一、激光测距简介：

激光测距仪无论在军事应用方面，还是在科学技术、生产建设方面，都起着重要作用。由于激光波长单一，测量精度高，且激光测距仪结构小巧，安装调整方便，故激光测距仪是目前高精度测距最理想的仪器。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新的特点：

①激光有小的光束发散角，即所谓的方向性好或准直性好。

②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。

③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。

若激光是连续发射的，测程可达40公里左右，并可昼夜进行作业。若激光是脉冲发射的，一般绝对精度较低，但用于远距离测量，可以达到很好的相对精度。

世界上第一台激光器，是由美国休斯飞机公司的科学家梅曼于1960年，首先研制成功的。美国军方很快就在此基础上开展了对军用激光装置的研究。1961年，第一台军用激光测距仪通过了美国军方论证试验，对此后激光测距仪很快就进入了实用联合体。

激光测距仪重量轻、体积小、操作简单速度快而准确，其误差仅为其它光学测距仪的五分之一到数百分之一，因而被广泛用于地形测量，战场测量，坦克，飞机，舰艇和火炮对目标的测距，测量云层、飞机、导弹以及人造卫星的高度等。它是提高坦克、飞机、舰艇和火炮精度的重要技术装备。

由于激光测距仪价格不断下调，工业上也逐渐开始使用激光测距仪。国内外出现了一批新型的具有测距快、体积小、性能可靠等优点的微型测距仪，可以广泛应用于工业测控、矿山、港口等领域。

激光测距仪-分类：

一维激光测距仪

用于距离测量、定位；

二维激光测距仪（Scanning Laser Range finder）

用于轮廓测量，定位、区域监控等领域；

三维激光测距仪（3D Laser Range finder）

用于三维轮廓测量，三维空间定位等领域。

激光测距-方法

激光测距仪一般采用两种方式来测量距离：脉冲法和相位法。脉冲法测距的过程是这样的：测距仪发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收，测距仪同时记录激光往返的时间。光速和往返时间的乘积的一半，就是测距仪和被测量物体之间的距离。脉冲法测量距离的精度是一般是在+/- 1米左右。另外，此类测距仪的测量盲区一般是15米左右。

二、实验目的：

1、对激光测距仪的构成具有一定认识；

2、了解激光测距的发展过程；

3、了解激光测距的工作原理；

4、由激光测距仪的原理动手测量一段距离，了解换算过程，增强动手能力。

三、相位式激光测距仪原理

激光测距仪的测距原理是：由激光器对被测目标发射一个光信号，然后接受目标反射回来的光信号，通过测量光信号往返经过的时间，计算出目标的距离。

设目标的距离为，光信号往返所走过的距离即为2

则：￡=2／c

即：=ct／2 (1)

式中 c一光在空气中的传播速度c≈3×10 m／s；

￡一光信号往返所经过的时间，S；

一检测目标的距离，rn。

测距仪由激光器发出按某一频率变化的正弦调制光波，光波的强度变化规律与光源的驱动电源的变化完全相同，发出的光波到达被测目标，通常这种测距仪都配置了被称为合作目标的反射镜，这块反射镜能把入射光束反射回去，而且保证反射光的方向与入射光方向完全一致。在仪器的接收端获得调制光波的回波，经鉴相和光电转换后，得到与接受到的光波调制频率相位完全相同的电信号，此电信号放大后与光源的驱动电压相比较，测得两个正弦电压的相位差，根据所测相位差就可算得所测距离。

假设正弦调制光波往返后相位延迟一个角，又令激光调制频率为,则光波在被测距离上往返一次所需时间t为：

把上式代入测距公式(1)中，得到：

而，所以被测距离为：

式中 一光尺，；

显然，只要能够测量出发射和接收光波之间的相位差，就可确定出距离的数值。但目前任何测量交变信号相位的方法，都不能确定出相位的整周期数，只能测定不是的尾数，由于值不确定，故距离就成为多值解。既然相位测量可以确定被测量的尾数，那么，利用两种光尺同时测量同一个量，则可以解决多值问题。系统中用两把精度都是1‰ 的光尺，其中一把光尺的=0．1 m，另一把光尺的=10 m，分别测量同一距离，然后把测得的结果，相互组合起来即可。

比如：距离为2．047 m，用光尺测量得到不足0．1的尾数0．047 m，用光尺测量得到不足10 m 的尾数为2 m，把两个光尺相加起来的读数为2．047 m 。

四、实验设备及元器件：

激光发射器

分光镜

反光镜

接收器2只

电子示波器

五、实验原理：

由激光发射器发射一束激光。经过分光镜后一束射向前方反光镜后，有信号接收器A接受，另一束直接由信号接收器B接收，两个信号接收器与激光发射器处于同一平面上。通过示波器观察出两束光波的相位变化，得到两束光接收到的时间差，通过计算算得激光发射器与反光镜的距离。

 

六、实验装置图：

七、实验内容与步骤：

1、连接实验设备，将各实验器材放在实验台的相对位置上，调整分光镜、反光镜、接收器，使接收器能够准确的接收到两束光。

2、确认各个实验器材的位置，使接收器能够准确的接收到两束光，

3、通过观察电子示波器中出现的两个波形图，得到两束光接收到相差的时间差。

4、计算：

设激光发射器与反光镜距离为a，接收器B与分光镜距离为b，分光镜与反光镜距离为c，反光镜与接收器A的距离为d，激光发射器与分光镜距离为e。

设与已知，

，

代入解得

八、实验数据计算

本次试验测得13ns；

九、知识拓展：

激光测距仪-品牌及分类

1.手持激光测距仪

测量距离一般在200米内，精度在2mm左右。这是目前使用范围最广的激光测距仪。在功能上除能测量距离外，一般还能计算测量物体的体积。

2. 望远镜式激光测距仪

测量距离一般在600-3000米左右，这类测距仪测量距离比较远，但精度相对较低，精度一般在1米左右。主要应用范围为野外长距离测量。

3.工业激光测距仪

测量距离在0.5-3000米左右，精度在50mm以内，300米外要加设反光板，部分产品还能在测距的同时测速。主要应用于位置控制（如车辆和船舶）；定位起重机；装卸和搬运设备；飞机测量（测高仪）；冶金过程控制；测量不宜接近的物体（如管灌装物、管道、集装箱），以及水位测量。典型的传感器有LDM301、LDM4x

 

第二篇：激光脉冲测距实验报告

  

激光脉冲测距

组长：孙汉林(制作PPT)

组员：张莹（讲解）

吕富敏（制作报告）

                           目录

一  工作原理................................................................................................................ 2

（1）测距仪工作原理........................................................................................... 2

（2） 激光脉冲测距仪光学原理结构................................................................. 2

（3） 测距仪的大致结构组成............................................................................. 3

（4） 主要的工作过程......................................................................................... 3

（5） 激光脉冲发射、接收电路板组成及工作原理......................................... 4

二 激光脉冲测距的应用领域...................................................................................... 4

三 关键问题及解决方法.............................................................................................. 6

（1）优点............................................................................................................... 6

（2）问题及解决方案........................................................................................... 7

一  工作原理

（1）测距仪工作原理

 现在就脉测距仪冲激光测距简要叙述其工作原理。简单地讲，脉冲法测距的过程是这样的：测距仪发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收，测距仪同时记录激光往返的时间 t，光速 c 和往返时间t 的乘积的一半，就是测距仪和被测量物体之间的距离 。一般一个典型的激光测距系统应具备以下四个模块：激光发射模块；激光接收模块；距离计算与显示模块；激光准直与聚焦模块，如图 2-1 所示。系统工作时，由发射单元发出一束激光，到达待测目标物后漫反射回来，经接收单元接收、放大、整形后到距离计算单元计算完毕后显示目标物距离。在测距点向被测目标发射一束强窄激光脉冲，光脉冲传输到目标上以后，其中一小部分激光反射回测距点被测距系统光功能接收器所接受。假定光脉冲在发射点与目标间来回一次所经历的时间间隔为 t，那么被测目标的距离 D 为：式中：c 为激光在大气中的传播速度；D 为待测距离；t

为激光在待测距离上的往返时间。

R=C*T/2               (公式1)

 

图一脉冲激光测距系统原理框图

（2） 激光脉冲测距仪光学原理结构

图二

（3） 测距仪的大致结构组成

脉冲激光测距仪主要由脉冲激光发射系统、光电接收系统、门控电路、时钟脉冲振荡器以及计数显示电路组成

（4） 主要的工作过程

其工作过程大致如下：首先接通电源，复原电路给出复原信号，使整机复原，准备进行测量；同时触发脉冲激光发生器，产生激光脉冲。该激光脉冲有一小部分能量由参考信号取样器直接送到接收系统，作为计时的起始点。大部分光脉冲能量射向待测目标，由目标反射回测距仪的光脉冲能量被接收系统接收，这就是回波信号。参考信号和回波信号先后由光电探测器转换成为电脉冲，并加以放大和整形。整形后的参考信号能触发器翻转，控制计数器开始对晶格振荡器发出的时钟脉冲进行计数。整形后的回波信号使触发器的输出翻转无效，从而使计数器停止工作。这样，根据计数器的输出即可计算出待测目标的距离。三 实验装置实验装置包括“激光脉冲发射、接收电路”和“单片机开放板”。

（5） 激光脉冲发射、接收电路板组成及工作原理

激光脉冲发射/接收电路板原理框图如图2.3所示。图中EPM3032为CPLD；MAX3656为激光驱动器；MAX3747为限幅放大器；T22为单端信号到差分信号转换芯片；T23为差分信号到单端信号转换芯片；LD为半导体激光器；PD为光电探测器。板子上端的EPM3032被编程为脉冲发生器，输出重复频率为1KHz，脉冲宽度为48ns的电脉冲信号。此信号经MAX3656放大后驱动LD发光。板子下端的EPM3032被编程为计数器，对125MHz晶振进行计数。其计数的开门信号来自上端的TX信号，关门信号来自PD的输出。计数器的计数结果采用12位二进制数据输出，对应的时间范围为0~32.7?s。

二 激光脉冲测距的应用领域

激光测距仪一般采用两种方式来测量距离:脉冲法和相位法.脉冲法测距的过程是这样的:测距仪发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收.测距仪同时记录激光往返的时间.光速和往返时间的乘积的一半.就是测距仪和被测量物体之间的距离.脉冲法测量距离的精度是一般是在+/-1米左右.另外.此类测距仪的测量盲区一般是15米左右。

激光测距仪已经被广泛应用于以下领域:电力.水利.通讯.环境.建筑.地质.警务.消防.爆破.航海.铁路.反恐/军事.农业.林业.房地产.休闲/户外运动等。

由于激光在亮度、方向性、单色性以及相干性等方面都有不俗的特点，它一出现就吸引了众多科学工作者的目光，并被迅速地被应用在工业生产方面、国防军工方面、房地产业、各级科研机构、工程、防盗安全等各个行业各个领域：激光焊接、激光切割、激光打孔（包括斜孔、异孔、膏药打孔、水松纸打孔、钢板打孔、包装印刷打孔等）、激光淬火、激光热处理、激光打标、玻璃内雕、激光微调、激光光刻、激光制膜、激光薄膜加工、激光封装、激光修复电路、激光布线技术、激光清洗等。有关于激光的研究与生产制造也如火如荼地开展了起来。

激光与普通光源所发出的光相比，有显著的区别，形成差别的主要原因在于激光是利用受激辐射原理和激光腔滤波效应。而这些本质性的成因使激光具有一些独特的特点：

1.激光的亮度高。固体激光器的亮度更可高达1011W／cm2Sr这是因为激光虽然功率有限，但是由于光束极小，于是具有极高的功率密度，所以激光的亮度一般都大于我们所见所有光（包括可见光中的强者：太阳光），这也是激光可用于星际测量的根本原因所在；

2.激光的单色性好。这是因为激光的光谱频率组成单一。

3.激光的方向性好。激光具有非常小的光束发散角，经过长距离的飞行以后仍然能够保持直线传输；

4.激光的相干性好。我们通常所见到的可见光是非相干光，激光可以做到他们都做不到的事情，比如说切割钢材。

在测距领域，激光的作用更是不容忽视，可以这样说，激光测距是激光应用最早的领域（1960年产生，1962年即被应用于地球与月球间距离的测量）。测量的精确度和分辨率高、抗干扰能力强，体积小同时重量轻的激光测距仪受到了大多数有测距需求的企业、机构或个人的青睐，其市场需求空间大，应用领域广行业需求多，并且起着日益重要的作用。

三 关键问题及解决方法

（1）优点

脉冲激光测距法相比相位激光测距法有以下几项优点：

第一，在相同的总平均光功率输出条件下，脉冲光波型激光测距仪可测量的距离远必连续光波型激光测距仪要长。

第二，测距速度较快。

第三，不需要合作目标，隐蔽性和安全性好。

考虑以上特点和实际系统设计要满足体积小，功耗低，高重频，测距速度快等特点，本实验中我们选择脉冲激光测距法作为整体系统的测距方式。

（2）问题及解决方案

在脉冲式激光测距仪的设计当中，时差测量成为了一个影响整个测量精度最关键的因素。在当今这个科技发达的社会，激光测距的应用越来越普遍。在很多领域，电力，水利，通讯，环境，建筑，地质，警务，消防，爆破，航海，铁路，反恐/军事，农业，林业，房地产，休闲/户外运动等都可以用到激光测距仪。激光测距仪一般采用两种方式来测量距离：脉冲法和相位法脉冲式激光测距仪是通过测量激光从发射到返回之间的时间来计算距离的。因此时间测量对于脉冲式激光测距仪来说是非常重要的一个环节。由于激光的速度特别快，所以发射和接收到的激光脉冲之间的时间间隔非常小。。例如要测量1 公里的距离，分辨率要求1cm，则时间间隔测量的分辨率则要求高达67ps。德国acam 公司的时间数字转换器TDC-GP2 单次测量分辨率为典型65ps，功耗超低，集成度高，测量灵活性高，是脉冲式激光测距仪时差（TOF）测量非常理想的选择。激光发射装置发射出光脉冲同时将发射脉冲输入到TDC-GP2 的start 端口，触发时差测量。 一旦从物体传回的反射脉冲达到了光电探测器（接收电路）则给TDC 产生一个Stop 信号，这个时候时差测量完成。那么从Start 到Stop 脉冲之间的时差被TDC-GP2精确记录下来，用于计算所测物体与发射端的距离。在这个原理中，单片机对于TDCGP2进行寄存器配置以及时间测量控制，时间测量结果传回给单片机通过算法进行距离的精确计算，同时如果有显示装置的话，将距离显示出来。在这个原理当中距离的测量除了与TDC-GP2 的时差测量精度有关外还与很多其他因素有关系：
- 激光峰值功率
- 激光束发散程度
- 光学元件部分
- 光传输的媒体 (空气，雨天，雾天等)
- 物体的光反射能力

-      光接收部分的灵敏程度等等

-      被测物体特性以及传输媒介的铁性一般是由应用的条件给出的，那么可以根据应用的条件来选择激光的发射器（波长，驱动条件，光束的特性等）和接收器（类型，灵敏度，带宽等）。测量的范围在激光峰值功率更高以及信噪比更高的情况下也会相应增加。那么时差测量的精度除了与TDC-GP2 芯片本身测量精度有关系外还与激光的脉冲特性有关，比如脉冲的形状（宽度，上升下降沿的时间），以及探测器带宽和信号处理电路。对于tdc-gp2 而言，脉冲信号的速度越快，带宽越宽，则测量精度相应得会越高。
那么上面所述的一些需要注意的问题在这里我们并不做讨论，我们假设其他方面都已经解决，那么这里我们着重介绍一下如何应用单片机和TDC-GP2 来控制时间测量。对于tdc-gp2 而言，这颗芯片本身有两个测量范围，测量范围1 和测量范围2。测量范围1 的时间测量从0ps-1.8us,相对于距离来讲大约为0-270m。测量范围2 的测量范围从2 倍的高速时钟周期到4ms.也就是说最高的距离测量可以到25 公里以外.