科技前沿
激光测距原理分析
代允
（中山市技师学院，广东中山
528400）
[摘要]随着科技的发展，人们的日常生活中对自动化的要求越来越高，而测距如何打破传统的长度用尺跨出自动化的一步呢？传统的测量
方法还是以固定长度为比例尺来丈量受测长度，再以倍数乘出，简单易行却有空间和精度的局限性。而随着激光技术的应用，我们使用另一种物理量通过公式计算来得出距离长度，这样的方法更有效，且精度更高！[关键词]激光测距；脉冲激光；相位测距1
激光测距的优点
率的越高所得出的测距越精确。
例如，采用时钟脉冲频率f=300MHz的激光测距仪，预测距离为L=3000m，则光脉冲需要的往返时间为t =2L/c =20μs ，在20μs 的时间间隔里，计数器可计数3000个脉冲信号，也就是每1m 计数一个脉冲信号。意味着所产生的一个脉冲信号就会引起1m 的测量误差。如果距离很远这样的误差还能被容许，但对近距离如100m 以内，相对误差就太大了，当然我们还可以通过使用更高频率的计数时钟来减少这一误差。
除此之外时间分辨率Δt 还受到其他因素的影响，例如，光接收系统对脉冲的展宽，被测目标和激光的脉冲宽度等。
3.2连续激光相位测距
目前短程距离多采用相位技术进行测量，相位测距的原理为，用无线电波段的频率对激光束进行幅度调制，并确定掉之光往返一次所产生的相位延迟，根据调制光的波长，换算出相位延迟所代表的距离，再由此计算出激光往返所需的时间。
现在的检相方法为将连续的调制信号经过整形变成方波，再由数字鉴相器进行检测，不同于早前的相位式激光测距，需要激光器保持连续的工作状态，使用半导体激光器的直接光强调制对激光器进行光强调制。
通过对检测相位过程的分析，发现对检测相位有贡献的部分为整形过程中过零点的部分，而连续信号的其他部分对数据处理不但没有作用，还会降低激光器的功率，缩短激光器的使用时间。因此，如果能把激光器集中在信号有效的那部分，则能够调高激光测距仪的效率，并延长其使用时间。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。
4总结和展望
激光测距技术属于精密机械测量技术，采用电子光学传播原理，是结合多种精密技术的综合运用。其对生产和调制的要求比较高，本论文还只是对技术的初步研究，讨论了前期的理论分析和部分器件的实现，要达到实用性能完善，还有更多研究工作要做：
1）半导体激光器的窄脉冲驱动工作；2）信号变换过程中相位信息的分析；3）基于DDS 技术的调频信号发生器；4）窄脉冲激光光束的相位抖动问题。
最后，由于近代精密机械加工技术和无线电测相技术的发展，激光测距将会达到更远距离、更高的精度，并且在工业，军事甚至医疗方面得到更为广泛的应用。尤其是在远距离激光测距，非合作目标的高精度、激光大气通信的应用方面具有很大的应用空间。
1.1精度高
激光测距仪的使用操作不依赖于使用者的经验和操作技能，误差只取决于仪器本身的精度，仅为其他光学测距仪的五分之一到数百分之一。例如，在月球上安装反射器，测量距离为38440km ，误差仅仅为10cm 。
1.2测量速度
由于激光测距不用再像传统测量一样，用一个个的固定单位去做比例。采用光速传播于两点之前，因此测量速度非常快，也节省了很多工作。
1.3便于携带，体积小
普通常用的激光测距仪，质量从2.2lbs 到1kg 都有。1.4可测距离长
对比传统测量方法，激光测量在可测长度上有非常大的优势，若连续发射激光，可测距离可达40公里，并可昼夜连续工作，不会因为加大测程而产生巨大的误差。
2发展趋势
激光测距技术最早应用于军事测量，世界上的第一台激光测距仪生产于1961年，由美国的休斯飞机公司发明创造，名为科利达I 型，而世界第一台用于军事的激光测距仪也在短短一年后成功问世。因这项技术的绝对优势，激光测距被广泛应用于军事探测，例如坦克，飞机，火炮对目标的测量，以及更高的云层，人造卫星的高度等。而随着技术的发展，激光测距仪的价格也不断下调，工业上也开始广泛使用此技术，用于测量矿山，港口等领域。
3根据测量原理的分类3.1脉冲激光3.1.1脉冲激光测距原理
激光测试仪同时具备发射和接收系统，由出发点用激光器向测试目标发射脉冲光，通过测量脉冲光发出到接收由目标处反射回来的脉冲光的往返时间来计算出目标距离。
工作过程为：
首先启动激光器，向已确认的目标发射激光脉冲信号。与此同时，计数器作为采样器采样发射信号被启动，时钟振荡器向计数器输入有效计数脉冲，激光脉冲信号被目标反射回来经过空气传输，进入激光测距仪的接收系统，光电探测器负责将其转变为电脉冲信号，再经过放大器放大，作为计数器的关门信号，使计数器停止计数。最后通过计算此周期里的时钟脉冲个数，可以计算得到目标距离。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。3.1.2测距精度分析
脉冲测距的精度ΔD 可以由公式表示：ΔD=c Δt/2从此公式可以看出，ΔD 的精度主要取决于激光传播时间Δt 的准确精度。而激光传播时间的测量精度除了受探测器的信噪比和接收通道的带宽这些数值的影响，最主要的影响因素为时间间隔测量的精确度。
从公式我们可以看出，精准的激光传播时间Δt 是得到脉冲距离L 的关键，如何得到更准确稳定的Δt 呢？这要求我们准确的把握激光发射和接收的起止时刻，由此推算出无误的时间间隔。实验发现，计数频
[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．
［２］余成波．传感器与自动检测技术．高等教育出版社，２００４．
［３］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．
［４］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．
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科技前沿
激光测距原理分析
代允
（中山市技师学院，广东中山
528400）
[摘要]随着科技的发展，人们的日常生活中对自动化的要求越来越高，而测距如何打破传统的长度用尺跨出自动化的一步呢？传统的测量
方法还是以固定长度为比例尺来丈量受测长度，再以倍数乘出，简单易行却有空间和精度的局限性。而随着激光技术的应用，我们使用另一种物理量通过公式计算来得出距离长度，这样的方法更有效，且精度更高！[关键词]激光测距；脉冲激光；相位测距1
激光测距的优点
率的越高所得出的测距越精确。
例如，采用时钟脉冲频率f=300MHz的激光测距仪，预测距离为L=3000m，则光脉冲需要的往返时间为t =2L/c =20μs ，在20μs 的时间间隔里，计数器可计数3000个脉冲信号，也就是每1m 计数一个脉冲信号。意味着所产生的一个脉冲信号就会引起1m 的测量误差。如果距离很远这样的误差还能被容许，但对近距离如100m 以内，相对误差就太大了，当然我们还可以通过使用更高频率的计数时钟来减少这一误差。
除此之外时间分辨率Δt 还受到其他因素的影响，例如，光接收系统对脉冲的展宽，被测目标和激光的脉冲宽度等。
3.2连续激光相位测距
目前短程距离多采用相位技术进行测量，相位测距的原理为，用无线电波段的频率对激光束进行幅度调制，并确定掉之光往返一次所产生的相位延迟，根据调制光的波长，换算出相位延迟所代表的距离，再由此计算出激光往返所需的时间。
现在的检相方法为将连续的调制信号经过整形变成方波，再由数字鉴相器进行检测，不同于早前的相位式激光测距，需要激光器保持连续的工作状态，使用半导体激光器的直接光强调制对激光器进行光强调制。
通过对检测相位过程的分析，发现对检测相位有贡献的部分为整形过程中过零点的部分，而连续信号的其他部分对数据处理不但没有作用，还会降低激光器的功率，缩短激光器的使用时间。因此，如果能把激光器集中在信号有效的那部分，则能够调高激光测距仪的效率，并延长其使用时间。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。
4总结和展望
激光测距技术属于精密机械测量技术，采用电子光学传播原理，是结合多种精密技术的综合运用。其对生产和调制的要求比较高，本论文还只是对技术的初步研究，讨论了前期的理论分析和部分器件的实现，要达到实用性能完善，还有更多研究工作要做：
1）半导体激光器的窄脉冲驱动工作；2）信号变换过程中相位信息的分析；3）基于DDS 技术的调频信号发生器；4）窄脉冲激光光束的相位抖动问题。
最后，由于近代精密机械加工技术和无线电测相技术的发展，激光测距将会达到更远距离、更高的精度，并且在工业，军事甚至医疗方面得到更为广泛的应用。尤其是在远距离激光测距，非合作目标的高精度、激光大气通信的应用方面具有很大的应用空间。
1.1精度高
激光测距仪的使用操作不依赖于使用者的经验和操作技能，误差只取决于仪器本身的精度，仅为其他光学测距仪的五分之一到数百分之一。例如，在月球上安装反射器，测量距离为38440km ，误差仅仅为10cm 。
1.2测量速度
由于激光测距不用再像传统测量一样，用一个个的固定单位去做比例。采用光速传播于两点之前，因此测量速度非常快，也节省了很多工作。
1.3便于携带，体积小
普通常用的激光测距仪，质量从2.2lbs 到1kg 都有。1.4可测距离长
对比传统测量方法，激光测量在可测长度上有非常大的优势，若连续发射激光，可测距离可达40公里，并可昼夜连续工作，不会因为加大测程而产生巨大的误差。
2发展趋势
激光测距技术最早应用于军事测量，世界上的第一台激光测距仪生产于1961年，由美国的休斯飞机公司发明创造，名为科利达I 型，而世界第一台用于军事的激光测距仪也在短短一年后成功问世。因这项技术的绝对优势，激光测距被广泛应用于军事探测，例如坦克，飞机，火炮对目标的测量，以及更高的云层，人造卫星的高度等。而随着技术的发展，激光测距仪的价格也不断下调，工业上也开始广泛使用此技术，用于测量矿山，港口等领域。
3根据测量原理的分类3.1脉冲激光3.1.1脉冲激光测距原理
激光测试仪同时具备发射和接收系统，由出发点用激光器向测试目标发射脉冲光，通过测量脉冲光发出到接收由目标处反射回来的脉冲光的往返时间来计算出目标距离。
工作过程为：
首先启动激光器，向已确认的目标发射激光脉冲信号。与此同时，计数器作为采样器采样发射信号被启动，时钟振荡器向计数器输入有效计数脉冲，激光脉冲信号被目标反射回来经过空气传输，进入激光测距仪的接收系统，光电探测器负责将其转变为电脉冲信号，再经过放大器放大，作为计数器的关门信号，使计数器停止计数。最后通过计算此周期里的时钟脉冲个数，可以计算得到目标距离。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。3.1.2测距精度分析
脉冲测距的精度ΔD 可以由公式表示：ΔD=c Δt/2从此公式可以看出，ΔD 的精度主要取决于激光传播时间Δt 的准确精度。而激光传播时间的测量精度除了受探测器的信噪比和接收通道的带宽这些数值的影响，最主要的影响因素为时间间隔测量的精确度。
从公式我们可以看出，精准的激光传播时间Δt 是得到脉冲距离L 的关键，如何得到更准确稳定的Δt 呢？这要求我们准确的把握激光发射和接收的起止时刻，由此推算出无误的时间间隔。实验发现，计数频
[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．
［２］余成波．传感器与自动检测技术．高等教育出版社，２００４．
［３］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．
［４］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．
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