第九章 激光测距.ppt

第9章激光测距。激光测距的基本公式是：光在c大气中的速度t是光波来回传播所需的时间。由于光速非常快，对于一个小的D来说，T是一个很小的量。例如，如果D=15km公里，c=3105km公里/秒，t=510-5秒。从测距公式可以看出，如何准确测量时间T值是测距的关键。由于测量时间T的方法不同，产生了两种测距方法：脉冲测距和相位测距。一、激光测距方程(图9-1)，9-1脉冲激光测距，图9-1，1。激光功率Pt激光发射功率(W)T大气单向透射比Kt发射光学系统透射比At目标面积(m2)As光照射面积(m2)充分利用激光能量，AtAs是必需的，但当AtW0=5时，解决这一矛盾的办法是减小接收系统的相对孔径或增加探测器面积。首先，提出了问题，脉冲激光测距中最小脉冲当量的公式如下：与填充时钟脉冲的频率fT成反比。例如，如果fT=150MHz，C=3108m/s，=1m。因此，如果测量中存在脉冲误差，其测距误差为1m，这对于长距离测量是允许的，但是对于短距离测量(例如50m等)是允许的。)，误差太大。如果测距误差要求为1cm，时钟脉冲的频率要求为fT=15GHz，这将带来三个问题：9-2多周期脉冲激光测距，并且不容易获得太高的时钟脉冲。高频电子元件价格昂贵且稳定性差。电路的性能要求非常高。第二，多周期测距的原理(1)无延迟多周期脉冲激光测距是一种通过对测距仪和目标之间多个周期的累计时间进行平均来提高测距精度的方法。假设晶体振荡器填充时钟脉冲的频率为fT，测距仪和目标之间的距离为s，光脉冲在n个周期后行进的总距离之和为l，其中m是计数器在n个周期内计数的晶体振荡器脉冲总数。例如，如果N=150，fT=100MHz，C=3108m/s，那么当m=1时，多脉冲测量的最小正脉冲量为：而当使用单脉冲测量时，结论表明多脉冲测量的测距精度比单脉冲测量提高了N倍。(2)固定延迟多周期脉冲激光测距当测量距离很小时，在“发射接收再发射”过程中形成的振荡回路频率很高。例如，当S=1.5m时，测量一次所需的时间(光脉冲的一次往返)，因此其振荡电路的频率很高，以致驱动放大器电路的响应速度太高。解决方案：当仪器接收到回波脉冲信号时，它不会立即触发下一个激光脉冲，而只会在增加固定延迟t0=m0/fT(m0是延迟时钟脉冲数)后触发下一个激光脉冲。这样，可以有效地降低振荡电路的频率。具体来说，遵循以下程序：1 .发射系统发射光脉冲；2.从启动时间开始，计数器开始计数；3.在光脉冲从目标返回到接收系统并接收到回波信号之后，计数器没有关闭，但是在固定延迟t0之后，激光器被触发以发射下一个光脉冲，并且计数器再次开始计数。以形成周期性振荡信号；4.N次循环后关闭计数器；5.取总时间T的平均值(以N个周期为单位)减去延迟的时间Nt0(以N个周期为单位)，得到光脉冲一次往返所需的时间。6.测量的距离可以通过将这个时间代入测距公式来获得。假设时钟脉冲频率为fT，测距仪和目标之间的距离为s，光脉冲在n个周期后行进的总距离为l，其中m是计数器的脉冲总数；M0:延迟t0内计数器的计数值。例如，如果固定时间延迟t0=200nS，N=150，fT=100MHz，则延迟脉冲数可计算为：1。相位测距原理通过检测初始信号与往返后高频调制的连续激光之间的相位差，可以大大提高测距精度。连续激光经过高频调制后成为高频调制光，调制频率设为f，如图9-11所示。激光往返时间9-3相位激光测距，图9-11，f 调制频率(Hz)N光波往返中的整周期数不是一个周期的相位值l，它被定义为测距仪的电尺长度：等于调制波长的一半。相位测距方程为：结论：由于l已知，只需测量N和N即可求出d。相位测距的多值可以用测距方程中的仪器测量，但N值不能测量。因此，上述方程具有多值解，即存在多值测距。然而，如果我们事先知道测量的距离在电尺的长度l内，即N=0，那么测距结果将是唯一的。距离测量等式变为：例如，如果光调制频率为f =150103 Hz，则当测量的距离小于1000米时，距离测量值是唯一的。也就是说，当范围在1000米以内时，N=0(小于电尺的长度)，3。在对相位测距精度的两个方面进行区分之后，取一个有限的轨迹，其相对相位测量精度(通常1/1000可以容易地实现)例如，对于上面的例子，此时测距精度可以达到1m。从以上公式可以看出，D与调制频率f成反比，即为了提高仪器的测距精度(即使D减小)，调制频率fv必须增加。然而，从电尺的长度公式来看，此时可测量的距离减小了。因此，在相位测量精度有限的情况下，存在以下矛盾：如果要获得较大的测量距离距离测量精度不高如果要获得较高的测量精度电尺长度短，测量距离有限。如何解决这一矛盾？四、倍频相位激光测距是设置多个测量频率进行测量，现在以两个频率为例来说明。让测量的主频率为1，辅助频率为2=k1 (k是L1“游标”原理：让两个频率的光波从仪器发出时具有相同的初始相位，那么只有当D=10L1或10L1的整数倍时，两个相位才会相等。也就是说，当两个调制频率之间的相位差第二次等于0时，两个频率标尺长度L1和L2的末端在几次之后重合。在一个周期内，相位差与测量的距离成正比。(图9-12)，因此，只有当测量的距离不大于10L1(N10)时，才能根据(1-2)的值确定N和距离d。当使用两个频率进行距离测量时，距离测量公式如下：减去上述两个公式，并代入L2得到：其中：是可测量距离的放大系数，是新的电尺长度。对于上面的例子，在仪器的相位测量精度不变的情况下，电尺的长度放大10倍，或者可测量距离放大10倍，即Dmax=10L1。氮的测定(图9-12)，结论：1。使用两个频率可以使最大可测量距离加倍(F2=KF1)；2.当时，D值被计算出来。3.当时，D值被计算出来。4.多个频率可用于测量。例如，将测量仪器的分辨率设置为0.01米，最大可测量距离设置为100米，相位测量精度设置为，采用两次频率测量，设计L1L2和f1、f2。(1)查找L1:因此：L1=10m(2)查找范围放大率：(3)查找k: from、(4)查找L2: (5)查找f1和f2，(2)第二种方案：使用精细频率：例如f1=15兆赫，对应的L1=10m，以及粗略频率：例如F2=150千赫，对应的L1=1000米，粗略标尺确定(1-1000)米的距离，电尺