光电信息科学与工程专业-浙江大学光电科学与工程学院.PDF

光电信息科学与工程专业 调研报告 姓名：张文杰 3130002656 曹恒 3130102244 陈天雪 3130103971 专业：浙江大学光电信息工程学系 时间： 2014 年 07 月 48 关于激光测距方法的调研 摘要：激光测距在军事工业以及民用工业上都有着极为广泛的应用，以其高精度，高速度和 实用性而著称。其中，又以脉冲法、相位法和三角法应用最为广泛。 不同的方法有着不同的原理，不同的特点又让它们在不同的领域同样地大放异彩。本 次调研，小组便针对这三种主流方法对激光测距这一课题展开了调研，希望在了解它们各自 特点和原理的基础上，对它们的前景做出展望。 关键词：激光测距；脉冲法；相位法；三角法； 1. 脉冲法激光测距 1.1 脉冲法激光测距的特点 脉冲法激光测距是一种常用的激光测距方法，它利用了激光脉冲时间短，能量相对集中， 瞬间的功率极大的特点，可以达到及远距离的测距。如果在精度要求不高的情况下，即使是 几公里的测距，也可以基本达到要求。目前，脉冲法的最大测量距离能达到30km 以上，其 测量精度一般为5m，最高可达0.15m[1] 。但是，它的缺点是其测距的速度与精度不可兼得。 因此，脉冲法激光测距常常用在远距离的测量中，比如电力、水利、军事等方面。 1.2 脉冲法激光测距的原理及其实现 1.2.1 脉冲法激光测距的原理 脉冲法激光测距通过激光器发射激光到激光返回到激光接收器的时间间隔，来计算 与目 标的距离，测距的公式为：S=c×t/2 ，其中，S 为激光器与目标的距离，c 为光速，t 为激光 从激光器发出到返回被接收机接收的时间。由于光速是确定的，因此，此种测量方法的精确 度取决于对时间的测量，即ΔS=c×Δt/2 。可见，时间量精度对距离测量的精度的影响是线性 的，在时间误差较大时不能忽略，因此，如何测准时间就成为脉冲法测量距离的重要问题。 1.2.2 脉冲法激光测距的实现 如图Figure 1 所示，传统的脉冲激光测距系统包括激光发射单元、接收单元、控制电路、 计时基本脉冲振荡器、计数器和显示模块等部分，测量时首先激光发射单元向目标发射一束 激光脉冲，一部分进入第一个接收器时记为起始发射时间，而另一部分到达目标后经过反射 部分进入第二个接收器记为到达时间，这两个接收器在接收光信号时将之转化为电信号，并 以电压的形式放大，产生逻辑脉冲，由于时间的偏差，会产生逻辑脉冲，使得时间测量数字 芯片将通过公式S=c×t/2 将时间转化为距离。 49 1.2.3 时间间隔的 FigureFigure 21 测量方法简述 由于时间间隔测 量的重要性，在此通 过资料，我们找到了三种测量时间间隔的方法： a.模拟法：由电路进行模拟，并由数字时间单元测得数字时间间隔。 b.数字法：即用同步时钟脉冲对时间间隔进行计时。 c.数字插入法：采用数字法结合不同的插入来进行精确测量。 1.3 脉冲法激光测距的拓展 1.3.1 时间相关光子计数激光测距 光子计数激光测距是将每个输出信号都看作单个光子产生的离散随机脉冲，但它受到环 境的影响很大，对于远距离的探测比较无力。而时间相关单光子计数技术是正是在光子计数 测距的基础上发展而来的，它是在传统的脉冲波测距的原理下，引入时间相关单光子计数技 术，降低了激光脉冲能量及功耗的要求，提高了系统的有效测距范围，同时提高了系统的时 间分辨精度及探测精度。[2] 根据脉冲基光学测距的基本原理，系统也包括了相同的结构，但是多了 TCSPC 模块， 如图Figure 2 。其中TCSPC 模块即时间相关单光子技术模块，是用来统计激光脉冲飞行时 间的。其中包括一个时间数字转换器（TDC ），这是一个可以达到皮秒级的高精度时间间隔 测量单元，其作用是把反馈时