激光测距
激光工程研究院S201213017 王万祎
摘要:随着社会的发展，人类生活的自动化程度不断提高，对测距的要求也越来越高，在众多的测距方法中，激光测距因其良好的精确度特性经广泛应用于国防、生产、医学和非电测量等各方面，激光正以自己独特的优势焕发勃勃生机, 本文简单介绍了激光测距的原理应用 。
关键词：激光，脉冲测距，相位测距，脉冲宽度。
一、激光测距的国内外状况和发展趋势
1. 激光测距的优点
1.1测距精度高
激光测距的精度与操作者的经验与被测距离无关，误差仅取决于仪器本
身的精度。战术激光测距仪的误差在5m 之内，科学实验的测距仪器的精度更高。例如，在月球上安装角反射器，最好的测距记录是38440km ，误差仅为10cm.
1.2体积小，重量轻，便于携带
军事上装备的激光测距仪，质量一般为10kg 左右，激光由于方向性好，
所以可以不用巨大的天线就可以发射很窄的光束。
1.3分辨率高，抗干扰能力强
窄的光束和短的脉冲宽度，不仅使横向和纵向的目标分辨率提高，而且
不受电磁干扰和地波干扰。
2. 激光测距的国内外发展状况
2.1国外状况
激光测距技术是最早用于军事上的激光技术。世界上第一台激光测距仪与1961年诞生在美国休斯飞机公司，称为柯利达I 型，1962年第一台军用激光测距仪成功的进行了示范表演。之后该公司又相继研制出几种实验性军用激光测距机在部队进行试验和坚定，结果证明激光测距机可以作为一种新的测距机代替原装备的光学测距机。
经过40多年的发展，军用激光测距机已经更新了两代，研制发展了三代。
2.2国内状况
在国内，激光测距仪器的研制开发和生产还处于一个较低层次水平上，光电测距仪的研制起步较晚，七十年代清华大学、北二光、常州二电等几家单位才开始研制。到目前为止，普通测距仪仅有少数几家公司可以生产，且型号单一(大多是80年代清华大学研制的DCH 型测距仪) 、精度较低、技术线路较为陈旧、稳定性不够理想。国内的激光测距仪主要以“南方测绘”的的产品为准．相应的型号有ND 一3000／2000红外测距仪．测试最远距离分别为3公里和2公里，精度为5mm+3ppm，调制频率分为3种(f精：14835547Hz ，f 粗l=146886Hz，f 粗2=149854Hz)，发射波长(^)为O ．865mm ，焦距可调。计算中有相应的气象修正指数，可以说精度十分高，但只限于距离的测量，且需要反射棱镜。限制了该种测距仪的应用范围。
3. 发展趋势
激光测距技术是以集光学、激光技术、精密机械、电子学、计算技术及光电子等多种技术的综合应用。随着激光技术、电子技术、计算技术和集成光学的发展，激光测距仪朝着数字化、自动化、小型轻便化方向发展。并且而随着小型专用计算机的发展和应用，使激光测距仪的工作效率、测距精度和测量速度有了非常的提高。此外，半导体激光器的出现使整个仪器的体重和重量也大为减少。因此研究激光测距对于军工、科研等高精度要求的测距以及需要野外作业的测距有着很大的意义。
二、激光测距的原理分析
1、脉冲激光测距
1.1原理：
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：L ct
2
其工作过程是：首先瞄准目标，然后接通激光电源，启动激光器，通过发射光学系统，向瞄准的目标发射激光脉冲信号。同时，采样器采样发射信号，作为计数器开门的脉冲信号，启动计数器，时钟振荡器向计数器有效地输入计数脉冲，由目标反射回来的激光回波经过大气传输，进入接收光学系统，作用在光电探测器上，转变为电脉冲信号，经过放大器放大，进入计数器，作为计数器的关门信号，计数器停止计数。计数器从开门到关门期间，所进入的时钟脉冲个数，经过运算得到目标距离。
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：在确定时间起始点之间用时钟脉冲填充计数。
1.2测距精度分析
脉冲测距的精度可以由下式表示：ΔD = c Δt/2
从上式可以看出，测距精度主要是由激光飞行时间的准确精度来确定。而激光飞行时间的测量精确度主要依赖于接收通道的带宽、激光脉冲的上升沿、探测器的信噪比和时间间隔测量精确度。时间间隔测量精确度有与计数器频率有关，计数器频率越高时间间隔测量精确度越好。时间分辨率Δt 还受激光的脉冲宽度，
被测目标和光接收系统对脉冲的展宽等因素的影响。
对于脉冲测距来说，距离L 的测量精度关键是如何精确稳定地确定t 的起止时刻和精确测量t ，它们各自对应的是时刻鉴别单元和时间间隔测量单元。光速很快，计数频率的高低直接影响着所获得的测距精度。例如，当测距1500m 时，光脉冲往返时间t = 2L / c = 10μs ，如果这时采用时钟脉冲频率为150MHz ，那么在10μs 时间间隔应计数1500个脉冲，也就是说每个脉冲所代表的距离为1m 。在检测中如有一个脉冲的误差，其测距误差则有1m 。这对远距离测距来说尚能允许，但对近距离如50m 来说，其相对误差就太大了，可以通过提高计数时钟频率可以减少这一误差。
2、连续激光相位测距
采用无线电波段的频率对激光束进行幅度调制并测定调制光往返一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离，即用间接方法测定出光经往返所需的时间
续的检相过程中，连续的调制信号经过整形变为方波送入数字鉴相器进行检相，如图所示，vr 、vs 是相位差为θ的待测信号，经过整形变为v 1、v 2。通过对检相过程的分析，发现对检相处理有用的信号是整形过程中的过零点的部分，而连续信号的其他部分对数据处理没有贡献，反而这些部分却使激光器连续工作，既损
耗着功率，也在减少激光器的寿命。因此，如果能使激光器工作在对数据处理有用的整形过程中的过零点的那部分，其他时间激光器不发射，则功耗能得到减小，同时激光器的寿命也能得到延长。根据这个分析，产生了将连续调制信号变为脉冲调制信号去调制激光器想法，而脉冲调制信号也应能反映连续调制信号的相位信息。
三、激光测距的应用-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 。卫星激光测距技术集光机电于一身, 涉及计算机硬软件技术, 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。
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.
注：测距精度还受光电接收分系统的影响；回波率与天气好坏关系较大。
测量原理
四、总结和展望
激光测距技术是一个光机电的综合系统，制作和调试比较复杂，本文只是技术的初步研究，完成了前期的理论分析和部分器件的实现与验证工作，要达到性能完善，具有实用的价值，还有很多工作要做。在今后的研究工作中，主要体现在以下几点：
1．基于DDS 技术的调频信号发生器；
2．信号变换过程中相位信息的分析；
3．半导体激光器的窄脉冲驱动工作；
4．窄脉冲激光光束在大气传输中的相位抖动问题分析工作等。
总之，随着激光技术和电子技术的发展，激光测距向着高精度、大量程的方向发展，势必在多种领域得到更为广泛的应用。尤其是在激光大气通信，非合作目标的高精度、远距离激光测距的应用方面具有很大的应用空间。
五、参考文献
【1】孙晓明，马军山，强锡富。半导体激光器自混合干涉绝对测距理论研究[J]
仪器仪表学报，1998，19（3）：274-278
【2】刘国光，基于方波的相位式激光系统的研究（硕士学位论文），浙江大学
2004
【3】张加良，相位法激光测距仪的研究（硕士学位论文），西安电子科技大学，
2007
激光测距
激光工程研究院S201213017 王万祎
摘要:随着社会的发展，人类生活的自动化程度不断提高，对测距的要求也越来越高，在众多的测距方法中，激光测距因其良好的精确度特性经广泛应用于国防、生产、医学和非电测量等各方面，激光正以自己独特的优势焕发勃勃生机, 本文简单介绍了激光测距的原理应用 。
关键词：激光，脉冲测距，相位测距，脉冲宽度。
一、激光测距的国内外状况和发展趋势
1. 激光测距的优点
1.1测距精度高
激光测距的精度与操作者的经验与被测距离无关，误差仅取决于仪器本
身的精度。战术激光测距仪的误差在5m 之内，科学实验的测距仪器的精度更高。例如，在月球上安装角反射器，最好的测距记录是38440km ，误差仅为10cm.
1.2体积小，重量轻，便于携带
军事上装备的激光测距仪，质量一般为10kg 左右，激光由于方向性好，
所以可以不用巨大的天线就可以发射很窄的光束。
1.3分辨率高，抗干扰能力强
窄的光束和短的脉冲宽度，不仅使横向和纵向的目标分辨率提高，而且
不受电磁干扰和地波干扰。
2. 激光测距的国内外发展状况
2.1国外状况
激光测距技术是最早用于军事上的激光技术。世界上第一台激光测距仪与1961年诞生在美国休斯飞机公司，称为柯利达I 型，1962年第一台军用激光测距仪成功的进行了示范表演。之后该公司又相继研制出几种实验性军用激光测距机在部队进行试验和坚定，结果证明激光测距机可以作为一种新的测距机代替原装备的光学测距机。
经过40多年的发展，军用激光测距机已经更新了两代，研制发展了三代。
2.2国内状况
在国内，激光测距仪器的研制开发和生产还处于一个较低层次水平上，光电测距仪的研制起步较晚，七十年代清华大学、北二光、常州二电等几家单位才开始研制。到目前为止，普通测距仪仅有少数几家公司可以生产，且型号单一(大多是80年代清华大学研制的DCH 型测距仪) 、精度较低、技术线路较为陈旧、稳定性不够理想。国内的激光测距仪主要以“南方测绘”的的产品为准．相应的型号有ND 一3000／2000红外测距仪．测试最远距离分别为3公里和2公里，精度为5mm+3ppm，调制频率分为3种(f精：14835547Hz ，f 粗l=146886Hz，f 粗2=149854Hz)，发射波长(^)为O ．865mm ，焦距可调。计算中有相应的气象修正指数，可以说精度十分高，但只限于距离的测量，且需要反射棱镜。限制了该种测距仪的应用范围。
3. 发展趋势
激光测距技术是以集光学、激光技术、精密机械、电子学、计算技术及光电子等多种技术的综合应用。随着激光技术、电子技术、计算技术和集成光学的发展，激光测距仪朝着数字化、自动化、小型轻便化方向发展。并且而随着小型专用计算机的发展和应用，使激光测距仪的工作效率、测距精度和测量速度有了非常的提高。此外，半导体激光器的出现使整个仪器的体重和重量也大为减少。因此研究激光测距对于军工、科研等高精度要求的测距以及需要野外作业的测距有着很大的意义。
二、激光测距的原理分析
1、脉冲激光测距
1.1原理：
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：L ct
2
其工作过程是：首先瞄准目标，然后接通激光电源，启动激光器，通过发射光学系统，向瞄准的目标发射激光脉冲信号。同时，采样器采样发射信号，作为计数器开门的脉冲信号，启动计数器，时钟振荡器向计数器有效地输入计数脉冲，由目标反射回来的激光回波经过大气传输，进入接收光学系统，作用在光电探测器上，转变为电脉冲信号，经过放大器放大，进入计数器，作为计数器的关门信号，计数器停止计数。计数器从开门到关门期间，所进入的时钟脉冲个数，经过运算得到目标距离。
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：在确定时间起始点之间用时钟脉冲填充计数。
1.2测距精度分析
脉冲测距的精度可以由下式表示：ΔD = c Δt/2
从上式可以看出，测距精度主要是由激光飞行时间的准确精度来确定。而激光飞行时间的测量精确度主要依赖于接收通道的带宽、激光脉冲的上升沿、探测器的信噪比和时间间隔测量精确度。时间间隔测量精确度有与计数器频率有关，计数器频率越高时间间隔测量精确度越好。时间分辨率Δt 还受激光的脉冲宽度，
被测目标和光接收系统对脉冲的展宽等因素的影响。
对于脉冲测距来说，距离L 的测量精度关键是如何精确稳定地确定t 的起止时刻和精确测量t ，它们各自对应的是时刻鉴别单元和时间间隔测量单元。光速很快，计数频率的高低直接影响着所获得的测距精度。例如，当测距1500m 时，光脉冲往返时间t = 2L / c = 10μs ，如果这时采用时钟脉冲频率为150MHz ，那么在10μs 时间间隔应计数1500个脉冲，也就是说每个脉冲所代表的距离为1m 。在检测中如有一个脉冲的误差，其测距误差则有1m 。这对远距离测距来说尚能允许，但对近距离如50m 来说，其相对误差就太大了，可以通过提高计数时钟频率可以减少这一误差。
2、连续激光相位测距
采用无线电波段的频率对激光束进行幅度调制并测定调制光往返一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离，即用间接方法测定出光经往返所需的时间
续的检相过程中，连续的调制信号经过整形变为方波送入数字鉴相器进行检相，如图所示，vr 、vs 是相位差为θ的待测信号，经过整形变为v 1、v 2。通过对检相过程的分析，发现对检相处理有用的信号是整形过程中的过零点的部分，而连续信号的其他部分对数据处理没有贡献，反而这些部分却使激光器连续工作，既损
耗着功率，也在减少激光器的寿命。因此，如果能使激光器工作在对数据处理有用的整形过程中的过零点的那部分，其他时间激光器不发射，则功耗能得到减小，同时激光器的寿命也能得到延长。根据这个分析，产生了将连续调制信号变为脉冲调制信号去调制激光器想法，而脉冲调制信号也应能反映连续调制信号的相位信息。
三、激光测距的应用-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 。卫星激光测距技术集光机电于一身, 涉及计算机硬软件技术, 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。
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.
注：测距精度还受光电接收分系统的影响；回波率与天气好坏关系较大。
测量原理
四、总结和展望
激光测距技术是一个光机电的综合系统，制作和调试比较复杂，本文只是技术的初步研究，完成了前期的理论分析和部分器件的实现与验证工作，要达到性能完善，具有实用的价值，还有很多工作要做。在今后的研究工作中，主要体现在以下几点：
1．基于DDS 技术的调频信号发生器；
2．信号变换过程中相位信息的分析；
3．半导体激光器的窄脉冲驱动工作；
4．窄脉冲激光光束在大气传输中的相位抖动问题分析工作等。
总之，随着激光技术和电子技术的发展，激光测距向着高精度、大量程的方向发展，势必在多种领域得到更为广泛的应用。尤其是在激光大气通信，非合作目标的高精度、远距离激光测距的应用方面具有很大的应用空间。
五、参考文献
【1】孙晓明，马军山，强锡富。半导体激光器自混合干涉绝对测距理论研究[J]
仪器仪表学报，1998，19（3）：274-278
【2】刘国光，基于方波的相位式激光系统的研究（硕士学位论文），浙江大学
2004
【3】张加良，相位法激光测距仪的研究（硕士学位论文），西安电子科技大学，
2007