激光测距方法探讨

精度可达到毫米量级，相对误差可达百万分之一。
地理空间信息 第 4 期 163
GEOSPATIAL INFORMATION
测定同一距离，该频率在相位测距中也称为测尺频率。 若被测距离小于测尺长度，则不存在多值解。在测相 精度一定时，测尺频率越低，测距误差越大，这在高 精度测距中是不允许的。与之相对应，测尺频率选择 得越高，虽然测量精度提高，但此时的 N 值将大于 1， 无法解决测程问题，为解决这一矛盾，在实际应用中 通常选择一个决定仪器测距精度的测尺和决定测程的 几个辅助测尺，分别称之为精测测尺和粗测测尺。测 尺频率的选择都要取决于仪器的精度要求、元件的频 率特性及计算的简便。测尺频率中，最高者决定了仪 器的精度，而其他频率则是用于扩展仪器的测程。 1.3 干涉法
= · /2
(2)
其中， L 为距离精度， t 为时间精度。影响脉冲激光
测距精度的因素有很多，有脉冲激光的时间宽度、光
波传播速度的测量精度、大气折射率、时钟频率的误
差、计时误差、仪器测量误差等等。另外脉冲法激光
测距一般采用红宝石、YAG 等固体激光器，输出功率
大，测程远，但仪器的体积较大。
1.2 相位法
脉冲-相位激光测距仪将脉冲法与相位法完美地结 合起来，不仅有脉冲式激光测距仪无合作目标的测距
Aug., 2010 Vol. 8, No. 4
性能，而且有相位式激光测距仪高的测量精度；不仅 能实现对被测目标的连续跟踪测量，而且能进行漫反 射无合作目标和有合作目标两种方式测距；采用半导 体激光器，光调制设备简单；采用集成电路，仪器体 积小、重量轻；整个测量过程自动化程度高，并有预 置功能。
度较低。其可测量距离跟激光发射功率和光电接收灵 敏度相关，测量精确度主要依赖于接收通道的带宽、激 光脉冲的上升沿、探测器的信噪比和时间间隔测量精 确度。漂移误差和由输入噪声引起的时间抖动也给测 量带来了误差，如何设计时刻鉴别单元以达到消除或 减小漂移误差和时间抖动，是脉冲激光测距的重要研 究课题之一。
相位法是采用激光调制的方法，通过测量载波调 制频率的相位，达到测量距离的目的，避免了测量非 常短的时间间隔，可以达到较高的测距精度。其测距 精度主要受激光调制的相位测量精度和相位的调制频 率的影响，要达到距离的高精度测量，必须提高系统 的激光调制频率和相位测量精度。对于相位调制影响 激光测距精度的除大气温度、气压和湿度等外在因素 外，还包括测距仪自身的光发射功率、测量平均次数 和调制频率及其稳定性等参数。
Range-finding for Electronic Imaging [J]. VDI Berichte, 2002,1694:253-258 [7] Bosch T，Lescure M,Thompson B J.Slected Papers on Laser Distance Measurements [C]. SPIE Milestone Series, 1995,115: 736-1476
图 3 干涉法测距原理图
目前，干涉法激光测距以其特有的高精度，在测 量地壳变形、大陆搬移，进行地球物理研究，地震和 火山预报、侦察地下核爆炸等方面获得了实际应用。由 于干涉法测距只能测出相对距离，要在野外长距离进 行绝对干涉测量，多值性的鉴别非常重要但又十分困 难，还有许多技术上的问题目前还未解决。
激光测距是集光学、激光、计算机、光电子及集 成电子等多种技术为一体的综合性技术，广泛应用于 遥感、精密测量、工程建设、安全监测以及智能控制 等领域，无论在军事应用方面，还是在科学技术、生 产建设方面，都起着重要的作用。与其他测距技术相 比，激光测距具有角分辨力高、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 且具有质量轻、结构小巧、安装调整方便等优点，是 目前高精度测距最理想的仪器之一。随着科学技术的 不断发展，对距离的测量范围和测量精度的要求都在 不断增加，因此需要不断地研究新测量方法和理论。
作 者 简 介 ：肖 彬 ，助 教 ，主 要 从 事 光 电 检 测 技 术 方 面 的 教 学 与 科研工作。
下期论文导读
蔡畅 孙萍 张景辉 等：三维空间数据模型与集成 三维空间数据模型是三维地理信息系统的基础。在介绍传统数据模型的基础上，分析了三维数据模
型的集成，集成的模型可克服传统数据结构的约束，利用各种数据结构的优点，更有效的表达三维空间 信息。
参考文献
[1] 杨坤涛. 激光测试原理与技术[M]. 武汉：华中科技大学出版 社，1999
[2] 郭达志，周丙申. 激光测距仪[M]. 北京：煤炭工业出版社，1978 [3] 中国矿业学院测量教研室. 激光测距仪[M]. 北京：人民教育
出 版 社 ，1981 [4] 吕海宝. 激光光电检测[M]. 长沙：国防科技大学出版社，2000 [5] 高林奎，宋玮. 激光测距[M]. 北京：人民铁道出版社，1977 [6] Poujouly S, Joumet B. High Resolution Multi-frequency Laser
(3) 的值有可
能大于正弦调制光波的一个周期，即 =N·2 + 1，所
以此时被测距离 d 为：
=
·2 + 4
1=
1 2
(4)
其中，L=c/2f 称为光尺长度。N 表示相位 中包含2 的
整数倍， 1 表示不足2 的相位尾数。 所以相位测距可形象的认为用长度为 的尺子去量
距离 d， 2 1 可以测出来，但 N 并不是一个定值，从而 引起多值解。为解决这一问题，必须采用几个频率来
相位法激光测距是利用发射的调制光和被测目标
反射的接收光之间光强的相位差包含的距离信息，来
实现对被测目标距离的测量，由于采取调制和差频测
相等技术，具有测量精度高的优点。为了确保测量精
度，通常要在被测目标上安装激光反射器即合作目标。
采用非合作目标时，它的作用距离一般在几米至几十
米；采用合作目标，作用距离可达几万米，测距测量
3结语
采用脉冲-相位激光测距是激光测距仪发展和研究 的方向，在理论上这是一种新的测量方式，它能克服 脉冲式和相位式激光测距仪的缺点，给许多实际的测 量带来了很大的方便。随着激光器件的发展和工艺的 进一步提高，这种测量方法的测距精度和测程将会有 较大的提高，将会给脉冲-相位激光测距仪带来更广阔 的应用前景。
Abstract：The article introduced the principles and characteristics of the typical laser ranging methods, including the pulse method, the phase method and the inference method, and comparing the differences of the precision and measurement range of the three methods, analyzing their major applications. In this article, we mostly discussed the principles and characteristics of the pulse-phase laser ranging method. Key words：laser distance measurement; pulse method; phase method; inference method
图 2 相位激光测距仪原理图
相位激光测距的原理如图 2 所示，发射模块发出
经过调制的激光，经被测目标发射后返回，返回光与
测量光产生了相移，通过测量调制的激光信号在待测
距离 d 上往返传播所形成的相移 ，间接测出激光在
测量点与目标间的往返时间 t，根据光速，得到被测距
离 d 为：
=2=
· 4
但是，当目标距离 d 增大时，相位延迟
王涛 王伟超 张刚：正射影像上阴影区域检测与消除的方法 以色彩理论为基础，分析了航空影像中阴影的性质，总结了现有的阴影检测方法，并采用光谱比值
适的测量方法，以达到测量设计的基本要求。
1.1 脉冲法
脉冲法激光测距是激光在测绘领域中的最早应用，
利用了激光脉冲持续时间极短、瞬时功率很大的特点，
即使没有合作目标，也能通过接收被测目标的漫反射
信号，进行距离测量。目前，脉冲激光测距在地形测
量、工程测量、云层和飞机高度测量、战术前沿测距、
导弹运行轨道跟踪、人造地球卫星测距、地球与月球
2 测距方法的比较与改进
2.1 测距方法的比较 上述几种激光测距方法各有其优缺点，针对各种
不同的工作场合和不同的精度要求，应选用不同的测 距方法。
脉冲法是采用测量激光的传输时间的测量方法， 由于激光脉冲的能量相对比较集中，能够传输较远的 距离，所以该方法适用于较远距离测距，但是测距精
164 第 4 期 地理空间信息 GEOSPATIAL INFORMATION
干涉法测距是经典的精密测距方法，原则上它也 是一种相位法测距，但它不是通过测量激光调制信号 的相位差，而是测量未经调制的光波本身的相位干涉 来测距。干涉法测距就是利用光的干涉原理使激光束 产生明暗相间的干涉条纹，由光电转换元件接收并转 换为电信号，经处理后由计数器计数，从而实现对位 移量的检测，工作原理如图 3 所示。
162 第 4 期 地理空间信息 GEOSPATIAL INFORMATION
Aug., 2010 Vol. 8, No. 4
激光测距方法探讨
肖彬
（武汉软件工程职业学院，湖北 武汉 430205）
摘 要：简述了激光测距中典型的脉冲法、相位法和干涉法的原理和特点, 比较了三种方法在精度和测程上的差别，分析
1 典型激光测距方法
典型激光测距的方法有脉冲法、相位法、干涉法 等，这些方法各有特点，分别应用于不同的测量环境 和测量领域。脉冲法的测量范围从几十米到上万千米， 精度为米量级，主要应用于科研与军事领域，比如地 月距离测量等；相位法的测量范围从几米到几千米，精 度达到毫米量级，主要应用于大地测量与工程测量；干 涉法一般测量厘米左右的距离，精度高达微米量级，主 要应用于地质灾害的预报。在实际测量工作中，要根 据不同激光测距方法的测量范围和精度，正确选择合
其主要应用领域；主要探讨脉冲-相位激光测距法的设计原理和特点。
关键词：激光测距；脉冲法；相位法；干涉法
中 图 分 类 号 ：P225.2
wenku.baidu.com
文献标志码: B
文章编号: 1672-4623 (2010) 04-0162-03
Methods for Laser Distance Measurement
XIAO Bin (Wuhan Vocational College of Software and Engineering, Wuhan 430205, China)
间距离的测量等方面得到广泛的应用。
脉冲法激光测距的原理与雷达测距相似，利用脉
冲激光器向目标发射单次激光脉冲或激光脉冲串，计
数器测量激光脉冲到达目标并由目标返回到接收机的
往返时间，由此计算目标的距离。脉冲法激光测距的
原理如图 1 所示，测距公式为：
d=ct/2
(1)
其中，d 为测量距离，c 为光速，t 为测距信号往返时间。
图 1 脉冲激光测距原理图
收 稿 日 期 ：2010-05-14 项目来源：武汉市教育局高校科研基金资助项目 （2006K10）。
Aug., 2010 Vol. 8, No. 4
脉冲测距仪的原理和结构比较简单，测程远，功
耗小，而且一次测量就能得到单值距离，缺点是绝对
测距精度不高。脉冲测距的精度可由下式表示：
干涉法测量精度高，适用于微小位移的测量 (一 般小于 1 m)，对测量环境要求非常苛刻，适用于高精 度的实验室的实验定标等应用。 2.2 测距方法的改进
通过上面的比较可以看出，脉冲法与相位法的优 缺点可以互补，将脉冲和相位两种测距方法结合起来 实现的一种新的测距方法--脉冲-相位激光测距。利用 发射连续的脉冲激光信号来实现脉冲和相位测距，用 发射和接收脉冲信号的时间差实现对距离的粗测，用 发射和接收连续信号之间的相位差来实现对距离的精 测，然后将两种测量距离在技术上有效地结合起来实 现对距离的测量。