激光测距方法综述

激光测距方法综述

引言

激光测距就是通过激光往返的时间来测定距离。由于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特点：激光有小的光束发散角，即所谓的方向性好或准直性好；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；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。因而采用激光器做光源的测距仪也就有一些优于其他测距仪的特点：测量精度高、分辨率高、抗干扰能力强、体积小、重量轻。因此广泛应用于军事、科学技术、生产、建设等各个方面。

一、激光测距的国内外现状

1960年，世界上第一台红宝石激光器诞生，激光所具有的单色性好、方向性强和高亮度性引起了人们的普遍关注。随后科学家和工程师们就提出了激光测距、激光雷达、激光制导研制的构想，并开展了大量研究工作。作为激光雷达的原型，激光测距仪以其体积小巧，性能优越等优点迅速取代了传统的光学测距仪，成为光学测距主导产品。最突出发展的是卫星测距机。1961年，美国已成功开发出世界上第一台红宝石激光测距系统。1969年，美国的坦克火控系统中的首次使用激光测距系统。同年，科学家们利用激光测距系统精确测量出地球测试点和月球反射器间的距离。

二极管激光测距仪的研究起始于在20世纪60年代末，80年代中期开始陆续解决了激光装置、光学系统和信号处理电路的关键技术，在20世纪80年代后期进入应用研究阶段，并开发了各种不同用途的射频模组原型，20世纪90年代中期，各种成熟的产品不断涌现。

国外大学、研究机构和公司都进行了对脉冲半导体激光测距系统的研究。Schwartz Electro-Optics公司为美国的国家数据中心研制了激光波长测量装置，开发了无人海浪测量站，并为美国联邦政府的公路总局开发了激光自动感应车辆行驶速度和高度的测量系统，提高了交通效率；还开发了军用直升机激光防碰撞报警装置。EXXON公司研制了用于海洋石油勘探开发的激光二极管角度测距系统。1992年，美国亚特兰大激光公司研制了警方使用的手持式人眼安全激光二极管测距仪，用于测量车辆的距离和速度。在1996年下半年，美国Bushnell 公司开发了400米的400型LD激光测距仪Yaddaga400，1997被评为世界上100个重大科技成果之一，同年，他们推出了测距能力为800米的800型激光测距机。美国Lecia公司也研制了小型LD测距仪，测量距离为0.2~30m。自1995年以来对人眼安全的半导体激光测距技术的发展十分迅速，推出了波长为800~900nm范围内、峰值功率为KW、脉冲宽度20~50ns、测量距离10m~1km非合作目标激光测距系统。

目前国际上脉冲式激光测距的系统研究主要向着髙精度、远距离、发射脉冲窄、测距范围广等方向进行。在这种研究方向的指引下，国际上对激光测距研究的技术水平有了很大提高：Leica公司所生产的测距望远镜，其测距的范围从10m~ 1.2km，其测距精度小于±lm，Bushnell公司的激光测距仪的测量范围从15m~1.5km，加拿大NEWCON公司生产的LRM2500CI

型激光测距机的最大测程可达2500m 。 在20世纪80年代开始研究开发的国内的激光测距机是在原来的固体、气体激光测距仪的基础上发展起来的。目前，已具备了基础技术，主要是为了解决工程难题，开发出各种应用产品。航天科工集团公司八三五八所研制了测量范围200m ， 0.5m 精度，重复频率l00Hz 的激光测距仪。上海光学精密机械研究所研制的便携式激光测距仪，对漫反射混凝土墙的测距可达100m ，釆用300MHz 的计数方法，精度为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研发了低成本、便携式半导体激光测距仪。常州莱赛公司开发了作用距离为200m 的半导体激光测距仪。由西南技术物理研究所研制的半导体激光髙度表，工作波长为905nm ，重复率l00Hz 。

二、 激光测距的方法及原理

激光的出现，标志着人们掌握和利用光波进入一个新阶段。激光技术出现之后，很快被应用到各类测量 (大地测量、地形测量、工程测量、航空摄影测量，以及人造地球卫星的观测和月球的光学定位等航天测量)中，使测量方法不断革新，测量精度显著提高．引起了测量领域内的深刻变化。激光测距是其中应用最早且最为成熟的一种。激光测距分为相对距离测量和绝对距离测量，常用的方法有:干涉法、反馈法、脉冲法、相位法、三角测量法、纵模拍频测距法等多种方法，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。 2.1 干涉法

干涉法激光测距是通过移动被测目标并对相干光进行测量，经计算/2λ的数量完成距离增量的测量，因

此干涉法测量的灵敏度非常高，达到纳米级的测量。激光的干涉测距是经典的精密测距方法，根据光的干涉原理，两列具有固定相位差，而且有相同频率、相同的振动方向或振动方向之间夹角很小的光相互交叠，将会产生干涉现象。

图（2.1.1）

图（2.1.1）为常用的迈克尔逊干涉仪的原理示意图。由激光器发射的激光经分光镜分成反射光束S 1和透射光束S 2。两光束分别由固定反射镜M 1和可动反射镜M 2反射回来，两者在分光镜处汇合成相干光束。若两列光S 1和S 2的路程差S= S 1- S 2。设两束光迭加时，其合成的光强为

()121222/I I I I I L πλ=++ （1） 其中λ为激光的波长，当L=N λ/2

时，两束反射光的相位差为2π的整倍数，迭加后振幅增大，即I 最大，出现亮条纹；当L=(2N+l) /2时，两束光的相位相反，二者振幅相抵消，I 最小，出现暗条纹。将这两束光再经分束器反射到光探测器上，则其输出信号与迭加后光线的亮暗有关。假设开始时反射器1、2的间距为L ，然后沿光线前进方向慢慢移动反射器2。每移动一个λ/2，两束光的相位关系从相同到相反，变化一个周期(λ)，出现一次亮暗光交替，光探测器的输出信号也变化一次。从该输出信号变化的次数，就可以确定反射器2移动的距离