激光相位测距仪的设计

J I A N G S U U N I V E R S I T Y 本科课程设计说明书

光学测试课程设计

题目：激光相位测距仪的设计

学院名称：机械工程学院

专业班级：光信息0901

学生姓名：***

指导教师姓名：姚红兵

2011年6月

摘要：本文论述了相位式激光测距仪的实现原理，从直接测尺频率和间接测尺频率两方面讨论了激光相位测距技术的实现，并就差频测相技术进行了深入的探讨分析，最后对测距仪的精度进行了相关的讨论，以提测距仪系统的测量精度和稳定性。

关键词：激光测距，相位式，测尺频率，差频测相

Abstract：This article mainly discusses the implementation of the principle of the phase-shift laser range finder, focusing on frequency of both the direct and indirect measuring tape of the technology and deeply studying the frequency difference of phase finding with theory and the precision analysis in order to improve system accuracy and stability.

Key words: laser ranging, phase-shift, measuring tape, frequency difference of phase finding

目录

1.激光相位测距仪原理 (1)

1.1 激光测距仪简述 (1)

1.2 激光相位测距仪原理 (1)

2.激光相位测距技术实现 (3)

2.1 直接测尺频率 (3)

2.2 间接测尺频率 (3)

3.相位测距技术阐述 (6)

3.1 差频测相原理 (6)

3．2其他测相技术简介 (7)

4.测距精度的分析 (9)

4.1 误差分析 (9)

4.1．1相位测量误差...................................................................... 错误!未定义书签。

4.1．2电子线路的干扰.................................................................. 错误!未定义书签。

4.2 精度分析 (9)

5.参考文献 (12)

1.激光相位测距仪原理

1.1 激光测距仪简述

在测距领域，激光的作用更是不容忽视，可以这样说，激光测距是激光应用最早的领域（1960年产生，1962年即被应用于地球与月球间距离的测量）。测量的精确度和分辨率高、抗干扰能力强，体积小同时重量轻的激光测距仪受到了大多数有测距需求的企业、机构或个人的青睐，其市场需求空间大，应用领域广行业需求多，并且起着日益重要的作用。：

当今市场上主流的激光测距仪是基于相位法的激光测距仪。这是因为基于相位法的激光测距仪轻易地就可以克服超声波测距的一个问题，经过许多科学工作者的努力，现在也有作用距离在几百米的相位法激光测距仪）。 相位法激光测距技术，是采用无线电波段频率的激光，进行幅度调制并将正弦调制光往返测距仪与目标物间距离所产生的相位差测定，根据调制光的波长和频率，换算出激光飞行时间，再依次计算出待测距离。该方法一般需要在待测物处放置反射镜，将激光原路反射回激光测距仪，由接收模块的鉴波器进行接收处理。

1.2 激光相位测距仪原理

测距机发射钟形波激光脉冲（主播信号），入射被测目标后返回部分激光（回波信号）由测距机接收，测距机与目标的距离为

2

ct L 1-1

相位测距是通过对光的强度进行调制来实现的。设调制频率为f ，调制波形如图1.1所示，波长/

c f λ=，c 为光绪，光波从A 点传播到B 点的相

移ϕ可表示为： 2()m m m ϕϕλ=+∆=+∆ 1-2 式中2m ϕπ∆∆=

。若光从A 点传到B 点所用的时间为t ，则A 和B 两点的距离为

()2L ct c m m f

ϕλπ===+∆ 1-3 式1-3为激光相位测距公式。只要测出光波相移ϕ中周期2π的整数m 和余数m ∆，便可有式1-3求出被测距离L 。所以调制光波的波长是相位测距 的一把米尺

图1.1相位的调制波形图

2.激光相位测距技术实现

2.1 直接测尺频率

由侧尺量度Ls 可得光尺的调制频率为

/2fs c Ls = 2-1

这种方法所选的测尺频率fs 直接和测尺长度Ls 相对应，即测尺长度直接由测尺频率决定，所以这种方式成为直接测尺 频率方式。若果测距仪测程为100km ，要求精确到0.01m 相位测量系统的测量不确定度为0.1%，则需要三八光尺，即110Ls =5m ，210Ls =3m ，310Ls =m ，相应的光调制频率分别为1 1.5,2150,310.kHz kHz MHz fs fs fs ===。显然，要求相位测量系统在这么宽的频带内都保证0.1%的测量不确定度很难做到。所以直接测尺频率一般应用于短程测量如GaAs 半导体激光短程相位测距仪。

2.2 间接测尺频率

在实际测量中由于测程要求较大，大都采用间接测尺频率方式。若用两个频率1fs 和2fs 调制的光分别测量同意距离L,可得

111()m m L Ls +∆= 2-2 222()m m L Ls +∆= 2-3 将式2-2两边乘以2Ls ，式2-3两边乘以1Ls 后做相见运算，可得：

112212(12

)()Ls Ls Ls Ls m m m m L Ls m m --+∆-∆==

+∆ 2-4 式中1211122122Ls Ls c c Ls Ls fs fs fs Ls ==--=