激光测距实验

一、实验目的

1、学习激光测距机类型与应用现状

2、掌握相位测距原理

二、概述

传统的非接触测距方法主要有超声波测距、电磁波测距和光学测距等。激光技术诞生后，激光很快应用于测距，尤其在探测距离较长时，因采用测量激光往返目标的飞行时间，测距不需要借助基线，因而优越性更为明显。激光测距获得了广泛的应用。可以用于测量长度、距离、速度等。比较常用的激光测距方法有脉冲法和相位法等。

第一代激光测距仪采用发射6.3nm红外红宝石激光器和光电倍增管探测器，其隐蔽性差、效率低、体积大、重量重、耗电多。

第二代激光测距仪采用发射1.06μm近红外钕激光器和硅光电二极管或硅雪崩光电二极管探测器。其隐蔽性好、效率高、轻小、耗电少，因此第二代激光测距仪的小型化研制进展迅速。1977年美国研制成功称之为AN/GVS-5型的第一个手持使用的小型Nd：YAG激光测距仪。

第三代激光测距仪，即人眼安全的激光测距仪。20世纪70年代末国际上开始研制第三代人眼安全激光测距仪。其中1.5~1.6μm激光成为人眼安全激光测距仪的主流。自1994年以来，美国Big sky公司、美国Litton公司及以色列光电工业公司等先后研制出1.57μm人眼安全OPO测距仪，美国Lockheed sanders公司研制了二极管泵浦的全固体化1.57μm手持式人眼安全OPO激光测距仪。

三、激光测距原理

图1激光测距基本原理图

激光测距广泛采用传播时间法，飞行时间法是指测量光在测线上往返传播所需的时间来测量距离。即向被测物体发射激光，用探测器接收物体的反射光，记录光发射和反射时间差，来确定被测物体与测试点的距离。其基本原理如图1所示。

要测A、B两点之间的距离，可以分别在A、B两点架设测仪机和反射器，测距仪发射一束激光，激光在被测距离A、B之间传播，到达B点后，激光被反射器反射。反射回的激光被测距仪接收，如果激光测距仪能测出激光从发射到接收这一段时间，那么，在A、B之间的距离就可以计算出来。根据光速，则距离为：

1、脉冲法激光测距

图2脉冲激光测距的原理 图3脉冲测距波形图

    脉冲法测距的工作原理如图2、图3所示,当仪器接通电源之后，按动启动按钮时，激光器发出激光脉冲。有一部分发射激光经取样棱镜直接到接收系统，作为计数器的开始信号。这时由时标振荡器产生的时标脉冲可以通过电子门进入计数电路开始计数。另外，该激光脉冲的主要能量经过光学系统射向目标。从目标反射回来的光脉冲通过光学系统到光电管上。光电管输出电信号，作为计数器结束信号。脉冲测距仪的原理和结构较简单，测程远，功耗小，此类测距仪一般测量范围10km、精度5m。          

2、相位激光测距原理

相位式激光测距一般应用在精密测距中，其精度为mm级，为了有效地反射信号，这种测距仪大多配置了被称为合作目标的反射镜。相位测距原理如图4所示。

图4相位法测距基本原理图

相位法测距是用一调制信号对发射光波的光强进行调制，利用测定“调制光波”往返于被测距离的相位差，间接求得待测距离。其距离的计算公式为：

其中为调制波的波长，为调制光在距离为2上的相位差，为调制光的传播速度，为调制光在待测距离往返所需要的时间，为调制光的频率。

在图5中，表示调制光波的发射点，表示安置反射器的地点，表示所发出的调制光波经反射器反射后的接收地点。两点间的距离就是光波所走过的路程2。

故：

其中；式中表示相位中包含的2的整数倍，表示不是整周期2的相位的尾数。

图5光波经距离2后的相位变化

令，定义为测距仪的电尺长度 ，等于调制波长的二分之一 ，则相位测距方程为：

因为为已知的，所以只需测得和即可求。

3、干涉法测距

原则上干涉法测距是测量未经调制的光波本身的相位迭加关系(干涉)来测距。

图6 干涉法测距原理图

图6是常用的迈克尔逊干涉仪示意图。由激光器发射的激光经分束器之后分别射向两个反射器。若从分束器至两个反射器的距离分别是和，则两个反射器的间距。设两束光强为和，则两束光迭加时，其合成光强：

式中，为激光的波长。当·时，两束反射光的相位差为的整倍数，迭加后  振幅增大，最大，出现亮条纹；当时，两束光的相位相反，二者振幅相抵消，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。

    此测距法只能测出反射镜的的位移增量，即只能求出相对距离，显然不适用于野外大地测距。要在野外长距离上进行绝对干涉测量，多值性的鉴别非常重要但又十分困难。

三、实验装置

本实验是利用相位法的激光测距，实验装置如图7所示，激光被调制成为调幅波，光强变化的频率为10MHz，这种调幅波被半反镜分出两束光波：一束至1号探测器，做为参考信号；另一束经、到2号探测器。两束光频率均为10MHz，光探测器将光信号转化为电信号。1号和2号探测器输出信号相位差为。用示波器或相位计测出两信号的相位差，多次测量取平均值，就能得到被测距离。

7实验原理图

图8-a 实验波形图                图8-b 实验波形图

1、调好光路、用示波器找到两个频率并纪录，画出测距波形。

2、在已知距离情况下测量光速。

3、根据所测光速测量距离。

四、思考题

  1、相位激光测距实现运距离测量的困难是什么？

  2、激光器波长对测距精度有无影响？

  3、普通光源能做相位测距光源吗？

  4、调制频率与测距精度关系？

五、参考文献

[1] 高林奎，宋玮．激光测距[M] ．北京：人民铁道出版社，1977．

[2] 中国矿业学院测量教研室．激光测距仪[M] ．北京：煤炭工业出版社，1980．

[3] 孙渝生. 激光多普勒测量技术及其运用[M]. 上海科学文献出版社.1995；

[4] 沈熊编著 激光多普勒测速技术及应用清华大学出版社 2004 TN24/3422 

[5]  (德)F·杜斯特等著激光多普勒测速技术的原理和实践科学出版社 1992 TN24/2442

[6]  (英)特瑞恩(Drain,L.E.)著激光多普勒技术清华大学出版社 1985.8 TN24/2416 

[7]  [英]B.M.瓦切西威克兹等著激光多普勒测量.1版水利出版社 1980.08 TL375.1/1415