手持式激光测距仪研究

手持式激光测距仪研究

张鹏飞 张毅 涂碧海 赵欣

(中国科学院安徽光学精密机械研究所，安徽 合肥 230031)

摘要:在常见手持式激光测距仪的原理的基础上，提出采用连续发射的正弦调制的脉冲信号的方法，来提高相位式激光测距的测程。同时论述了在相位差测量中，采用多周期采样的方法来降低A/D转换采样频率，从而降低系统电路的复杂性和成本。

关键词：手持式激光测距 测程 采样

中图分类号：TH745.3 文献标识码：A

Research of the portable laser rangefinder

Zhang Peng-fei Zhang Yi Tu Bi-hai Zhao Xin

(Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China)

abstract ：This paper presents a new method using continuously transmitted sine modulated pulse signal, which is based on the principles of the familiar portable laser rangefinders, to improve the range of phase-shift laser finding. The application of equivalent time sampling is proved to be able to reduce the sampling frequency of A/D converting and lower the complexity and cost of the system circuit.

Key words ：portable laser rangefinder range sample

基金项目：国家高技术863计划资助课题 名称保密 项目编号863－2－7－4－4 （保密）申请人 张毅

1 引言

手持式激光测距仪是一种安全快捷的、能方便携带的激光测距仪器，适用于家庭装修、工程装潢、房产测绘、卫生监督、城市监察、交通管理、电力、电信、气象、林业、农业等行业，它能够简单精确地测量室内、室外及难于接近部位的距离，可以精确地测量建筑物的高度及室外较长距离。

手持式激光测距仪和普通大型的激光测距仪一样也有两种实现方式：脉冲式和相位式。手持测距仪测程一般在几百米，精度要求在毫米级别。由于相位式能较容易做到毫米级精度,所以本设计采用这种方式。它的基本原理是用正弦信号调制发射信号的幅度，通过检测从目标反射的回波信号与发射信号之间的相移来测量距离。原理可以用如下式子表达[1]： 4c D f

φπ∆= （1） 其中:D 是测距仪和被测目标之间的距离，φ∆是光波在测距仪和被测目标之间传播形成的相

位差，f 是激光调制的频率，c 是光速。

2 提高手持测距仪的测程

手持激光测距仪一般用电池供电并且要满足人眼安全的要求，所以激光发射功率一般都不大。本文系统采用波长650nm 的激光,发射功率为1mW，测程希望达到50m。根据非合作目标接收光功率和距离关系的表达式[2]： 2

1cos t t r t r

r PM A K K P R ρθπ=⋅⋅ （2） 其中：t P 是发射功率，t M 是调制度，t K 是发射系统光学透过率，r A 是有效接收面积，R 是被测距离，r K 是接收系统的光学透过率 ，ρ是被测物体漫反射率，θ是测量方向法线夹角 ，r P 接受光功率。r P 与系统探测器能够探测的最小光功率有关。系统激光的调制度为1，发射系统透过率为0.8，接收系统透过率为0.5 ，滤光片透过率为0.8 ，目标物的反射率0.5，入射角0度，最小探测功率设10－8

W，接收物镜直径50mm。根据公式可以计算出测量的距离为3.1m，这很难满足设计的需要。

为了能够在发射功率有限的情况下来提高测程，本文采用连续发射的正弦调制的脉冲波来

实现。波形如图1所示。

图1 正弦调制的脉冲波

Fig.1 sine modulated pulse waveform 从图中我们可以看到激光信号变成周期出现的脉冲波，每个周期中的脉冲都是被正弦波经过振幅调制得到的。与连续发射的正弦波相比，在平均功率相同的情况下，它的功率主要集中在一段脉冲上，利用这些高功率的脉冲段可以有效的提高测程。设脉冲功率为t P ；平均功率为P ，脉冲宽度为 k τ，脉冲重复频率为f ，则脉冲功率与平均功率关系为：

1t k

p f p τ= （3）

本文采用25M 的正弦波8个周期作为一个脉冲，它的脉冲宽度是320ns，重复频率是10K，平均功率1mW，则脉冲功率为312mW。根据公式(2)可知，测距系统可以探测的最大距离R 与系统的发射功率t P 的平方根成正比。

在其他条件相同的情况下可以把测程提高约18倍，测程可以达到55m。如果进一步降低重复频率就可以把测程提高更多，从而满足不同设计的需要。

3.用多周期采样来降低采样频率

为了减小手持测距仪的体积，本文相位测量系统采用全数字的方式来提高集成度 。在数字检相中常见是脉冲计数的方法[3]

，这种方式需要精确的高频脉冲发生器，对电路要求比较高。本系统中光电器件产生的模拟电信号经过A/D转换,变换成数字信号。对数字信号作快速傅里叶变换FFT，计算采样信号的初始相位，进而算出测距系统中测量信号和参考信号之间的相位差[4]。

调制信号为正弦信号，因为正弦信号以2π为模，根据公式（1）相位式激光测距中存在模糊距离/2nar d c f =所根据设计需要采用的调制信号频率为25MHz，模糊距离是6m，测相精度0.001的情况下，测量精度为6mm。对于调制信号按照采样定律的要求，就需要50M的采样频率。高采样频率的A/D器件本身功耗大，并且频率过高对相关电路要求也高，增加系统的成本和复杂性。所以在保证信号的相位不变的情况下，能够用较低的采样频率来采样，就会给系统设计带来方便，从而满足手持设备低功耗和小体积的需要。由于发射的调制信号为周期信号，回波信号除了幅度上有所降低和相位有所延迟外，与发射信号基本一样。对于周期信号，本文采用多周期采样的办法来降低采样频率。如图2所示。

假设在一个正弦波周期内采4个样点，正弦波周期为T，则脉冲宽度为8T，两个脉冲间的空闲时间为S。

图2 4个周期的波形采样图

Fig.2 four cycles sampled waveform

第一个脉冲采点s1，第二个脉冲采点s2，依次在8个脉冲时间内完成一个正弦周期的采样。如果间隔多个脉冲采下一个点，就可以把采样频率降的更低。那么就是对波形每隔(8)/4n T S T ++ 的时间采一个点，n 是整数。对于25M的正弦信号，如果满足采样定律的需要，在一个周期内完成就需要100M的采样频率。假设脉冲宽度和空闲时间相等，且n 为1，那么采样频率就是1.5M。与100M采样频率相比，已经大大降低，在电路设计方面就会容易些。在相位差测量中，一般采