基于MSP430的相位式激光测距仪的研究-光学工程硕士论文

分类号 密级 UDC 学 位 论 文 基于基于 MSP430MSP430 的相位式激光测距仪的研究的相位式激光测距仪的研究 （题名和副题名） 张张 涛涛 （作者姓名） 指导教师姓名 严高师严高师 副教授副教授 电子科技大学电子科技大学 成都成都 （职务、职称、学位、单位名称及地址） 申请学位级别 硕士硕士 专业名称 光学工程光学工程 论文提交日期 2006.12006.1 论文答辩日期 2006.32006.3 学位授予单位和日期 电子科技大学电子科技大学 答辩委员会主席 评阅人 2006 年 1 月 日 注 1 注明国际十进分类法 UDC的类号 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 日期： 年 月 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、 使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后应遵守此规定） 签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 摘 要 I 摘 要 激光测距是随着激光技术的出现发展而发展起来的一种精密测量技术，因其 较高的精确度特性而广泛应用在军事和民用领域。 本文首先介绍了激光测距原理，然后从激光雷达测距理论出发，以激光雷达 作用距离方程、激光的大气传输特性对测距的影响、激光雷达的信噪比作为理论 基础，进行了方案设计。 传统的相位激光测距大部分都采用差频数字测相，差频测相的优点在于由于 频率的降低，这样必然意味着测距精度的提高，但其缺点是测距速率低。根据本 课题测距精度和测距速率的指标要求，针对现有激光测距方法的局限性，提出了 双频测相相位式激光测距方法。该方法通过 MSP430 单片机和先进的 CPLD 技术 实现双频测相：粗测通过采用对鉴相脉冲填充高频脉冲的办法来实现；精测则利 用时间电压转换法对鉴相脉冲进行转换，然后由模数转换器 ADC 对转换电压进 行采样，通过单片机对 ADC 的输出值进行计算处理获得精测值。该方法可以弥补 现有一般相位激光测距机无法克服的缺陷，既可以保证一定的测距精度，又可以 提高测距速率，从而可以对动态目标进行实时测量。 论文完成了基本的硬件电路设计。硬件设计以 MSP430 单片机作为整个系统 的控制核心；通过单片机控制 CPLD 和 ADC 来获得粗测和精测值；模拟电路部分 包括激光调制驱动电路和接收电路以及 APD 高压偏置电路；进行串行通信电路和 电源电路的设计。系统样机进行了调试，并对试验结果进行了分析，初步满足预 期的指标要求。样机系统实验表明测距精度达到 9.9mm，测距速率达到每秒 4 次， 得到了比较理想的结果，研究工作取得了重要进展。 最后本文对系统以后的改进部分进行了一些探讨，并对研究工作做了总结和 展望。 关键词：关键词：激光测距，相位测量，MSP430 单片机，ADC Abstract II ABSTRACT The laser ranging is a technology for precision measurement and it is developing along with the development of the laser technology. The laser ranging is extensively used in the military field and the civil field because of its high accuracy The theory of laser range finder is firstly introduced in this paper. Then based on the laser radar ranging theory, the laser radar ranging equation, the effect of the travel characters of the laser in the air on the measurement and the laser ranging SNR equation are discussed. The scheme is designed based on these researches. For traditional laser rang finders, most of them use heterodyne method as the phase shift measurement. The advantage of heterodyne method is the high measurement accuracy, but its disadvantage is the low measurement velocity. According to the requirement of measurement accuracy and velocity, a novel twofold frequency laser ranging method based on phase ranging technology is proposed. By using MSP430 micro controller unit and CPLD technology, this method realized twofold frequency phase ranging: The rough measurement of the distance is realized by countering high frequency pulses which are filled in discriminating phase pulses; The accurate discriminating phase pulses are converted by using the method of time to voltage conversion, and then the ADC device samples the converted voltage, so the accurate measurement of the distance is obtained by processing the ADC samples through micro controller unit. Various technical measures are adopted to make sure the accuracy of the laser ranging and the requirement of the high velocity of the laser ranging is satisfied. So the real-time measurement of the dynamic target is satisfied by using this method. According to the phase laser rang finder design scheme, the fundamental hardware circuits are designed. The hardware designation uses the MSP430 micro controller unit as the control center. The rough and accurate values of the measurement are obtained by using CPLD and ADC devices. The analog circuits mainly included the modulating and driving circuit of the laser, receiving circuit and APD high-voltage biased circuit. Serial communication circuit and power circuit are designed. The system ABSTRACT III is debugged and by analyzing the results of the experiment, the system meets the requirement of the performance. According to the experiment data, the measurement accuracy is 9.9mm and the velocity of the measurement is 4 times per second. The result is good and achieves an important progress. At last, the improvement for the system was brought forward, and research was summarized and expected in this paper. Keywords: laser range finder, phase ranging, MSP430 micro controller unit, ADC 目 录 IV 目 录 第一章第一章 绪论绪论 . 1 1.1 激光测距仪的发展概况 . 1 1.2 激光测距及分类 . 1 1.3 激光雷达概述 . 2 1.4 本文任务与工作 . 3 第二章第二章 激光测距原理激光测距原理 . 4 2.1 脉冲法激光测距 . 4 2.1.1 时间间隔的测量方法 . 6 2.2 相位法激光测距 . 7 2.2.1 相位式激光测距的原理 . 7 2.2.2 测尺组合频率的选择方法 . 9 2.2.3 差频测相 10 第三章第三章 激光雷达测距理论基础激光雷达测距理论基础 12 3.1 激光雷达作用距离方程 12 3.1.1 激光雷达作用距离方程的标准形式 12 3.1.2 激光雷达作用距离方程的特殊形式 13 3.2 激光光束的性质 14 3.2.1 光束形状和光束截面函数 14 3.2.2 激光光束的束散角 14 3.3 激光的大气传输特性 15 3.3.1 大气衰减系数 16 3.3.2 大气吸收和散射对激光的衰减 16 3.4 激光雷达信噪比 19 3.4.1 背景噪声 19 目 录 V 3.4.2 信噪比表达式 22 第四章第四章 激光测距仪方案设计及硬件实现激光测距仪方案设计及硬件实现 24 4.1 相位式激光测距机的设计要求 24 4.2 测距系统方案分析与设计 24 4.2.1 测距方案分析 25 4.2.2 测距方案设计 26 4.2.2.1 内外光路 . 26 4.2.2.2 检相方法 27 4.3 测距系统总体设计及结构 29 4.4 硬件设计与实现 31 4.4.1 激光的调制发射电路 31 4.4.2 激光接收电路 32 4.4.3 APD 高压偏置电路 33 4.4.4 MSP430 单片机 . 35 4.4.5 CPLD 电路部分 . 37 4.4.6 模数转换 A/D . 40 4.4.7 数据显示 42 4.4.8 串行通信电路 43 4.4.9 电源设计 44 第五章第五章 试验结果及误差分析试验结果及误差分析 . 47 5.1 误差概念 47 5.2 误差来源分析 48 5.2.1 电子线路的交叉干扰 48 5.2.2 测距系统误差 48 5.3 数据分析 49 第六章第六章 总结与展望总结与展望 . 54 致致 谢谢 . 55 参考文献参考文献 . 56 目 录 VI 附录附录 PINPIN 光电接收电路光电接收电路 . 58 攻硕期间取得的成果攻硕期间取得的成果 . 59 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 激光测距仪的发展概况 激光测距仪是光学、激光技术、精密机械、电子学、计算技术及光电子等多 种技术的综合应用。随着激光技术、电子技术、计算技术和集成光学的发展，激 光测距仪朝着数字化、自动化、小型轻便化方向发展。而随着小型专用计算机的 发展和应用，使激光测距仪的工作效率、测距精度和测量速度有了非常大的提高。 半导体激光测距机的研究起始于 20 世纪 60 年代末，到 80 年代中期陆续解决 了光器件、光学系统及信号处理电路中的关键技术，80 年代后期转入应用研究阶 段， 并研制了各种不同用途的样机， 90 年代中期， 各种成熟的产品不断出现。 1996 年下半年，美国 Bushnell 公司推出了测距能力 400m 的 400 型 LD 激光测距机 Yaddaga400，1997 年被评为世界 100 项重要科技成果之一，同年又推出了测距能 力 800m 的 800 型激光测距机。1998 年美国 Tas-co 公司研制出测距能力 800m 的 摄像机型 Laser site LD 激光测距机。1995 年以来，国际上对人眼安全的半导体激 光测距技术发展十分迅速， 已开展了波长在 800900nm 范围内、 峰值功率为 10W、 脉冲宽度 2050ns、重复频率 110kHz。测量距离 10m1km 无合作目标的激光 测距机研究。 现在国内市场上的测距仪主要有两种，一种是采用发光二极管作为光源的测 距仪，如江苏常州大地测量厂生产的 D3000 系列测距仪，其测程最大可达 4.5Km； 一种是采用半导体激光器作为光源的测距仪，如瑞士 Leica 公司的 Lite5、Classic5 等，测程在 200m 内，测量精度可达3mm。但市场上还没有一种采用半导体激光 器作光源的测距仪，不但测距精度高，还可对动态目标进行实时测量，本文正是 基于这个目的，以激光雷达原理为基础对此进行了研究。 1.2 激光测距及分类 激光测距，是利用激光的单色性和相干性好、方向性强等特点，以实现高精 度的计量和检测，如测量长度、距离、速度、角度等等。激光测距在技术途径上 可分为脉冲式激光测距和连续波相位式激光测距。脉冲式激光测距原理与雷达测 第一章 绪论 2 距相似，测距仪向目标发射激光信号，碰到目标就要被反射回来，由于光的传播 速度是已知的，所以只要记录下光信号的往返时间，用光速（30 万千米秒）乘 以往返时间的二分之一，就是所要测量的距离。现在广泛使用的手持式和便携式 测距仪，作用距离为数百米至数十千米，测量精度为五米左右。我国研制的对卫 星测距的高精度测距仪，测量精度可达到几厘米。连续波相位式激光测距是用连 续调制的激光波束照射被测目标，从测量光束往返中造成的相位变化，可换算出 被测目标的距离。为了确保测量精度，一般要在被测目标上安装激光反射器。它 测量的相对误差为百万分之一。 激光测距仪的分类方法很多，现仅按测程区分，大体有如下三类： 短程激光测距仪，测程在 5 公里以内，适用于低空等控制测量及各种工程测 量；中长程激光测距仪，测程在 5 公里至几十公里，适用于大地控制测量和地震 预报观测等；远程及超远程激光测距仪，用于测量导弹、人造地球卫星、月球等 空间目标的距离。 1.3 激光雷达概述 传统雷达 （Radio Detection and Range, Radar） 是以微波和毫米波作为载波的雷 达，激光雷达（Laser Detection and Range, Ladar）是以光作为载波的雷达，其波长 要比微波波长短四五个数量级，但在本质上二者没有差别。都是由雷达发射信号， 然后由雷达接收器收集被目标反射的信号，通过测量发射信号的往返时间来确定 目标的距离，目标的径向速度可以由反射光的多普勒频移来确定，也可以通过两 次或多次距离测量，计算距离变化速率得到。激光雷达可以工作于相干方式和直 接探测方式，由于激光本身独特的性质决定了它能实现很多传统雷达达不到的性 能要求。激光的发散角小、能量集中，能够实现极高的探测灵敏度和分辨率；单 色性好、频率高使得多普勒频移大，可以探测从低速到高速的运动目标；极短的 波长使得天线和系统尺寸可以做的很小，这些都是传统雷达所不可比拟的。激光 雷达的主要优点归纳如下： 1. 角分辨率高，速度分辨率和距离分辨率高。采用距离多普勒成像技术可 以得到运动目标高分辨率的清晰图像，而且近距无测量盲区。 2抗干扰能力强，隐蔽性好，不受无线电波干扰，能够穿透等离子鞘，低仰 角工作时对地面的多路径效应不敏感。激光雷达在超低空或低空下工作时，不仅 能正常跟踪，而且可得到清晰的图像。它采用单色光，而且发射波束极窄，所以 第一章 绪论 3 隐蔽性好，抗干扰性强。 3. 激光雷达波长短（m量级） ，可以对极小的目标进行探测，这是微波雷达 无能为力的。且天线等相应接收装置相对小很多，重量也比较轻。 4. 可以用于水下探测和水下通讯，这是其它雷达不可比拟的。它己实现了卫 星与深海潜艇的通讯，如与 300m 水下潜水艇的通讯。 激光雷达军事应用的巨大潜力也使其成为各国关注的对象。美国已将其列入 限制扩散的军事技术。激光雷达系统可以提供以距离和强度为基础的高分辨率影 像，使空地武器具有自主精确制导能力。另外，在战场侦察、障碍回避、水雷 探测、化学战剂探测、大气监测、空间监视等方面都有良好的应用前景。 1.4 本文任务与工作 1. 根据本课题相位式激光测距系统所要求的高测距精度和高测距速率指标， 从 激光雷达测距方程出发，进行理论论证和方案设计。 2. 研制相应的半导体激光器调制驱动电路、 APD光电检测电路与APD高压偏置 电路及A/D转换电路。 3. 设计MSP430与微机间的低功耗串行通信电路和系统电源电路。 4. 利用低功耗单片机MSP430、 ADC、 CPLD等器件构建测距系统的逻辑控制部 分， 对单片机的程序进行仿真， 并在最后和光路以及电路一起参加系统调试， 最后对测量数据进行数据处理和误差分析。 第一章 绪论 4 第二章 激光测距原理 激光测距广泛采用飞行时间法(The Flight-time Measurement Methods)来测距， 所谓飞行时间法是指通过测量光信号在测线上往返飞行所需的时间 D t来测量距 离。根据测量 D t的方法不同，测距方法可以分为脉冲法和相位法两种基本方法。 脉冲法是直接测量往返时间 D t的方法；相位法是通过测量相位间接测定时间 D t的 方法。 2.1 脉冲法激光测距 脉冲式激光测距机的工作原理是利用脉冲激光器的发射系统向目标发射单 次激光脉冲或激光脉冲串，经被测目标反射后，再由测距仪的接收系统接收，根 据发射和接收光脉冲的时间差来确定距离。其工作过程是：首先瞄准目标，然后 接通激光电源，起动激光器，通过发射光学系统，向瞄准的目标发射激光脉冲信 号。同时，接收系统采集发射信号，作为计数器开门的脉冲信号，起动计数器， 钟频振荡器向计数器有效地输入钟频脉冲，由目标反射回来的激光回波经过大气 传输，进入接收光学系统，作用在光电探测器上，转变为电脉冲信号，经过放大 器放大，进入计数器，作为计数器的关门信号，计数器停止计数。根据计数器从 开门到关门期间所进入的钟频脉冲个数，经过运算得到目标距离。 脉冲激光测距原理图1如图 2-1 所示。它由光源、发射系统、接收系统、电子 门、计数器以及标准时间发生器等组成。测量时，光源被激发发射光脉冲信号， 经发射系统射向被测距离的目标；同时由发射系统取出一小部分能量直接送入接 收系统，转换成电脉冲信号触发门电路使其开启，并作为计时的起点，标准时间 信号通过电子门进入计数器内计时；经 D t后，光脉冲从目标处返回（称回波）进 入接收系统，转换成电脉冲信号触发电子门关闭，停止计数。因此，在计数器内 计入的数字便是 D t的时间，代入公式(2-1)就获得被测距离值。 2 D ct D (2-1) 式中 D待测距离； c光速； 第二章 激光测距理论 5 D t激光脉冲在测线上往返传输所需要的时间。 图 2-1 脉冲激光测距原理框图 脉冲测距法的特点是结构简单，成本低，速度快，不需要合作目标（即无反 射镜）也可测量。但它要求光源瞬时功率很大，需要瓦级甚至兆瓦级，其次，还 要求光脉冲的宽度窄（毫微秒级） 。这类仪器一般适用于军事火力测距、舰船的导 航和定位以及困难地区的局部地形测量。它适宜作远距离的测量，如测量人造卫 星、月球等空间距离。 脉冲测距的精度可以由下式表示： 2 D c t D (2-2) 从激光飞行时间 D t出发来考虑测量距离D的精度，测量系统的测量精确度主 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。时间间隔测量精确度和脉冲激光测距系统总的时间分辨率 D t有关，时间 分辨率 D t受下列因素的影响：激光器的脉冲宽度；反射器和光接收系统对脉冲的 展宽；计数器的频率上限等。 对于脉冲测距来说，距离D的测量精度关键是如何精确地确定时间间隔 D t的 起止时刻和精确测量时间 D t。激光光速很快，计数频率的高低直接影响着所获得 的测距精度。例如，当测距 1500m 时，光脉冲往返时间 D t为10 s，如果这时采用 第二章 激光测距理论 6 的时钟脉冲频率为 15MHz， 那么在10 s时间间隔应计数 150 个， 也就是说每个脉 冲所代表的相应距离为 10m，如果检测时有一个脉冲的误差，则相应的测距误差 为 10m，对于远距离测距来说尚可允许，但是对于近距离测距来说测距相对误差 就太大了。可以通过增大计数时钟脉冲频率来减小这一误差。 2.1.1 时间间隔的测量方法 时间间隔测量是用来测量起止信号之间的时间间隔 D t。传统的脉冲测距系统 中，通常采用时钟脉冲填充法来测量飞行时间 d T。其具体过程为：激光脉冲发射 机发出光脉冲 (称为主波脉冲 )，再由接收机接收并放大回波脉冲。在发射和接收 过程中，由触发器生成门脉冲，用来控制计数器计数。由于计数时钟的频率 0 f事 先已经知道，换算出周期 0 T后，只要与计数器中得到的周期数相乘即可得出被测 时间间隔。这种方法的测时过程相对简单，但是测量精度和分辨率不易提高。该 脉冲填充法测距的原理如图 2-2 所示： 图 2-2 脉冲填充法示意图 从图上可以看到，由于主波脉冲的前沿和回波脉冲的前沿相对于时钟的位置 是随机的，它们不可能总是正好落在时钟信号的边沿上。且被测时间间隔随被测 距离的变换是连续变化的，它的准确值应该是： 2 1 TTTT dd (2-3) 而实际测量得到的 d T是系统时钟周期的整数倍数 0 nT，是一个离散的数值。实 第二章 激光测距理论 7 测值与真实值之间存在一个误差： 21ddd TTTTT (2-4) 这个误差是一个随机数，它的取值在 00 TT之间。由于其测量精度主要受时钟 频率所限，即它的测量精度为正负一个时钟周期。通常使用几百兆赫兹的时钟， 精度为十纳秒量级；即使频率高达10GHz的时钟，精度也只有百皮秒，与之对应 的距离为分米量级，测距精度显然非常低。可以通过采用多次测量取平均的方法 来提高测量精度，但对于高速激光雷达等应用就无能为力了。由此不难看出，脉 冲填充的方法要想提高测距的精度和分辨率，则必须提高系统内的时钟频率。如 果要求测距精度为1D厘米，根据式(2-2)则要求直接测定时间 D t小于等于 10 2 10/3 秒。 在一般情况下， 直接测定时间 D t达到上述的精度要求是非常困难的。 另外目前测量时间间隔的方法还有模拟法和数字插入法2。 2.2 相位法激光测距 相位法激光测距就是通过测量连续的调制信号在待测距离上往返传播所产生 的相位变化来间接地测定信号传播时间，从而求得被测的距离。利用光速来测量 距离时，要求测量范围大、测距精度高，但是由于光的速度极快，因而要求精确 测量极短的时间间隔。相位式激光测距仪是用无线电波段的频率，对激光束进行 幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长， 换算此相位延迟所代表的距离。即用间接方法测定出光经往返测线所需的时间， 相位式激光测距仪一般应用在精密测距中。由于其精度高，一般为毫米级，为了 得到有效的反射信号，并使测定的目标限制在与仪器精度相称的某一特定点上， 对这种测距仪都配置了被称为合作目标的反射镜。 2.2.1 相位式激光测距的原理 设用相位式测距仪测定两点间的距离D，由测距仪发射调制激光束，射向反 射镜后被反射回接收系统。设调制波往返于距离D所花费的时间是t，已知光波在 大气中的传播速度是c，则距离为 1 2 Dct (2-5) 如果把调制波在测线上按往返距离展开，如图 2-3 所示。显然，调制波回到收 第二章 激光测距理论 8 发点的相位比发出时延迟了角。则 2 ft (2-6) 式中f是调制波的频率3。 图 2-3 相位法测距示意图 将(2-6)中的t代入(2-5)式，则 11 2222 c Dc ff (2-7) 式中/c f是调制波的波长，以表示，又等于调制波的 N 个整周期加上不足一 个整周期的尾数，所以 12 22222 N DNNN (2-8) 上式说明，要测的距离D等于调制波波长的一半乘以整波数与余波数之和。实际 上，调制波往返于测线上的整波数我们是无法知道的。仪器只能测定边长/2D 的距离，也就是说只能测定小于2的余角。因此需要在仪器中设置两个频率， 譬如令 1/2 10/21000mm 2 ，这样可利用 1/2 去测量相应于 1 的距离，即 测出小于 10 米的毫米位、厘米位、分米位和米位数；用/22去测量相应于 2 的 距离，即测出十米位和百米位（如图 2-4 所示） ，再使二者衔接起来，就得到完整 的距离读数。这样，就解决了测距仪高精度和长测程之间的矛盾，其中最短的测 第二章 激光测距理论 9 尺保证了必要的测距精度，最长的测尺则保证了测距仪的测程。 图 2-4 双频测量示意图 2.2.2 测尺组合频率的选择方法 为了解决测距精度与测距测程之间的矛盾，在测距仪中采用几个频率的组合 来测定同一个距离。那么就存在选择该组各个频率的问题。一般来说选定方式有 两种：分散的直接法和集中的间接法1。 1. 分散的直接法 如果测尺长度的选定是直接和调制光的调制频率f相对应，即测尺长度直 接由调制频率所决定，这种方式称之为直接法。这种方式中各调制光的频率相差 较大，光速为 8 3 10/m s，则： 当测尺长度为 10 米时， 15fMHz 当测尺长度为 100 米时， 1 . 5fMH z 当测尺长度为 1 千米时， 150fkHz 当测尺长度为 100 千米时， 1 . 5fk H z 这种方式，由于高低频率相差悬殊，会使得电路系统难以对各调制频率具有 相同的增益和相移稳定性，电路的设计较为复杂。 2. 集中的间接法 集中的间接法是采用一组接近的调制频率，间接获得各个测尺的一种方法。 如果用两个调制频率 1 f和 2 f的调制光分别测量同一距离，它们所测得的相位尾数 之差（ 12 ） ，则与用这两个频率之差（ 12 ff）的调制光所测量该距离时得 到的相位尾数相等。例如用 1 15fMHz与 2 13.5fMHz两个调制频率的调制光 2 1 第二章 激光测距理论 10 测量同一距离得到的相位尾数差值，与用（ 12 ff）1.5MHz的一个调制频率的 调制光测量该一距离时得到的相位尾数值是相等的。这种方法使得系统中各部分 能获得相近的增益和相位的稳定性，并可以获得稳定统一的频率源。 表 2-1 间接测尺频率、相当测尺频率及测尺长度 由表 2-1 可见这种方式的各间接频率值非常接近，最高和最低频率之差仅为 1.5MHz，五个间接测尺频率都集中在较窄的频率范围内，这不仅使放大器和调制 器能够获得相接近的增益和相位稳定性，而且各频率对应的石英晶体也可以统一。 2.2.3 差频测相 从相位式光波测距原理中可知，欲获被测距离值，首先将距离信息转换成相 位信息，最后测定相位值，再转换成距离值。在相位式激光测距中，最后的相位 测量一般采用差频测相技术5。 差频测相法是将高频调制光信号变换成一个低频信 号，然后对这低频信号进行测相。对一高频信号进行相位测量，其误差往往比较 大。在频率降低后，信号的周期扩大了几十倍甚至几千、几万倍，这样就大大提 高了测相的分辨率，进而提高了测相精度。同时，各测尺频率转换为同一低频信 号测相后，对接收机的频响要求降低，也就是，发射不同的调制频率，其接收放 大的频率始终固定，这样便于接收机获得高增益与高选择性。除此之外，从无线 电原理中可知，当两个高频信号进行混频时，其差频仍能保持原信号的初相位， 这就使测量高频的相位差完全可转移到低频的比相法进行。 图 2-5 为差频测相原理 图。 第二章 激光测距理论 11 图 2-5 差频测相原理图 对于相位法激光测距雷达来说，相位差的测量精度的高低决定了测距精度的 高低，所以提高检相精度是测距的关键。在这里影响激光相位测距精度除大气温 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、测相平均次数 和调制频率及其稳定性等参数；另外，电子噪声特别是由大功率调制引入的电子 相干噪声对探测精度影响也会很大。利用激光进行测距的方法除了上述脉冲法、 相位法之外，还有三角测量法、调频连续波激光测距法、半导体激光自混和干涉 测距等等。 第二章 激光测距理论 12 第三章 激光雷达测距理论基础 激光雷达分析中的一个基本问题是确定到接收机孔径的光强总通量，进而确 定入射到探测器光敏元件上总的光功率。激光测距方程通常是用来确定激光测距 仪在特定条件下对某个特殊目标的接收功率。 3.1 激光雷达作用距离方程 3.1.1 激光雷达作用距离方程的标准形式 激光和微波同属电磁波，激光雷达作用距离方程的推导与微波雷达的推导是 相似的。从微波雷达作用距离方程可导出激光雷达方程。微波雷达测距方程为： 2 12 22 12 444 tSAtAr r G PTTD P rr (3-1) 其中发射天线增益 2 16 t GmK，代入(3-1)即可得激光雷达测距方程标准形式6： 2 12 222 12 4 44 SAtAr r mKPTTD P rr (3-2) 式中 r P接收信号功率（W） ； m光源调制度； s P激光源功率（W） ； K光束截面函数； t 发射机光学效率； r 接收机光学效率； 目标的激光雷达横截面（m2） ； 束宽（rad） ； 1 r发射机到目标的距离（m） ； 2 r目标到探测器的距离（m） ； D接收孔径（m） ； 第三章 激光雷达测距理论基础 13 1A T光源到目标的大气传输系数； 2A T目标到光源的大气传输系数。 公式(3-2)适用于目标在发射机远场以及接收机在目标远场的情况，即目标要 按点建模。该式用四项乘积形式计算了激光雷达的接收功率。这些项与物理光学 过程的各个环节相联系： （1）光到目标的传输， （2）目标对光的反射， （3）散射 光到探测器的传输， （4）接收机对散射光的收集。四项的总乘积是被激光测距机 接收和收集的总光功率。 3.1.2 激光雷达作用距离方程的特殊形式 对一个静止(或移动缓慢)的收发合置系统，有 12 rrr。对小的相对速度， 即多普勒频移可以忽略的情况， 在外大气层工作或以粒子为主的大气衰减情况下， 有 AAA TTT 21 。在这些情况下，公式(3-2)可以化简，将各项合并并重新安排可 得： 42 22 4r DTmKP P rtAS r (3-3) 式中各变量说明同前面所述，该式是一个很重要的结果，它可以应用于很多 系统， 并且该式还表明对于一个收发合置的激光雷达系统， 当它作用于点目标时， 其接收功率与距离的四次方成反比。 假如目标扩展角大于发射机束宽，此时，目标被照明区的激光截面正比于被 照明的面积，在这种情况下，光束截面系数可用均匀光强分布函数近似（即在照 明区域为常数 1） 。 对扩展的朗伯目标7有： 22 r (3-4) 式中 为目标的半球反射率。 此时公式(3-2)可进一步简化为： 22 2 4 SArt r mPTD P r (3-5) 上式说明接收功率与扩展目标距离的平方成反比。 第三章 激光雷达测距理论基础 14 3.2 激光光束的性质 激光雷达的性能与发射的激光光束的性质有密切关系，这就是激光的发射功 率、激光光束的束宽或发散角、激光光束的光强分布截面形状和相对于目标的传 输方向。 对于点目标， 传输方向相对于预定视线的位置将影响目标处的光的强度， 而对于扩展目标，目标相对于光束中心的位置就不那么重要。激光的调制特性， 一般不影响激光雷达方程中的接收功率。 3.2.1 光束形状和光束截面函数 常见的激光雷达发射光束的截面分布函数7有均匀分布、爱里分布、高斯分 布等。各种激光的形状函数有以下几种。 均匀光束的分布函数： 1,K， 0,K， (3-6) 式中 视线瞄准误差；束宽。 爱里光束的分布函数： 1 2.44/ ,4.181 2.44 J K (3-7) 式中 1 J为第一类一阶贝塞尔函数。 高斯光束的分布函数： 22 2 2 ,2exp r K (3-8) 式中 2 222 00 1/r ， 0 为高斯光束的束腰半径。 3.2.2 激光光束的束散角 第三章 激光雷达测距理论基础 15 当发射激光均匀照射一个圆形输出孔径时，衍射极限束宽6为 d 44. 2 (3-9) 式中 激光器发射激光的束宽； 载波光波长； d发射机通光孔径直径。 具有高斯截面的激光雷达光束的有效束宽定义为 2 e峰值功率处的整个束宽。 高斯截面的衍射发射光束的有效宽度为： 1/2 0 0 2argtan1 r r (3-10) 式中r是激光传输路程； 0 是高斯光束的束腰半径； 0 是激光器出口处激光束宽。 在远场时，即/ 0 r时，高斯光束的束宽近似为 0 2 (3-11) 普通的雷达系统的束宽定义为光强下降到半最大值的整个光束宽度 （FWHM） 。如果具有高斯光束的特殊系统的束宽用 FWHM 定义，那么，可以通 过下式转化为等效 2 e宽度： 1.699 FWHM (3-12) 3.3 激光的大气传输特性 激光雷达探测目标的能力虽然由激光雷达作用距离方程描述，但是实际的探 测能力却和激光的大气传输和目标的特性有密切关系。由于光波是在大气中传播 的，因此它必将受到大气中的各种气体、微尘粒子、烟雾、水蒸气、风、雨、雪 等影响，从而影响着测距的测程与精度。大气对激光传输的主要影响有吸收、散 射和湍流，此外还有色散和折射等。本论文计算大气透过率时主要考虑了大气对 激光传输的两种主要影响：吸收和散射。 计算大气透过率可以采用逐线积分法， 综合波带模型法， LOWTRAN 计算法， 多参数分析法等。用这些理论共识去定量计算大气分子吸收谱固然是有效的，但 第三章 激光雷达测距理论基础 16 是比较麻烦。本文利用经验公式的方法计算晴天大气透过率。 3.3.1 大气衰减系数 由描述大气衰减的朗伯定律可知，假定大气水平均匀，对水平光程可得： exp()Tl (3-13) 式中 T传输光程l上的大气透过率（%） ； 大气衰减系数（ Km 1 ） 。 衰减系数可以表示为： mmaa kk (3-14) 式中 m k和 m 大气分子的吸收和散射系数； a k和 a 大气气溶胶的吸收和散射系数。 把式(3-14)代入式(3-13)得 exp() exp() exp() exp() mmaa Tk llk ll (3-15) 由上式可知，只要确定上述四个衰减参数即可确定大气衰减。 3.3.2 大气吸收和散射对激光的衰减 大气中含有各种不同的成分，但影响光波传播的主要是水蒸气和二氧化碳 的吸收。对不同波长的光波，水蒸气和二氧化碳的吸收程度是不一样的，水蒸气 和二氧化碳吸收最强的光波波长称为吸收中心。本课题用的激光器波长为 0.83m，水蒸气对其吸收是主要因素，所以重点讨论水蒸汽吸收。为了计算红外 波段的水蒸气吸收，Langer 把 0.7 微米到 15 微米红外波段分为 8 个窗口，用下面 的两个公式来计算水蒸气在各个窗口的透过率。 一般地， 气象学上把 1Km 水平路 径上的大气透过率定义为大气透明度， 它可以对大气透过率进行综合性的描述。 第三章 激光雷达测距理论基础 17 2 1 expWBi i i WW (3-16) i Q i ii W R W i WW (3-17) 式中 i 第 i 个窗口的大气透明度； i B、 i R、Qi第 i 个窗口的经验常数； W路径上的水蒸气量，用绝对湿度表示（ 3 m g ） ； i W使第 i 个窗口的吸收从弱带（ i WW ）变成强带（ i WW ）时的W值。 课题选用的激光器的波长为 0.83m，取相对湿度 50，查不同温度下饱和 蒸汽密度就可以算出大气的绝对湿度W， 然后根据 Langer 公式在 0.83m附近的 经验常数，再根据式(3-16)或(3-17)可以得到几个不同温度下的大气透明度 i ，根 据式(3-13)可以算出水蒸气的吸收系数 v k( km 1 )。结果如表 3-1 所示。 表 3-1 几种不同温度下的大气传输参数 温度（摄氏度） 0 5 10 15 20 25 大气透明度 i 0.9586 0.9455 0.9362 0.9260 0.9144 0.9021 吸收系数 v k 0.0423 0.0560 0.0659 0.0769 0.0895 0.1030 激光光束在大气中传播时，除了受到选择性吸收以外，还会发生散射作用。 纯散射不会引起激光光束总能量的损耗，但会改变激光光束原来的空间分布，所 以经散射后，会导致原来传播方向上激光光束能量的衰减。大气中有大量的悬浮 微粒(尘埃、水滴、烟雾等)，这些微粒在大气中悬浮成胶溶状态，称之为大气气 溶胶。它影响了大气的透过率，常用大气能见度来衡量其影响程度的大小。大气 能见度(Visibility)定义为具有正常视力的人， 在当时的天气条件下能够看清楚目标 轮廓的最大地面水平距离。 根据单色辐射衰减的朗伯定律，在大气水平均匀的条件下，只考虑气溶胶衰 减（主要是米氏散射） ，根据 Bougner 定理8，有： 1 3.91 () () () 0.55 q a Km V (3-18) 式中 a气溶胶的衰减系数； 第三章 激光雷达测距理论基础 18 V大气能见度（Km） ； 光波长（m） ； q与波长和能见度密切相关的常数。 对近红外波段 1.6q 当50Vkm 1 . 3q 中等能见度 (3-19) 13 0.58qV 当6Vkm 根据式(3-18)和式(3-19)可以得到对所用激光波长 （0.83m） 在几种不同大气 能见度下的气溶胶衰减系数。如表 3-2 所示： 表 3-2 几种不同大气能见度下的气溶胶衰减系数 大气能见度 （km） 20 15 10 5 1 衰减系数 a 0.1145 0.1527 0.2290 0.5181 3.0735 本课题激光测距仪的测试是在晴朗的天气下，如上所述，晴朗的天气下，影 响大气透过率的主要因素是水蒸气的吸收和气溶胶的衰减，因为这两个过程是独 立的，根据式(3-14)可以得到一般晴朗天气下的大气衰减系数： av k (3-20) 假定测试环境的温度为 20C ，大气能见度为 15Km。根据表 3-1 和表 3-2 以及公 式(3-20)可知此时的大气衰减系数0.15270.08950.242