光学和微波范围相比，精确测定对象可以使激光距离，比微波垂直目标分辨率高不等，此外，激光测距和抗干扰能力比较强。激光测距具有许多其它测距方法无法代替的优点，但是目前激光测距的系统种类繁多，功能也千差万别，所以现在就激光测距方法的比较介绍下各种激光测距方法的特点。3.1.1 脉冲激光测距特点使用脉冲激光测距方法的速度很快，它测距的方法是只要一收到返回的光波信号就完
