高精度相位式激光测距的实现
激光测距实验报告(精)
一、激光测距简介：激光测距仪无论在军事应用方面，还是在科学技术、生产建设方面，都起着重要作用。
由于激光波长单一，测量精度高，且激光测距仪结构小巧，安装调整方便，故激光测距仪是目前高精度测距最理想的仪器。
激光器与普通光源有显著的区别，它利用受激发射原理和激光腔的滤波效应，使所发光束具有一系列新的特点：①激光有小的光束发散角，即所谓的方向性好或准直性好。
②激光的单色性好，或者说相干性好，普通灯源或太阳光都是非相干光。
③激光的输出功率虽然有限度，但光束细，所以功率密度很高，一般的激光亮度远比太阳表面的亮度大。
若激光是连续发射的，测程可达40公里左右，并可昼夜进行作业。
若激光是脉冲发射的，一般绝对精度较低，但用于远距离测量，可以达到很好的相对精度。
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。
美国军方很快就在此基础上开展了对军用激光装置的研究。
1961年，第一台军用激光测距仪通过了美国军方论证试验，对此后激光测距仪很快就进入了实用联合体。
激光测距仪重量轻、体积小、操作简单速度快而准确，其误差仅为其它光学测距仪的五分之一到数百分之一，因而被广泛用于地形测量，战场测量，坦克，飞机，舰艇和火炮对目标的测距，测量云层、飞机、导弹以及人造卫星的高度等。
它是提高坦克、飞机、舰艇和火炮精度的重要技术装备。
由于激光测距仪价格不断下调，工业上也逐渐开始使用激光测距仪。
国内外出现了一批新型的具有测距快、体积小、性能可靠等优点的微型测距仪，可以广泛应用于工业测控、矿山、港口等领域。
激光测距仪-分类：一维激光测距仪用于距离测量、定位；二维激光测距仪（Scanning Laser Range finder）用于轮廓测量，定位、区域监控等领域；三维激光测距仪（3D Laser Range finder）用于三维轮廓测量，三维空间定位等领域。
激光测距-方法激光测距仪一般采用两种方式来测量距离：脉冲法和相位法。
激光测距实验报告(精)
一、激光测距简介：激光测距仪无论在军事应用方面，还是在科学技术、生产建设方面，都起着重要作用。
由于激光波长单一，测量精度高，且激光测距仪结构小巧，安装调整方便，故激光测距仪是目前高精度测距最理想的仪器。
激光器与普通光源有显著的区别，它利用受激发射原理和激光腔的滤波效应，使所发光束具有一系列新的特点：①激光有小的光束发散角，即所谓的方向性好或准直性好。
②激光的单色性好，或者说相干性好，普通灯源或太阳光都是非相干光。
③激光的输出功率虽然有限度，但光束细，所以功率密度很高，一般的激光亮度远比太阳表面的亮度大。
若激光是连续发射的，测程可达40公里左右，并可昼夜进行作业。
若激光是脉冲发射的，一般绝对精度较低，但用于远距离测量，可以达到很好的相对精度。
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。
美国军方很快就在此基础上开展了对军用激光装置的研究。
1961年，第一台军用激光测距仪通过了美国军方论证试验，对此后激光测距仪很快就进入了实用联合体。
激光测距仪重量轻、体积小、操作简单速度快而准确，其误差仅为其它光学测距仪的五分之一到数百分之一，因而被广泛用于地形测量，战场测量，坦克，飞机，舰艇和火炮对目标的测距，测量云层、飞机、导弹以及人造卫星的高度等。
它是提高坦克、飞机、舰艇和火炮精度的重要技术装备。
由于激光测距仪价格不断下调，工业上也逐渐开始使用激光测距仪。
国内外出现了一批新型的具有测距快、体积小、性能可靠等优点的微型测距仪，可以广泛应用于工业测控、矿山、港口等领域。
激光测距仪-分类：一维激光测距仪用于距离测量、定位；二维激光测距仪（Scanning Laser Range finder）用于轮廓测量，定位、区域监控等领域；三维激光测距仪（3D Laser Range finder）用于三维轮廓测量，三维空间定位等领域。
激光测距-方法激光测距仪一般采用两种方式来测量距离：脉冲法和相位法。
相位式激光测距原理
相位式激光测距原理
相位式激光测距原理是一种利用光学原理测量物体距离的方法。
其基
本原理是将激光束发送到目标物体，经过反射后接收回来，然后根据
光的相位差计算出物体到激光测距仪的距离。
下面将会逐一讲解相位
式激光测距原理的详细内容。
1. 激光的发射
相位式激光测距仪通过激光器发射一束定向、单色、激光光束，将激
光传输到目标体上。
2. 激光的接收
激光的接收有两种方法，其中一种可以使用普通的接收型光电二极管
来完成，另一种则需要使用相位测量的方法。
3. 相位差的测量
通过对激光发射时和接收时的相位差进行测量，得到目标到发射点的
距离，这个距离与光的波长有关。
4. 数据的处理
将测得的距离进行处理后，即可得到精确的目标距离数据，同时在数
据处理的过程当中，还可以实现自动跟踪，提高了装置的实用性。
总之，相位式激光测距原理是一种非常先进和高精度的测距方法，其
原理也比较复杂，需要参考一定的物理学知识，而在工业、航空航天、军事等领域都有广泛的应用。
相位法激光测距
相位法激光测距
相位法激光测距是一种通过测量激光信号的相位差来确定目标物体距离的技术。
该技术利用了激光信号在发射和反射之间的时间差以及相位差的变化来计算距离。
相位法激光测距具有精度高、测量范围广、快速、可靠等优点，因此在工业、建筑、地质勘探等领域得到广泛应用。
同时，相位法激光测距也存在着一些局限性，如对目标表面的反射率要求较高、对大气的影响较大等。
随着激光技术的不断发展，相位法激光测距技术还将不断得到改进和完善。
- 1 -。
一种提高相位激光测距精确度的方法
一种提高相位激光测距精确度的方法陈 敏1,杜小平2(11装备指挥技术学院士官系 北京 101406;21装备指挥技术学院电子工程系 北京 101406)摘 要:描述了一种采用相位式激光测距提高测距精度的方法,给出了采用相位式进行激光测距的原理,指出了采用单一频率进行测距时存在的矛盾,从而提出了在单一频率的基础上添加多个辅助频率进行测距,分析了采用多个辅助频率进行相位激光测距的原理,并对采用该方法进行了精度分析。
从分析的结论看,采用的辅助频率个数越多,则越能提高测距精度,同时该方法还能提高测量范围,解决了单一频率测量时的矛盾,达到了测距时高精度、大范围的工程应用要求。
关键词:相位激光测距;辅助频率;精度中图分类号:TN 249 文献标识码:B 文章编号:1004373X (2005)1611302A M ethod of I m prov i ng the M ea surem en t Prec ision for Pha sela ser M ea sur i ng D istanceCH EN M in 1,DU X iaop ing2(11D epart m ent of Sergeant ,A cade m y of Equi pm ent Comm and Techno l ogy ,B eijing ,101406,Ch ina ;21D epart m ent of E lectronic Engineering ,A cade m y of Equi pm ent Comm and Techno l ogy ,B eijing ,101406,Ch ina )Abs tra c t :T h is paper p ropo ses a new m ethod to i m p rove m easu rem en t p recisi on ,w h ich is called phase laser m easu ring m ethod 1A fter exp lain ing the w o rk ing theo ry of th is new m ethod ,the paper po in ts ou t the con tradicti on w hen single frequency m easu rem en t m ethod is adop ted ,in troduces a so lu ti on of adding m u lti p le aid frequencies to single frequency w hen conducting laser m easu ring ,and analyzes the w o rk ing theo ry and p recisi on of th is so lu ti on 1F rom the analysis ,the paper concludes that the mo re aid frequency is adop ted ,the mo re p recise the m easu ring resu lt w ill be 1In additi on ,the new m ethod can en large m easu ring scope 1T herefo re ,in app licati on of p ro ject ,the new m ethod better m eets the requ irem en t of h igh p recisi on and large scope 1Ke yw o rds :phaselaser m easu ring distance ;aux iliary frequency ;p recisi on收稿日期:20050512 激光测距仪无论在军事应用,还是在科学技术、生产建设方面都起着重要作用。
高频相位激光测距系统的高精度鉴相
第 31 卷第 15 期2023 年 8 月Vol.31 No.15Aug. 2023光学精密工程Optics and Precision Engineering高频相位激光测距系统的高精度鉴相孟语璇1，2，董登峰1，2*，周维虎1，2，纪荣祎1，2，朱志忠1，2（1.中国科学院微电子研究所，北京 100029；2.中国科学院大学，北京 101408）摘要：相位测距是一种非常重要的绝对测距手段，是大尺寸精密测量的重要保障。
提高激光调制频率并采用高性能器件实现高频采样分析是提升相位激光测距精度最有效的方式之一。
针对高性能器件的最大采样频率总是受限，难以满足高调制频率采样的难题，分析验证了欠采样方法用于相位测距的可行性，同时仿真分析了全相位傅里叶频谱分析法（all-phase Fast Fourier Transform，apFFT）提高鉴相精度的优势。
在此基础上，提出“欠采样+ apFFT”的方法，并构建了激光相位测距的鉴相系统。
当调制频率为201 MHz，欠采样频率为100 MHz时，系统鉴相精度高于±0.04°，对应的测距精度为±0.08 mm。
实验结果表明，基于“欠采样+apFFT”的相位测距方法具有高精度、抗干扰能力强等优势，在科学研究与工程应用中具有重要价值。
关键词：相位测距；欠采样；全相位频谱分析法；高精度；鉴相系统中图分类号：TN249；TH711 文献标识码：A doi：10.37188/OPE.20233115.2193High-precision phase discrimination for high-frequency phaselaser ranging systemMENG Yuxuan1，2，DONG Dengfeng1，2*，ZHOU Weihu1，2，JI Rongyi1，2，ZHU Zhizhong1，2（1.Institute of Microelectronics of the Chinese Academy of Sciences， Beijing 100029， China；2.University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 101408， China）* Corresponding author， E-mail： dongdengfeng@Abstract：Phase laser ranging is an important means of absolute ranging and an important guarantee for large-scale precision measurement. One of the most effective ways to improve the precision of phase laser ranging is to increase the laser modulation frequency and use high-performance devices to achieve high-fre⁃quency sampling analysis. However， the maximum sampling frequency of high-performance devices is lim⁃ited. To solve the problem that existing devices have difficulty in the sampling of high modulation frequen⁃cies， the feasibility of an undersampling method for phase ranging was analyzed and verified. The advan⁃tages of all-phase fast Fourier transform （apFFT） analysis was examined to improve the precision of phase laser detection. Based on this idea， the method of undersampling and apFFT was developed， and a phase detection system for laser phase ranging was constructed. When the modulation frequency is 201 MHz and the undersampling frequency is 100 MHz，the system phase discrimination accuracy is higher than 文章编号1004-924X（2023）15-2193-10收稿日期：2023-02-13；修订日期：2023-03-13.基金项目：国家重点研发计划资助项目（No.2020YFB1710500，No.2019YFB2006100）；国家高质量发展专项（No.TC220H05T）第 31 卷光学精密工程±0.04°， and the corresponding ranging accuracy is approximately ±0.08 mm. The experimental results show that the phase ranging method based on undersampling and apFFT has the comprehensive advantag⁃es of high accuracy and strong anti-interference ability， making it valuable for scientific research and engi⁃neering applications.Key words： phase ranging；under-sampling；all-phase fast fourier transform；high precision；phase dis⁃crimination system1 引言相位式激光测距技术具有响应快、量程大、抗干扰能力强、精度高等优点，被广泛应用于航空、航天、船舶和机器人等大型装备制造领域［1-6］。
相位式激光测距——间接tof法
相位式激光测距——间接tof法全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：相位式激光测距是一种常用的测距方法，它通过测量光波的相位差来确定物体与传感器之间的距离。
而间接TOF（Time of Flight）法则是一种常见的相位式激光测距方法之一，其原理是通过测量光波往返传播的时间来计算距离。
本文将详细介绍相位式激光测距及间接TOF法的基本原理、应用领域以及优缺点。
一、相位式激光测距的基本原理相位式激光测距利用了光波的波长特性，通过测量光波的相位差来确定距离。
在相位式激光测距中，激光器向目标发射一束光波，光波经过目标反射后返回传感器，传感器接收到反射光波并测量与发射光波的相位差，通过相位差的变化来计算目标与传感器之间的距离。
相位式激光测距的精度通常很高，可以达到亚毫米级别。
二、间接TOF法的原理及优缺点间接TOF法是相位式激光测距的一种常见方法，其原理是通过测量光波往返传播的时间来计算距离。
具体来说，激光器向目标发射一束光波，光波经过目标反射后返回传感器，传感器测量光波往返的时间并将其除以光速来计算距离。
间接TOF法的优点在于测距精度高、测量速度快、适用于长距离测距等特点，但其缺点是受到光波传播速度波动的影响，可能在复杂环境中出现误差。
相位式激光测距在工业、汽车、航空航天等领域有着广泛的应用。
在工业领域，相位式激光测距可以用于精密加工、质量检测等工作中；在汽车领域，相位式激光测距可以用于自动驾驶、停车辅助等功能；在航空航天领域，相位式激光测距可以用于飞行器导航、高精度测绘等应用。
四、结论相位式激光测距是一种精确、高效的测距方法，间接TOF法作为其中一种方法，在实际应用中具有一定优势和局限性。
相位式激光测距在各个领域都有着重要的应用价值，未来随着技术的不断进步和应用领域的拓展，相位式激光测距将会得到更广泛的应用和发展。
【本文2000字，已完整】第二篇示例：相位式激光测距是一种常用的激光测距方法，通过测量激光光束的相位变化来计算目标物体的距离。
高精度快速激光相位测距技术研究
高精度快速激光相位测距技术研究一、本文概述随着科技的飞速发展，激光测距技术因其高精度、快速响应和广泛应用性，在测量领域扮演着日益重要的角色。
其中，激光相位测距技术以其高精度和长距离测量能力，成为了研究的热点。
然而，传统的激光相位测距技术面临着精度和速度之间的矛盾，即提高测量精度往往以降低测量速度为代价。
因此，开展高精度快速激光相位测距技术研究，对于推动激光测距技术的发展，提高测量精度和效率，具有重要的理论价值和实践意义。
本文旨在研究高精度快速激光相位测距技术，通过对现有激光相位测距技术的分析和研究，提出一种新型的激光相位测距方法。
该方法能够在保证测量精度的同时，提高测量速度，从而满足现代测量领域对于高精度、快速响应的需求。
文章将首先介绍激光相位测距技术的基本原理和现有技术的发展现状，分析目前存在的问题和挑战。
然后，详细阐述本文提出的新型激光相位测距方法的基本原理和实现过程，包括激光发射与接收、相位提取、距离计算等关键步骤。
接着，通过实验验证该方法的可行性和性能，分析其在不同条件下的测量精度和速度表现。
讨论该技术在实际应用中的潜力和限制，以及未来可能的研究方向和应用前景。
通过本文的研究，希望能够为高精度快速激光相位测距技术的发展提供新的思路和方法，推动激光测距技术在测量领域的广泛应用，为科技进步和社会发展做出贡献。
二、激光相位测距技术原理激光相位测距技术是一种基于激光干涉测量原理的高精度距离测量技术。
其基本原理是利用激光的相干性，通过测量激光在待测距离上往返传播所产生的相位差，从而计算出待测距离。
激光发射器发出稳定的激光束，经过分光器分成两路，一路作为参考光路，另一路作为测量光路。
测量光路中的激光经过待测物体反射后，与参考光路中的激光在光电探测器上发生干涉。
由于待测距离的存在，测量光路中的激光会产生一定的相位延迟，这个相位延迟与待测距离成正比。
光电探测器将干涉信号转换为电信号，然后经过信号处理电路进行放大、滤波和数字化处理。
相位法激光测距原理及算法详解
相位法激光测距原理及算法详解激光相位法测距的原理激光相位测距中，把连续的激光进⾏幅度调制，调制光的光强随时间做周期性变化，测定调制光往返过程中所经过的相位变化即可求出时间和距离。
图.1 相位式激光测距原理⽰意图如图1所⽰，设发射处与反射处（提升容器）的距离为x ，激光的速度为c ，激光往返它们之间的时间为t ，则有：cxt 2设调制波频率为f ，从发射到接收间的相位差为，则有：N cfxft 242 (2) 其中，N 为完整周期波的个数，为不⾜周期波的余相位。
因此可解出：)(2)22(24N N fcN f c f c x(3) 其中，f c L s 2 称为测尺或刻度，N 即是整尺数， 2 N 为余尺。
根据测得的相位移的⼤⼩，可知道N 余尺的⼤⼩。
⽽整尺数N 必须通过选择多个合适的测尺频率才能确定，测尺频率的选择是提升容器精确定位的关键因素之⼀。
多尺测量⽅法测量正弦信号相移的⽅法都⽆法确定相位的整周期数，即不能确定出相位变化中 2的整倍数N ，⽽只能测量不⾜ 2的相位尾数，因此公式（2.3）中的N 值⽆法确定，使该式产⽣多个解，距离D 就不能确定。
解决此缺陷的办法是选⽤⼀个较低的测尺频率s f ，使其测尺长度s L 稍⼤于该被测距离，这种状况下不会出现距离的多值解。
但是由于测相系统的测相误差，会导致测距误差，并且选⽤的s L 越⼤则测距误差越⼤。
因此为了得到较⾼的测距精度⽽使⽤较短的测尺长度，即较⼤的测尺频率s f ，系统的单值测定距离就相应变⼩。
为了解决长测程和⾼精度之间的⽭盾，⼀般使⽤的解决办法是：当待测距离D ⼤于基本测尺sb L （精测测尺）时，可再使⽤⼀个或⼏个辅助测尺sl L （⼜叫粗测测尺），然后将各个测尺测得的距离值组合起来得到单⼀的和精确的距离信息。
由此可见，⽤⼀组测尺共同对距离D 进⾏测量就可以解决距离的多值解，即⽤短尺保证精度，⽤长尺保证量程。
这样就解决⾼精度和长测程的⽭盾[4]。
相位测距
基于高精度测距的APD接收电路设计相位式测距是通过测量连续的幅度调制信号在待测距离上往返传播所产生的相位延迟，间接地测定信号传播时间，从而得到被测距离的。
这种方法测量精度高，通常在毫米量级。
2.1相位式激光测距技术2.1.1基本原理相位式激光测距的基本原理框图如图所示：相位法激光测距基本原理图它由激光发射系统、角反射器、接收系统、综合频率系统、混频鉴相系统和计数显示系统等组成。
角反射器是一种三个反射面之间互成90°的光学棱镜，90°角要求有误差小于±2 ''的加工精度；它可以把射来的光线按原方向反射回去，即一个入射光射入后，不论入射角如何，经角反射器棱镜反射后的光线与入射光线平行。
相位法激光测距技术就是利用发射的调制光和被目标反射的接收光之间光波的相位差所包含的距离信息来实现对被测目标距离量的测量。
由于采用调制和差频测相技术，具有测量精度高的优点，广泛应用于有合作目标的精密测距场合。
基本原理如下：相位式激光测距调制波形图设调制频率为f，幅度调制波形如图 2.2 所示，波长为式中c是光速，λ是调制波形的波长。
由图可知，光波从A点传到B点的相移φ可表示为式中，m 是零或正整数，Δm 是个小数，A,B 两点之间的距离L 为式中，t 表示光由A点传到B点所需时间。
给出(2-3)式时已利用了(2-1)式和(2-2)式。
由(2-3)式可知，如果测得光波相移φ中2π的整数m 和小数Δm ，就可由(2-3)式确定出被测距离L，所以调制光波被认为是相位式激光测距仪测量距离的一把度量标准，可以形象的称之为“光尺”。
不过，用一台测距仪直接测量A和B两点光波传播的相移是非常困难的，因此采用在B点设置一个反射器(即所谓合作目标)，使从测距仪发出的光波经反射器反射再返回测距仪，然后由测距仪的测相系统对光波往返一次的相位变化进行测量。
图 2.3示意地表示光波在距离L 上往返一次后的相位变化。
激光相位法测距课件
在信号处理过程中，放大器噪声和ADC量化误差是主要的误差源。放大器噪声是由于电子热运动产生的随机波动，而ADC量化误差是由于有限位数对模拟信号的近似表示造成的。此外，时钟源的误差也会影响信号处理的精度，因为时钟源决定了信号处理的采样率和时间基准。
05
CHAPTER
提高激光相位法测距精度的措施
定期清洁光学元件，确保光路畅通无阻，减少光的散射和反射。
保持光路的清洁
保持光路环境的恒温，避免温度变化对光学元件的影响，确保光路的稳定性。
温度控制
采取有效的减震措施，降低外界振动对光路稳定性的干扰。
振动隔离
根据测距范围和精度要求，选择适当的调制频率，以提高信号的信噪比和抗干扰能力。
调制频率选择
根据调制频率和系统带宽，选择合适的采样频率，确保能够准确捕获信号相位信
感谢您的观看。
远距离测量
由于激光的相干性和干涉效应，激光相位法测距具有较强的抗干扰能力，能够在复杂的环境中进行测量。
抗干扰能力强
激光相位法测距需要稳定的测量环境，以避免外界因素对干涉信号的影响。
需要稳定环境
激光相位法测距在航天领域中广泛应用于卫星轨道测量、地球观测和天文观测等。
航天测量
激光相位法测距在军事领域中用于远程武器定位、导弹精确制导和战场侦察等。
04
CHAPTER
激光相位法测距的误差分析
光路调整误差是由于发射和接收光路的不对准或光学元件的误差所引起的。
总结词
在激光相位法测距中，发射和接收光路必须精确对准，以确保测量结果的准确性。任何光路的不对准都会导致测量误差，因为接收器可能无法正确接收发射器发出的激光信号。此外，光学元件的误差也会影响光路的调整，如透镜和反射镜的制造误差。
相位式激光测距仿真系统的设计与实现
入信信号处理单元 ， 另一部 分作 为测量 信号 Ｓ 调制 激光输
出功率 ， 调制后的光信号 经发射 机照射 到待 测物体 上 ， 反射
收稿 日 ： １ — ２ ２ 修 回 日 ：０ １ ０ — ８ 期 ２ １０ —８ ０ 期 ２ １ — ２ ２
．．．— —
３ ０ ・— ６ － － —
后被接收机检测 ． 此时被检测 的光波传输距离为 ２ 。光返 回 接收机时 ， 回波信号 Ｓ ． 比参 考信号 ５ 的相位变化为 △ 。相 ， 且 △Ｄ ｄ的关系为 ： ‘与
ＫＥＹＷ ＯＲＤＳ： ｈ ｓ — ｈ ｆ ｌｓ ｒ ｒｎ ｅ ｎ ｅ ； ｙ ｔｍ ｉ ｌｔ ｎ； ｙ ｔ ｍ ｄ ｌ Ｅ ｐ ｒ ｎ Ｐ ａ ｅ ｓ ｉ ａ ｅ ａ ｇ ｆ ｄ ｒ Ｓ ｓ ｔ ｉ ｅ ｓ ｍｕａ ｉ Ｓ ｓｅ ｍｏ ｅ ； ｘ ｅ ｉ ｏ ｍｅ ｔ
１ 引 言
在各种激光测距方法 中， 相位式激光测距 以其测量精度 高、 系统 实现简单 等优点 ， 广泛用 于军事 、 工业 、 航空 航天等 领域 。随着技术 的进步 ， 对测量 精度 的要求 越来越 高 ， 系统 设计 的难度相应提高 。为满足系统设计需求 ， 保证设 计方案 最优化 ． 提高设计效率 ． 对各影响因子综合 、 面的分析成为 全 系统设计 的关键 。
一 … ．
一
图 １ 相 位式 激 光 测 距 原 理 图
—
旦圈 圆：
麓相 Ｉ
在相位式激光测距系统设计中 ， 度影响 因子贯穿整个 精 系统 ， 为实现测距精度 的逼真分析 ， 需要综合 考虑激光发射 、
图 ２ 相 位 式 激光 测 距 数 据 结 构 图
大气传输 、 接收 、 信号处理 、 鉴相 、 数据处理等各环节 的设计 ，
一种快速、高精度激光相位测距方法的研究
一种快速、高精度激光相位测距方法的研究一、激光相位测距是啥呢？嘿呀，咱们先得搞清楚这个激光相位测距是个啥玩意儿。
简单来说呢，就是利用激光的相位信息来测量距离啦。
就像是我们用尺子量东西一样，不过这个尺子是激光哦。
激光这东西可神奇了，它的相位变化就像是一个超级精准的小暗号，通过这个暗号我们就能算出距离有多远。
这就好比我们在玩猜谜语，激光的相位变化就是谜面，而距离就是谜底啦。
二、为啥要快速、高精度呢？你想啊，在很多情况下，我们可不能慢悠悠地测量距离。
比如说在建筑工程里，要是测量个楼的高度或者房间的大小，工人叔叔们可等不及慢吞吞的测量方法呀。
而且，精度高也是非常重要的。
要是精度不够，那建出来的房子可能就歪歪扭扭的啦，这可不行哦。
再比如说在一些科学研究里，像是研究宇宙中的星体距离，一点点的误差可能就会导致完全错误的结论呢。
所以啊，这个快速、高精度的激光相位测距方法就显得超级重要啦。
三、目前的测距方法有啥局限呢？现在的一些测距方法啊，有的虽然能测距，但是速度不够快。
就像那种老式的相机，拍照还得等个半天才能拍下一张。
还有的精度不够高，就像我们用不太准的秤去称东西，总是会有一些偏差。
而且有的测距方法可能会受到环境的影响比较大，比如说在雾天或者灰尘多的地方，就不太能准确测量了。
这就好比我们戴着眼镜在雾里走路，看啥都模模糊糊的，测距方法也会变得“晕头转向”呢。
四、快速、高精度的激光相位测距方法的研究思路。
那怎么才能让这个激光相位测距又快又准呢？首先得从激光本身的特性入手。
要选择合适的激光波长啦，不同的波长可能在不同的环境下表现不一样。
然后呢，就是要设计一个超级厉害的相位检测系统。
这个系统就像是一个超级侦探，要能够非常敏锐地捕捉到激光相位的微小变化。
而且啊，在数据处理方面也得下功夫。
就像我们做数学题一样，要找到最简洁、最准确的算法，这样才能快速算出距离。
这就好比我们要从一团乱麻里找到那根关键的线，只要找到了，所有的问题就迎刃而解啦。
测量范围可调的高精度激光相位测距系统研究
测量范围可调的高精度激光相位测距系统研究摘要:提出了距离范围可调的高精度激光相位测距系统的研究方法。
系统采用脉冲测距方法预测距离范围,定位目标后,运用多个辅助频率激光相位测距技术进行精确测距。
系统内外接收电路独立分开,并采用了自动数字测相技术,达到了高精度,测量范围可调的实际要求。
关键词:激光技术相位测距测量范围可调高精度1 引言激光测距技术分为脉冲激光测距技术和相位激光测距技术两大类。
脉冲激光测距是通过对发射信号和接收信号的时间间隔的测量来进行测距的,由于激光的传播速度极快,且高频的脉冲产生电路和计时电路的技术存在瓶颈,使得很小的时间延迟就会造成较大的距离误差,测距分辨率只能达到厘米级,适合于远距离测量。
相位激光测距采用连续波对激光进行调制,通过对调制波在被测目标传播时相位变化的计算间接测量时间间隔,测距精度可以达到毫米级,单频率工作模式下,测量范围有限,适合于近距离测量。
本文在详细分析两种测距技术的基础上,结合两种测距技术的特点,设计了测量范围可调的高精度激光相位测距系统,系统的原理图如图1所示。
通过图1可以看出:激光相位测距系统的测量精度所受到的影响因数很多[4]:激光器的稳定性;激光信号在传播的过程中所受到的噪声起伏不定;光电信号的转换速率;信号在器件中的传递延时;器件的反应延时等。
目前,对于激光测距技术的研究方向性明确,大多是基于特定的测距方法,从提高测量精度的角度出发,然而,上述两种测距技术都有其局限性,适用场合也不相同,综合分析了两种测距技术,设计了测量范围可调的的高精度激光相位测距系统。
2 系统分析2.1 系统的工作原理激光测量技术已经成为了中长远距离测量领域的主要技术之一,测量范围可调的高精度激光相位测距系统结合了脉冲测距和相位测距的特点,其工作原理为:单片机控制系统发出指令启动脉冲激光器驱动电路,脉冲激光器向着目标发射激光,一部分激光经分光装置进入内接收电路,经PIN光电转换后,作为脉冲测距电路的开始信号,另一部分激光经目标反射后进入外接收电路,经APD光电转换后,作为脉冲测距电路的停止信号,进而完成了系统预测距离工作;距离信息生成后传递至控制系统,控制系统瞬时转换内外接收电路开关至检相双稳态触发器,并关闭脉冲激光器,同时依据距离范围启动多频率选择模块(本系统为3频段选频),控制系统再发出指令启动连续激光器驱动电路,此时,系统进入高精度激光相位测距阶段,进而完成了目标距离的高精度测量。
相位式激光测距原理及其技术实现
m=m1-m2 Δm=Δm1-Δm2 fs =fs1- fs2 C为光速
相位式激光测距原理分析（5）
三、间接测尺原理（2）
对于上例的测量要求，用间接测尺频率方式，从表可以看出， 各个间接测尺的频率值非常接近，频宽为150kHz，只有直接 测尺方式的1／100。在这样窄的频率范围内可以使放大器和 调制器获得相当接近的增益和相位稳定性，从而提高测量精 度。
相位式激光测距技术实现（2）
DDS的原理框图
目前许多芯片公司都已生产了性能可观的DDS芯片， 如Standford公司的STEL2375，其最高工作频率可达 1GHz，输出信号带宽为400MHz，频率分辨力为mHz级。 可见，这些性能指标完全可以满足激光调制的需要。
相位式激光测距技术实现（3）
二、相位差测量的实现
相位式激光测距原理分析（4）
三、间接测尺中会遇到频带过宽，测
相精度难以实现的问题。例如：要求测程100km，精度0.01m，
测相精度为1／1000，则对应的直接测尺长度为100km，1km，
10m，频率分别为1.5kHz，150kHz，15MHz，频带宽近15MHz。
在这么宽的频带内保证1／1000的测相精度是很难实现的，故实
际测量中采用间接测尺频率方式。
用两个频率fs1和fs2的调制光去测同一距离得到：
L=Ls1(m1+Δm1)
L=Ls2(m2+Δm2)
等效形式为： L=Ls (m+Δm)
其中Ls=Ls1Ls2/（Ls2+Ls2）=1/2×C/(fs1- fs2)=1/2×C/ fs
相位式激光测距原理分析（1）
原理示意图：
相位式激光测距原理分析（2）
一、基本原理 • 若调制光角频率为ω，在待测量距离LAB上往返一次
相位式激光测距仪
相位式激光测距仪1、相位式激光测距技术相位式激光测距仪，是利用固定频率的高频正弦信号，连续调制激光源的发光强度并测定调制激光往返一次所产生的相位延迟。
通过相位延迟计算测量的距离。
相位式测距是通过测量连续的幅度调制信号在待测距离上往返传播所产生的相位延迟，间接地测定信号传播时间，从而得到被测距离的。
这种方法测量精度高，通常在毫米量级。
1.1基本原理相位式激光测距的基本原理框图如图1.1所示。
图1.1 相位法激光测距基本原理图它由激光发射系统、角反射器、接收系统、综合频率系统、混频鉴相系统和计数显示系统等组成。
角反射器是一种三个反射面之间互成90 °的光学棱镜，90 角要求有误差小于±2 '' 的加工精度；它可以把射来的光线按原方向反射回去，即一个入射光射入后，不论入射角如何，经角反射器棱镜反射后的光线与入射光线平行。
相位法激光测距技术就是利用发射的调制光和被目标反射的接收光之间光波的相位差所包含的距离信息来实现对被测目标距离量的测量。
由于采用调制和差频测相技术，具有测量精度高的优点，广泛应用于有合作目标的精密测距场合。
基本原理如下：图1.2 相位式激光测距调制波形图设调制频率为 f ，幅度调制波形如图 1.2 所示，波长为λ=c/f式中c是光速，λ是调制波形的波长。
由图可知，光波从 A 点传到 B 点的相移φ 可表示为φ= 2 mπ +∆φ = ( m +∆m )2π式中，m 是零或正整数，∆m 是个小数，∆m=∆φ/2π。
A,B 两点之间的距离L 为L=ct=cφ/(2πf)式中，t 表示光由 A点传到B 点所需时间。
由于用一台测距仪直接测量 A 和B 两点光波传播的相移是非常困难的，因此采用在B 点设置一个反射器(即所谓合作目标)，使从测距仪发出的光波经反射器反射再返回测距仪，然后由测距仪的测相系统对光波往返一次的相位变化进行测量。
图1.3 示意地表示光波在距离L 上往返一次后的相位变化。
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高精度相位式激光测距的实现施金钗，黄元庆摘要：本文介绍了相位式激光测距基本原理，提出了一种提高测相精度的测距方法，并详细论述了差频测相和数字测相方法，最后对今后的发展前景进行了展望。
关键字：激光测距；相位式；差频测相；数字测相Realization of Phase Laser Range FindingShi Jinchai, Huang YuanqingAbstract: The paper introduces the base theory of the phase laser range finder, and it introduce a method of range finding to improve the high precision. The technique of frequency difference and digital measurement of phase finding method are also proposed in detail. Eventually the prospect of their further study is suggested.Keywords: laser range finding, phase-shift, frequency difference of phase finding, digital measurement technique of phase finding1 绪论随着科学技术的不断发展，人类在民用和军事领域，对距离量的测量要求非常广泛。
激光测距是集光学、激光、光电子及集成电子等多种技术为一体的综合性技术，与其它测距技术相比，激光具有角分辨力高、抗干扰能力强，可以避免微波贴近地面的多路径效应和地物干扰问题，并且具有天线尺寸小、质量轻、结构小巧、和安装调整方便等优点，激光测距仪是目前高精度测距最理想的仪器之一。
由于以上各方面的原因，使得激光测距在测量领域得到了青睐，并被迅速推广应用，在国民经济和国防建设中具有非常重要的意义[1]。
激光测距技术是最早用于军事上的激光技术。
世界上第一台激光测距机于1961年诞生在美国休斯飞机公司[2]，称为柯利达I 型，1962年第一台军用激光测距机便成功地进行了示范表演，之后该公司相继研制成几种实验型军用激光测距机在部队进行试验和鉴定，结果证明激光测距机可作为一种新的测距仪代替原装备的光学测距机。
1971年美国陆军首先装备了AN/GVS-3型红宝石激光测距机。
供炮兵前方观察员或观察所使用。
此后，各种型号的侦察用激光测距机相继装备各国的军队1963-1967年美国休斯公司相继研制成几种实验型军用激光测距机，1969年军用激光测距机首先装备军队[3]。
中国科学院上海光机所研制出便携式激光测距机，对漫反射水泥墙的测距达100m ，采用300MHz 计数方式，测距精度0.5m ，重复频率1KHz 。
中国计量学院信息工程系光电子所与国外合作开发了低价、便携式半导体激光测距机，作用测距1KM ，精度处<±1m ，采用4M 晶振，运用了线性时间放大技术。
常州莱赛公司研制了作用距离200m ，测距精度0.5m 的半导体激光测距机[4]。
2 相位测距基本原理相位式测距是通过测量连续的幅度调制信号在待测距离上往返传播所产生的相位延迟，间接地测定信号传播时间，从而得到被测距离的。
这种方法测量精度高，通常在毫米量级。
测距原理图如下图1。
相位法测距就是间接的测定调制光波经过时间D t 后所产生的相位变化D ϕ，以代替测定时间D t ,从而求得光波所经过的路程D 。
各参数间的关系为[5]：f D D D πϕωϕ22c 2c t 2c D ×=×=×=（1） 式中 c 为光波在空气中传播的速度；D ϕ为调制光信号经过被测距离D 而产生的相位移；ω为调制信号的角频率，f 为调制信号频率。
图1 相位测距基本原理图3高精度激光测距随着激光相位测距应用场合的日益广泛，对测距机的测距精度和测距速率要求也是越来越高。
提高测距精度和测距速率的关键之一在于测相方法的改进。
传统的测相方法很难达到要求。
本设计由于采用自动数字测相技术，不仅提高了测距速率和测距精度，而且便于实现数据的测量、记录和处理的自动化。
不足之处是它的电路复杂、成本高。
该原理框图如图2所示[6-7]图2高精度激光测距系统图 本系统由激光发射系统、频率调制系统、接收系统、混频鉴相系统和计数显示系统等组成。
测距仪的工作过程如下：发射单元中直接数字合成单元产生高精度正弦调制信号送入调制电路，调制电路产生带有直流偏置的正弦调制电流作为半导体激光器的驱动电流，使其输出光功率与输入电流呈相同的规律变化，然后经过准直校正发射单元发出经过调制的激光，照射到待测目标表面后发生反射，接收单元的光学系统对反射回来的激光进行会聚，并照射到雪崩光电二极管的光敏面上，转换成相应的电信号，送入相位差测量单元。
相位差测量单元采用差频法测相，首先通过混频将返回的高频测量信号和参考信号与本振信号混频，转化成易于测量的中频信号，然后用多周期同步数字鉴相法测量两个信号的相位差。
控制和数据处理单元对测距过程进行整体控制，并对数据进行处理，得出测量结果。
假设在理想状态下，则整个系统的测距精度主要由调制频率即测尺频率、混频输出的低频频率和数字测相过程的高频填充频率决定。
另外测距精度还与光速有关。
由特定计算公式可以估算出本系统的理想条件下精度为32003=0.001米。
3.1 测相方法3.1.1 差频测相[8]混频器在广播、通信、电视等外差式设备及频率合成设备中具有广泛的应用，它是用来进行信号频率变换并可保持调制性质不变的电路组件，其性能对整个系统有着举足轻重的作用。
为了保证一定的测距精度，激光信号的频率必须选得很高，一般为十几MHz ～几百MHz 。
如果在这样高的频率下直接对发射波和接收波进行相位比较，电路中的寄生参量的影响将产生显著的附加相移，降低测相精度。
为此采用差频来测相，即通过主振频率与本振频率混频，变成中低频信号。
由于差频信号仍保持着原高频信号的相位关系，测量中低频信号的相位就等于测量主振信号经2D 距离后的相位延迟。
各主要电路单元及其相互之间的相位如图3所示。
图3 差频测相原理图从图3可以看出，混频后得到的2个中低频信号之间的相位差就是主振测量信号经2D 后产生的相位延迟。
2个中低频信号r e 和m e 的相位差ϕ∆为()[]()[]D D t t t t 110101010122ωωϕϕωωϕϕωωϕ=−−+−−−++=∆ （2）同时由于进入测量系统的中低频信号的频率比主振测量信号的频率低了许多倍，使得相位周期也扩展了许多倍，这就大大的提高了测相精度，有利于相位测量。
3.2.2 自动数字测相[8]测相单元的方法很多，可分为模拟测相法和数字测相法两大类。
其中，传统的模拟激光相位检测电路为了保证测相精度小于千分之一，选用的基本测尺的频率，一般高达十几兆赫到几十兆赫，甚至是几百兆赫[9]。
在这样高的频率下进行相位差测量，对电路的要求很高，使精确测相变得十分困难。
图3中的测相单元的实现有多种方法，在中、短程测距中几乎都采用自动数字测相法。
自动数字测相也称差频数字测相，这是现在被广泛应用的一种测相方法。
它不仅测距精度高、速度快，而且便于实现数据的测量、记录和处理的自动化。
它的原理框图如图4所示。
图4 自动数字测相原理图因为检相双稳态触发器（由RS 触发组成）需要负跳变触发使之翻转，故在比相之前先将正弦波形的参考信号r e 与测距信号m e 经过通道1、2进行放大整形，变成方波。
之后，2个方波信号分别加至检相触发器的R 、S端。
r e 方波的下降沿使触发器“置位”，Q 端输出高电平，相当于用r e 方波的下降沿作为鉴相器的“开门”信号。
经过对应于相位差ϕ∆的一段时间之后，m e 方波的下降沿又使触发器“复位”端输出低电平，相当于用m e 方波的下降沿作为鉴相器的“关门”信号。
因此由检相触发器输出端所得到的检相脉冲宽度（即触发器的置位时间），对应着两比相信号的相位差ϕ∆。
在触发器“置位”期间，与门1打开，时标脉冲CP 可以通过它进入计数器。
所以计数器内所累计的时标脉冲数就反映检相脉冲的宽度，也即反映测距信号m e 和参考信号r e 之间的相位差ϕ∆。
计数器所计的单次检相的脉冲数m 为()C CP C CP f f t f m πϕ2/∆== （3）式中：CP f 为时标脉冲的频率；C t 为触发器的“置位”时间；C f 为低频参考信号；参考信号r e 和测距信号m e 的频率C f ＝1/C T ;C T 为低频信号r e 和m e 的周期；ϕ∆为r e 和m e 的相位差。
式（3）说明，通过与门1的时标脉冲数m 与ϕ∆成正比。
为了减少误差影响，提高测距精度，在量距时要进行多次读数，取平均值作为最终结果。
4 结论近年来随着二元光学、微光学和非球面技术的快速发展，相位激光测距仪的光学系统不断微型化、性能不断提高。
并且由于深亚微米加工技术的不断成熟。
高速发展的电子器件性能的不断提高和采用中频采样的测相方法，精简了测相系统，避免了高采样频率所带来的测量困难，电路处理部分的集成化和数字化的程度更高。
相位激光测距整机的复杂度也随之降低，促使相位激光测距仪朝小型化，高精度方向发展。
特别是在短距离范围内的精密测距(0.1毫米量级)和超高精度测距(微米量级)的应用方面更具优势，如在机械视觉系统，自动检测系统和三维距离测量系统中具有广泛的应用前景。
相信随着电子技术的发展，高精度相位式激光测距机一定能得到很快的发展。
参考文献[1]高林奎,宋玮.激光测距[M]. 北京人民铁道出版社,1977.[2]于彦梅.激光测距机及发展趋势.情报指挥控制系统与仿真技术，2002.[3]钟铭.韩凯.军用激光测距技术的发展激光技术,1992,[4]金和钟.激光精密测距的发展和应用[J].激光技术, 1991,[5]郭达志,周丙申.激光测距仪[M]. 北京煤炭工业出版社,1978.[6]付有余.激光测距与跟踪系统低噪声电子设计方法. 光学精密工程,2000.[7]孔东.相位法激光测距仪的研究. 西安电子科技大学硕士论文,2007.[8]汪友生,徐小平.相位法激光测距的实现. 北京工业大学学报,2003.[9]李季,张毅,戚俊等. DDS 技术在数字激光相位测距仪中的应用. 量子电子学报,2003.作者简介施金钗，厦门大学机电系研究生，研究方向为光电检测黄元庆，厦门大学机电系教授、博导。