激光测距(非常详细).ppt

第9课激光测距，电子工程学院光电技术部，主要内容，8.1概述8.2脉冲激光测距8.3多周期脉冲激光测距8.4相位激光测距，激光测距功能，激光测距仪与其他测距仪(例如微波测距仪)相比，其特点包括距离测量准确度、抗干扰性、高机密性、小重量、轻重量、8.1概述1、短距离激光测距仪，测量距离在5公里以内，适用于多种工程测量。2、中距离激光测距仪，适用于地球控制测量和地震预测；3、远程激光测距仪，用于测量导弹、人造卫星、月球等宇宙目标的距离；激光距离测量方法分类，脉冲距离测量方法：测距仪发射光脉冲，测量对象反射后，光脉冲返回测距仪，测量接收系统发送和接收光脉冲的时间间隔，即光脉冲正在测量的距离处的往返传播时间t。脉冲距离测量准确度大部分是米级。相位范围指定方法：通过测量连续调制的光波，在可测量距离处来回传播而产生的相位变化，间接测量时间t。该方法测量精度高，在大地测量和工程测量中得到广泛应用。首先，脉冲激光距离测量通过激光对主体发射光脉冲，然后接收系统接收从目标反射的光脉冲，测量光脉冲往返的时间来计算目标的距离。t的测量：用时钟脉冲在决定点之间填写计数。t，开始，结束，t=nt，时钟脉冲，测量长度，准确度激光脉冲宽度相关，脉冲范围指定、激光脉冲测距仪的简化结构如下图所示。激光脉冲测距仪的简化结构，测距仪的光脉冲要求：光脉冲必须具有足够的光度光脉冲的方向性优良光脉冲的单色良好光脉冲宽度用于激光测距的激光(红宝石激光、钕玻璃激光、二氧化碳激光、半导体激光)。其次，连续激光相位距离测量使用无线波段的频率测量激光束幅度调制和调制光往返一次所产生的相位延迟，并测量通过光的间接方法，根据调制光的波长转换此相位延迟所表示的距离。t、短距离、高精度和最大毫米级别的精度。iii，激光测距应用最重要的结果之一，卫星激光测距SatelliteLaserRanging (SLR)技术起源于20世纪60年代，是目前单距离测量精度最高的卫星观测技术，距离测量精度达毫米，卫星的轨道测量精度达1-3厘米。卫星激光测距技术集成在计算机软件、硬件技术、光学、激光、大地测量、机械学、电子学、天文学、自动控制学、电子通信等多个领域。因此，SLR测距仪系统非常复杂，消耗量大，故障率高，同时受到气象因素的限制，维护也比较困难，需要消耗大量人力和物力，但这是目前最准确的绝对观测技术手段。卫星激光测距系统、卫星激光测距系统一般分为激光发射、激光接收、信息处理和信息传输四个部分。激光发射部分产生功率最高、光线发散角度小的脉冲激光，通过发射光学系统追加瞄准后，发射测量的卫星，起到发射的作用。激光接收部接收从被摄星反射的微弱激光脉冲信号，接收光学系统的焦点，将其照射到光探测器的感光面上，将光信号转换成电信号并放大。信息处理部分的主要作用是测量卫星观测站预测、卫星跟踪、激光脉冲从测距系统往返于被测试卫星的时间间隔t，准确地显示并记录在计算机硬盘上，然后手动或自动形成标准格式。信息传输部分通过通信网络接收轨道预测参数和其他指令(带电)，上传观测形成的标准格式数据等。卫星激光测距系统组成，卫星激光测距系统功能分为7大子系统：望远镜转盘子系统激光子系统光电接收子系统伺服系统伺服驱动器控制子系统范围控制子系统微光引导子系统软件子系统，测量原理，控制，系统，系统，系统，控制，系统，计算，因此，激光脉宽会影响距离测量精度：表：距离测量精度与脉宽比较，卫星激光测距主要指标与激光子系统的关系，距离测量精度-激光脉宽。距离测量(近、远)-激光能量，发散角度。回波速度-激光能量，发散角，激光脉冲重复频率。注：测距精度还受光电接收子系统的影响。回声率和天气的好坏比较大。卫星激光测距-激光发展历史，第一代：1964年，q激光调节，脉宽ns，测距精度3m；第二代：70-90年代，主被动锁模激光器，脉宽100ps，距离测量精度3厘米；第3代：SESAM模式锁定，50Hz第4代：SESAM模式锁，KHz，准确度1厘米；第五代：消除大气干扰的双波长激光。卫星激光测距-激光：一般来说，在其他条件相同的情况下发射激光的脉冲能量越高，脉冲宽度越小，重复率越高，峰值功率越高，系统的测距能力越高。千赫每秒激光是第四代卫星激光测距激光。新一代卫星测距用激光是双波长激光。距离测量错误分析，(1)距离测量系统测量错误激光脉宽错误时间间隔测量错误主波计时检测错误回显时序检测错误回显时序检测错误时钟同步错误时钟频率标准错误时钟频率错误中心校正值错误，(3)系统延迟测量错误目标距离校准错误目标现有标准校准测量错误，(4)气象参数收集和大气修正模型错误，中国卫星由于具有独特的距离测量方法和高测量精度，因此在地球科学领域得到了广泛应用。现在，该观测资料可用于地球物理学、地球动力学、大地测量学、天文学、地震预测等各种领域。激光测距的基本公式是c大气的光速。t的光波往返所需的时间很快，因此，对于不大的d，t是很小的量。例如，如果设置D=15km，c=3105km/sec，则t=510-5sec是距离测量公式，准确测量时间t的值的方法是距离测量的关键。由于测量时间t的方法不同，因此生成了两种范围指定方法：指定脉冲范围和指定相位范围。，8.2脉冲激光测距，1，激光测距方程式，1，从测距仪发射的激光到达目标的激光功率1)点目标，目标区域小于激光照射区域。Pt激光发射功率(W)ta 大气单程透射率Kt发射光学系统透射率At目标区域(m2)As光照射在目标上的区域(m2)2)对于扩展目标，目标有效反射面是光斑区域，因为目标区域比光斑区域大。2、激光回波在单元三维角度内的激光功率Pe(激光在目标上产生漫反射，漫反射系数为)，注：一些概念(1)三维角度()概念： (构图)，(2)一点光源向三维空间发射的三维角度注意：u是光圈角度(rad)。(4)兰博定律：将与漫反射垂直的亮度设定为IN，向任意方向散射的亮度Ii满足以下公式：Ii=INCosi时，兰博光称为馀弦或兰博光。激光发射光轴与目标漫反射面法线一致，主反射能量集中在1rad内(约57)，= U2=型：3354目标漫反射系数T 大气单程透射率，3，测距仪光接受系统可接受的激光功率prpr=PErkrr335.(3)，4，距离测量公式由(1)对(2)，对(3)代替结论：1，激光发射能量有利于测距：如果已知脉冲激光单脉冲能量E(J)和脉宽(s)，则可以在下面找到峰值功率Pt。Pt=Et/示例：对于YAG激光器：已知=5ns=510-9sec，Et=10mJ=1010-3J，但是要增加单脉冲能量，必须提高临界电压，因此33601)能量消耗增加，2)电磁干扰增加、2、小激光发散角度：措施：提高光束扩展准直系统的角度比例。3、高透射比光学系统；4、大接收孔径角；5、有助于测量距离的大目标；6、高灵敏度检测仪。2，光电读数，N=1例如，fT=150MHz=1.5108Hz设置，C=3108m 3，偏微分分析 n的距离测量准确度错误：(2)光电系数类型：为水平放大倍率，0为光电探测器感光面直径。通过求解上述方程，可以得到，2，窗口检测系统，(2)设计的多个光学参数的讨论1，物镜相对孔径和探测器感光面(0)的关系。，将接收物镜口径设置为d，将视角设置为w，将紧急面上的光斑直径设置为，可以在w非常高的情况下，以下列方式设置其间的关系：在户外检测系统中，感光面放置在紧急面上，光电检测器的感光面设置在0上，通常0.80为2wf F0.80，因此，注意：越大，接收能量越大，但光学系统的像差难以校准。例如：如果雪崩二极管感光面直径为0=1mm2W=2.9=5010-3rad，自上而下接近D=3.2mm，例如，如果将探测器更改为光电倍增管，0=20mm，则在上述示例中，D=64mm，f c=320mm。这个参数趋于合理。2，窄带干扰滤波器和视场角w之间的矛盾如下：干涉过滤器的视角如下：2W0=5，即W0=5，设计时的 maxw0例如，如果设置了接收系统W=2510-3rad，则解决max=8.53W0=5这个矛盾的方法是减少接收系统的相对光圈或增加检测器区域。第一，脉冲激光测距的最小脉冲等效公式为：与填充时钟脉冲的频率fT成反比。例如，如果设置fT=150MHz，C=3108m/s，则=1m，因此，如果存在一个脉冲的误差，则距离测量误差为1m，远距离测量允许，但对于近距测量(例如50m)，则会产生太大的误差。如果需要1厘米的距离测量错误，则需要时钟脉冲的频率必须为fT=15GHz，这将导致三个问题。、8.3多周期脉冲激光测距、过量的时钟脉冲是不容易获得的。高频电子元件昂贵，稳定性低。电路的性能要求很高。其次，多周期测距原理(a)非延迟多周期脉冲激光测距是通过对在测距仪和目标之间往返的脉冲激光的多个周期累积时间进行平均来提高测距精度的方法。用正弦填充时钟脉冲的频率为fT，测距仪为s，光脉冲经过n个周期后的总距离，以及l，m:计数器在n个周期内计算的总结晶脉冲数。例如，如果设置N=150，fT=100MHz，C=3108m/s，则m=1时多脉冲测量的最小脉冲量为：使用单脉冲测量，结论多脉冲测量比单脉冲测量的距离测量精度高n倍以上。(2)固定延迟多周期脉冲激光测距在距离很高的情况下，“发射接收重新发射”过程形成的振动电路频率高。例如，S=1.5m时测量一次(光脉冲往返一次)，因此振荡电路频率过高的振荡频率对驱动放大器电路的响应速度要求过高。解决方法：下一个激光脉冲在装置接收到反向脉冲信号时不会立即触发，而是在添加固定延迟t0=m0/fT(m0为延迟时钟脉冲数)后触发。固定延迟、重新发射、形成：重新发射、再延迟、发射、接收、这样，可以有效地降低振荡电路的频率。具体地说，按照以下程序实施：1.发射系统发射光脉冲。从发射那一刻开始计数器开始计算。3.如果光脉冲从目标接收到的系统接收到回波信号，则在没有关闭计数器的情况下，经过一定的延迟t0后，激光产生下一个光脉冲，计数器重新开始计数。形成周期振动信号；n循环后关闭计数器。5.n循环测量的总时间t减去n循环延迟的时间Nt0的值，得出平均值，得到光脉冲往返一次所需的时间。将此时间替换为距离测量公式后可以测量的距离。、将时钟脉冲频率设置为fT，将距测距仪的目标距离设置为s，将光脉冲经过n个周期后的总距离l，表达式的m:计数计的总数目脉冲；M0:延迟t0内的计数器数。例如，设置固定延迟t0=200nS、N=150、fT=100MHz可以通过检测延迟脉冲数、1、相位距离测量原理在高频下调制的连续激光往返和初始信号的相位差，显着提高距离测量精度。连续激光成为高频调制光，并将调制频率设置为f，如下图所示。激光往返一周的时间t可以表示为调制波的整数周期数和小于一个周期的小数周数。8.4相位激光测距，f 调制频率(Hz)n 3354光波往返总周期数3354定义为一个周期的相位值l为测距仪的仪表长度。相当于调制波长的一半。拓朴范围方程式为：结论：l是已知的，所以只要测量n和 n，就能找到d。、2、相位距离测量的多值在距离测量方程式中可以用仪器测量 n，但