激光测距(非常详细)

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8.1概述激光测距仪的分类激光测距仪的分类：激光测距不同于激光测长，它的测量距离要大得多，按照测量距离可分为下述三类：1、短程激光测距仪，它的测程仅在五公里以内，适用于各种工程测量；2、中长程激光测距仪，测程为五至几十公里，适用于大地控制测量和地震预报等；3、远程激光测距仪，它用于测量导弹、人造卫星、月球等空间目标的距离；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：2ctd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。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：2ctdt的测量：在确定时间起始点之间用时钟脉冲填充计数。t开始结束t=NT时钟脉冲测程远，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。脉冲测距激光脉冲测距仪的简化结构如下图所示：激光脉冲测距仪的简化结构测距仪对光脉冲的要求：光脉冲应具有足够的强度光脉冲的方向性要好光脉冲的单色性要好光脉冲的宽度要窄用于激光测距的激光器：红宝石激光器、钕玻璃激光器、二氧化碳激光器、半导体激光器。二、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。tcL222nfcL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SatelliteLaserRanging,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1-3cm。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。卫星激光测距系统卫星激光测距系统按照各部分用途大致分为：激光发射、激光接收、信息处理和信息传输四大部分。•激光发射部分的作用是产生峰值功率高，光束发散角小的脉冲激光，使其经过发射光学系统进一步准直后，射向所测卫星。•激光接收部分是接收从被测卫星反射回来的微弱激光脉冲信号，经接收光学系统聚焦后，照在光电探测器的光敏面上，使光信号转变为电信号并经过放大。•信息处理部分的主要作用是进行卫星测站预报，跟踪卫星，测量激光脉冲从测距系统到被测卫星往返一次的时间间隔t，并准确显示和记录在计算机硬盘上，再由人工或自动方式形成标准格式。•信息传输部分的作用是通过通讯网络接收轨道预报参数和其它指令（下传），上传观测结果所形成的标准格式数据等。卫星激光测距系统组成卫星激光测距系统功能分为七大分系统：•望远镜转台分系统•激光器分系统•光电接收分系统•伺服驱动控制分系统•测距控制分系统•微光导星分系统•软件分系统测量原理控制机箱系统控制计算机激光器GPS时钟接收机计数器伺服系统脉冲分配器转台SPAD发射望远镜接收望远镜GPS天线点火1PPS10MHz开关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：LCt脉宽10ns100ps10ps测距精度3m3cm3mm表：测距精度与脉宽的比较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。卫星激光测距—激光器发展历史•第一代：1964年，调Q激光器，脉宽ns，测距精度3m；•第二代：70－90年代，主被动锁模激光器，脉宽100ps，测距精度3cm；•第三代：SESAM锁模，50Hz;•第四代：SESAM锁模，KHz，精度＜1cm；•第五代：双波长激光器，去除大气干扰。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（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（4）气象参数采集和大气修正模型误差我国卫星测距站卫星激光测距应用卫星激光测距（SatelliteLaserRanging：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。激光测距的基本公式为：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：脉冲测距和相位测距。ctd218.2脉冲激光测距一、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——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）2）对于扩展目标，由于目标面积大于光斑面积，所以目标有效反射面就是光斑面积：2、激光回波在单位立体角内所含的激光功率Pe（激光在目标产生漫反射，其漫反射系数为ρ）1/sttttATAKPP'1tttPPKT附注：几个概念（1）立体角（Ω）的概念：（球面度）2Rds（2）一点光光源向三维空间幅射的立体角为：（3）一点光源以小孔径角（u）幅射的立体角ω：因为u很小，可将球面以圆面积代替注意：u为孔径角（rad）。44222RRR球面积（球面度）圆面积222222uRuRRrR（4）“郎伯”定律：设光正入射到一漫反射体，设垂直于漫反射面反射的光强为IN，若向任一方向漫反射的光强Ii满足下式：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式中：ρ——目标漫反射系数Tα——大气单程透过率2/1TPTPPtte则3、测距仪光接受系统能接受到的激光功率PrPr=Pe·Ωr·KrΩr——目标对光接收系统入瞳的张角（物方孔径角）所对应的立体角Kr——接收光学系统透过率Ar——入瞳面积R——目标距离（m）所以：Pr=Pe·Kr·Ar/R2……（3）2RArr4、测距公式以（1）代（2）并代入（3）得：光电探测器可接收到的激光功率Pr为：整理得：Pr=Pt·Kt·ρ·Kr·Tα2·Ar/（AS·π·R2）式中：大气透过率Tα=e-α，大气衰减系数α=2.66/V，（V：为大气能见距离km）2121///RKATATAKPRKATPPrrPstttrrPtrte代入上式，整理得以光电探测器所能探得的最小光功率Pmin代替上式中的探测功率Pr，则可得最大探测距离Rmax为：结论：1、激光发射能量大对测距有利：222eeT则212/rrrStttPeAKAAKPRmin22max1PAAeAKKPRStrrtt若已知脉冲激光单脉冲能量E（J），和脉宽τ（s），则可由下式求其峰值功率Pt。Pt=Et/τ例：对YAG激光器：已知τ=5ns=5×10-9sec，Et=10mJ=10×10-3J但增大单脉冲能量必须提阈值电压，这将导致:1）能耗上升，2）电磁干扰增大，3）氙灯寿命减少。36910102102510tPWMW则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、光电读数因为测距仪的最小脉冲正量δ为：令N=1例：设fT=150MHz=1.5×108Hz，C=3×108m三、测距精度对求偏微分，·分析ΔN产生的误差：111()22TTTNsctcfTff为晶振频率;Tfc2则m1105.1210388则：TfNCS2TTffsNNsccss（2）光电计数误差：可产生±1个脉冲当量的误差，且影响2次：（1）瞄准误差2NS四、测距仪光学原理框图五、激光接收光学系统（一）激光接受光学系统的两种基本型式1、出瞳探测系统场镜的作用是减小探测器口径，并使孔径光栏成像在光电探测器上设计时满足以下关系：式中：β为横向放大倍率，φ0为光电探器光敏面直径。解以上方程组，可得llDfll18.0111021。值和、2fl2、出窗探测系统（二）设计中几个光学参数的讨论1、接受物镜相对孔径和探测器光敏面（φ0）的关系。fD对出窗探测系统，设接收物镜口径为D，视场角为w，在象面上光斑直径为φ，则当w很小时，可用下式建立它们之间的关系：在出窗探测系统中，光敏面置于象面处，设光电探测器的光敏面为φ0，一般取：φ≤0.8φ0即2wfˊ≤0.8φ0，所以ƒ´≤fw228.00注意：越大，接收能量越多，但光学系统象差愈难校正。例：若取，雪崩二极管光敏面直径为：φ0=1mm2W=2.9°=50×10-3rad，则由上式可得D=3.2mm此时fˊ=16（mm）这样光探测系统显然是不合理的，因此，需要调整系统参数。例如，若将探测器换为光电倍增管，并取φ0=20mm，则上例中D=64mm，fˊ=320mm。此参数趋于合理。fD51fD28.08.0228.0000fDDDDfD或又因为：2、窄带干涉滤波器与视场角W之间的矛盾如下图，设干涉滤波器之视场角为：2W0=+5º，即W0=5º设计时要求αmax≤[W0]例：设接收系统W=25×10-3rad，则αmax=8.53°W0=5°解决这个矛盾的办法是减小接收系统的相对孔径，或增大探测器面积。fD，51fDfDWtgfDWfDwftg2221maxmax所以则一、问题的提出则脉冲激光测距中最小脉冲当量的公式：可知：δ与填充时钟脉冲的频率fT成反比，例，设fT=150MHz，C=3×108m/s则δ=1m因此在测量中，如果存在一个脉冲的误差，则其测距误差即为1m，这对远距离测量也许是允许的，但对近距离测量（如50m等），则误差太大。如要求测距误差为1cm，