相位式激光测距系统研究

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【摘要】相位式激光测距仪是一款集激光调制技术、光学技术、光电检测技术、信号处理技术以及单片机技术于一体的高精度测量仪器，广泛应用于工业测控、矿山、港口、建筑、汽车等领域。由于其精度高、快捷轻便、操作简单，在目前测距市场上十分受人青睐。

【关键词】相位式激光测距仪；系统；研究

1.绪论

二十世纪六十年代初激光的出现使得测距技术发生了翻天覆地的变化，很快激光技术被应用到测距技术当中，从而产生了激光测距。激光测距技术最早出现在军事领域，主要应用于地形测量，战场测量，坦克、飞机、舰艇和大炮对目标的测距，测量云层、飞机、导弹及人造卫星的高度Ⅲ等方面，其主要优点是非接触、测距快、体积小、性能可靠等。近年来，随着激光测距技术的不断发展以及激光测距仪的价格不断下调，其已广泛应用于工业测控、矿山、港口、建筑、汽车等领域。

相位式激光测距仪是一款集激光调制技术、光学技术、光电检测技术、信号处理技术以及单片机技术于一体的高精度测量仪器，广泛应用于工业测控、矿山、港口、建筑、汽车等领域。由于其精度高、快捷轻便、操作简单，在目前测距市场上十分受人青睐。

2.激光的概述

激光是由于物质的受激辐射而产生的较强的光。构成物质的基本单位原子处于较高的能级时，可以自发发射一个光子而跃迁到低能级，这种辐射式自发辐射。而当有外界光通过这一物质时，一部分光子被粒子吸收，使它们跃迁到较高的能级；同时，频率适当的照射光还可以迫使处于高能级的粒子跃迁回低能级而发射出光子，称之为受激辐射。受激辐射的光子有一个特点，它的频率、相位、进行方向和偏振方向都与诱发光子相同。

激光具有其独特的物理特性。激光方向性好，通过透镜后能汇聚成小于1nm的光斑；激光强度大，可以使被照物体在1/1000秒内产生几千度的高温，瞬间发生汽化；激光单色性好，如氦氖激光器谱线相对宽度小于10-9nm。

由于激光的物理特性决定了其具有明显的生物效应。激光的热作用对生物组织进行汽化、切割、热凝、热敷。它的作用大小取决于激光束的波长、功率、模式、照射时间、聚焦程度及靶面大小；激光的光化作用则是由激光作用于生物体而产生体内的化学反应；当生物组织吸收激光能量密度超过某一确定域值时，就会产生汽化并伴有机械波；激光又是一种电磁波，也就是变化着的电磁场。

3.相位式激光测距的设计与原理

3.1 整体设计方案

系统的整体方案设计如图2.1所示。

图2.1 相位式激光测距接收系统整体设计方案

3.2 相位式激光测距原理

相位式激光测距是通过测量连续的调制光波信号在待测距离上往返传播一次所产生的相位差来间接地测量信号传播时间，从而得到被测距离的大小。其原理如下：

图2.2 相位式激光测距调制波形图

假设调制光波是频率为f的正弦波，则波长为：

由图2.2可知，光波由A点传到B点产生相位差为：

那么A、B两点间的距离L为：

由上式可以看出，如果能够测出光波相位差中的整数倍m和不足1的小数部分m，则能通过该公式算出被测距离L。实际中，因为调制光波从A点传到B点产生的相位差非常小，测量起来非常困难；另外，如果发射系统置于A点，接收系统置于B点，这样操作起来很不方便。因此，我们可以将一个角反射器置于B点，使调制光波照到角反射器后发出平行光波后，由激光测距仪的探测器所接收，最终通过鉴相器可测出调制光波在被测距离L上往返一次所发生的相位变化值。

光波在被测距离L上往返一次所产生的相位变化如图2.3所示：

图2.3 光波在距离L上往返一次的相位变化

但是，相位测量技术不能测量出光波相移中的整数倍，而只能测出光波相移中不足的尾数，也就是说只能够确定不足l的小数。所以，如果被测距离大于Ls时，此方法是无法测出距离的。但当被测距离小于Ls时，即m=0时，可以测出被测距离L为：

4.电检测及信号放大模块设计

光电检测及信号放大模块的主要任务是要将反射回来的测距光波信号进行接收后转换成电信号，并将电信号放大供后续电路进行处理。这个模块主要包括光电接收和信号放大两部分。

本系统的光电检测及信号放大滤波电路，如图3.1所示。

图3.1 光电检测及信号放大电路

在图3.1所示的电路中，前置放大器U1、U2都采用了超高速运放MAX4100，带同滤波器U3采用的是低噪声高速精密运放器0P37。因为接收回来的测距信号的频率很高，所以我们选择的MAX4100和0P37都是增益带宽较高的运放。在电路的前置放大部分里，在反馈电阻R1上并联一个小电容C1是为了避免运放U1的自激振荡。PIN管输出的电流信号经过运放U1后，转换成了电压信号，在经过U2、U3滤波放大后，变成后续电路需要的电压信号。这个电路实际上就是电流信号到电压信号的转变过程。

5.小结

相位式激光测距因其非接触、测距快、性能可靠等优点，已广泛应用于工业测控、矿山、港口、建筑、汽车等领域。就目前而言，随着相位式激光测距技术的应用场合的不断扩大，对测距机的要求也越来越高，主要表现在体积、精度、测程、成本等方面。如何在提高相位式激光测距仪的测距精度的同时扩大测量范围、降低设备成本并小型化是目前现代激光测距研究者一直要解决的问题。

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作者简介：秦绪阳（1989—），男，硕士研究生，现就读于中北大学信息与通信工程学院电子测试技术重点实验室。