激光测距技术国内外发展状况及原理

激光测距技术国内外发展状况及原理
作者：郑明杰刘鑫
来源：《科技创新导报》 2014年第1期
郑明杰刘鑫
(长春工业大学人文信息学院吉林长春 130122）
摘要：激光是一种高度相干、能量集中以及方向性很强的光辐射,这些特点对于实现测量过程中的自动化、高效率及高精度是十分有益的。

关键词：激光测距技术发展状况原理
中图分类号：TN249 文献标识码:A 文章编号：1674-098X(2014)01(a)-0035-01
1 激光测距技术国内外发展状况
国内外在20世纪70年代初的一些测量仪器开始采用了激光技术。

世界上第一台激光器，
是由美国休斯飞机公司的科学家梅曼于1960年，首先研制成功的，被称作柯丽达1型。

1971年，美国军方率先配置了AN/GVS-3型红宝石激光测距系统。

自此，各国军队逐渐配备了用于侦查的激光测距机，各种型号的激光测距装置相应得到了应用。

20世纪70年代，美国、俄罗斯
等国的著名公司开展合作研究，其产品涉及工业、航天、海洋等多个方面。

经过多年不断探索，激光测距机更新了两代，已经研制更新到了第3代。

第1代激光测距系统是光电倍增管探测器
和红外宝石激光器构成的。

但是由于占地面积广、重量重、耗费电量多等缺点而被第2代测距
系统取代。

第2代激光测距系统采用近红外钕激光器(主要是Nd：YAG激光器)和PIN光电二极
管或者雪崩光电二极管。

与第一代相比，第2代激光测距系统的耗电量和体积都小很多，因此
得到了迅速发展。

到20世纪70年代，YAG激光器技术趋于成熟，将这种激光器应用于远程、
中程、短程的激光测距雷达以成为一种趋势。

但是由于其对全天候测距精度低、兼容性差及损
伤人眼的缺点，伴随着激光技术与电子技术的发展，逐渐被第3代激光测距系统所取代。

第3
代激光测距系统相较于前两代而言有了十足的发展。

其结构采用对人眼安全的激光器，并用最
新电子的技术。

并且体积小、耗电量少而精度更高。

西方国家开发出了用途不同的测距系统，
有单光束激光测距系统、二维激光扫描式测距系统等。

其中，一维系统用于测量距离，二维系
统用于扫描平面，监控一片区域，三维测距系统用于对空间的定位与三维轮廓测量等应用领域。

由于激光测距系统的高精度、快速性及抗干扰性能强等优点而备受推崇。

国外的许多科研机构
和大学亦在此领域展开研究。

2008年，全球工业安全领域的专家迈赛展示了全新的LS30，能够产生一个达到190度的不可见的非接触的监控平面，并且能够用软件来自由的控制监控的区域，较易于满足特殊的工业
要求。

近些年，劳意斯提出了系列的测距系统，其分辨率达到30mm,可通过PROFIBUS-DP接口
或红外接口与PLC等上位机实现通信。

同时，莱卡公司亦推出了实用于不同场景的不同型号的
激光测距系统，由其测距的快速性及电磁干扰的不敏感性而广泛应用在各个领域。

20世纪70年代，国内激光器样机的研究出现了。

北京光学仪器厂,苏州第一光学仪器厂先
后研制成功了以气体激光器作光源的经纬仪。

由于激光器体积大,使用寿命短，原则上每年都要更换，所以给以气体激光器作为光源的激光经纬仪带来许多不足。

有两种结构使激光光束引入
望远镜。

一种是刚性直接导人式,这种型式虽然简单结构,光能损失小，但对仪器的使用并不利。

由于激光器及其外壳较重,体积较大，横轴支承不方便，又因为激光器偏离横轴于一侧，所以望远镜做俯仰工作时重心不平衡。

另外,由于需要联接外接电源线,使得仪器的横轴和竖轴都难以
作360°旋转,给使用带来不便。

另一种是光导纤维导人式。

采用了光导纤维管联结,这是一种
挠性联结。

使用时仪器不装载激光器和激光的电源,因此没有不利于仪器横轴支承，同时激光器产生的热量引起望远镜视轴和激光束轴的变化也完全克服了,即光束发生漂移。

光导纤维管联结存在着结构较复杂、传递光束光能损失大等问题。

另外仪器的横轴和竖轴也难以作360°的旋转,给使用带来不便。

可以说，在起步的阶段，我国的激光技术迅速发展，在技术上都已接近国际先进水平。

在
激光测距方面的研究，我国于1972年成功的研制出了JCY-1型精密气体激光测距机，第二年，推出了JCY-2型。

1996年，上海光机所成功设计出了便携式半导体激光测距机，测距精度为
±0.5m。

接下来几年里，体积小、精度高的便携式测距机成为了研究的主题。

在1999年，为提高测量精度，详细的判别了误差来源，认为测距的误差主要是由于接收系统响应时间和自量化
时钟的频率稳定度以及脉宽的影响。

2005年，清华大学赵大龙、秦来贵等人对激光测距机的接
受问题做了初步分析，并提出了自触发测距的方案，减少了测距所带来的误差。

2007年，中国
科学院上海物理研究所采用了专用的时间间隔测量芯片TDC-GP1，不仅增加了测距范围，提高
了测量精度，还便于控制和使用。

2008年，中科院成功研制出了基于时幅转换的激光测距系统，精度达到±5mm，处于国际先进水平。

2 激光测距技术的基本原理
激光测距的常用方法有相位法、脉冲法。

激光测距技术通常是对目标发射一个窄脉宽的激
光脉冲或发射连续波激光束来测量目标距离的一种技术。

下面将针对常用的下相位法及脉冲法
做一些简单介绍。

2.1 相位法
相位法是通过向目标发射连续的调制脉冲，并通过比对发射信号与接受信号之间的相位差
来判断目标的距离。

但是，对于目标的距离大于测量距离时将会出现多重结果。

仅当相位差小
于2π时有唯一值。

并且仅当脉冲频率高时误差才会降低，但相应的测量距离就会下降，因此
本方法有较大的局限性。

2.2 脉冲法
脉冲法通过计算发射脉冲与接受脉冲的时间差来计算目标距离的。

因光波在空气中的传播
速度为恒定值，因此只要得知光波从发出到接收的时间即t可算出待测目标的距离为：
虽然测量精度较相位法要低，但是脉冲激光测距法却有以下优点：第一，在两种方法的总
平均功率相同的情况下，脉冲激光测距法可以产生瞬间的大功率，从而使得接收信号足够强，
相较而言测量距离就相应的增大。

第二，在一般情况下，脉冲测距法的测量速度快，而相位法
由于需要比较信号之间的相位差，因此测量时间较长，不适合高频率的测量。

第三，脉冲式测距法安全性和隐蔽性好。

参考文献
[1] 付宝臣.高精度激光测距仪硬件电路研究[M].南京理工大学,2007.
[2] 赵大龙,秦来贵,霍玉晶.脉冲激光测距接收技术的研究[j].光电技术应用,2005(3).。