羅杰 黃裕健

摘 要：現(xiàn)在距離的測量對人們的生產(chǎn)生活有著重要的意義，作為一種比較先進的測距方式，激光測距已得到比較廣泛的應(yīng)用。激光測距是一種非接觸檢測技術(shù)，且不受光線、環(huán)境溫濕度等影響，與其他類型的測距方式相比有著更衛(wèi)生、更耐潮濕、粉塵、高溫、腐蝕氣體等惡劣環(huán)境等優(yōu)點。可在不同的環(huán)境中進行距離準確的在線標定，可直接用于水、酒、糖、飲料行業(yè)等液位控制，可進行差值設(shè)定，直接顯示各液位罐的液位、料位高度，更可設(shè)定閾值，實現(xiàn)實時報警。本文介紹激光測距系統(tǒng)的基本原理，及其在工業(yè)計量中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：激光;測距;脈沖式;相位式

1引言

如今，激光測距已在日常生活和社會生產(chǎn)中有著非常廣泛和實用的應(yīng)用。隨著激光技術(shù)和數(shù)字處理技術(shù)等科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，激光測距將逐漸在生產(chǎn)和生活中有更全面的應(yīng)用。在社會生產(chǎn)生活中，我們多數(shù)情況下將激光運用在自動化控制，測繪等領(lǐng)域，也在精確定位方面運用到激光。在高尖端領(lǐng)域，還可被用于測量飛機、云層、導(dǎo)彈及人造衛(wèi)星高度，在人工智能領(lǐng)域，能應(yīng)用于機器人的避障系統(tǒng)及測量系統(tǒng)。在軍事上，可用于戰(zhàn)場上測量火炮、坦克對目標的距離，也可測量地形數(shù)據(jù)，更好地提升精確打擊能力，提高武器的性能?？偨Y(jié)起來說，激光測距等一類的非接觸式測量方法對我們的生產(chǎn)和生活具有很高的使用價值和重要意義。它能在航空航天領(lǐng)域帶來更新的突破，也能在軍事上提高軍隊的戰(zhàn)斗能力及武器裝備的性能。所以我們在非接觸式測量方面，需要我們進行系統(tǒng)地、深入地研究。

中國在激光測距方面的研究開始于20世紀80年代。從古至今，我國已掌握了基本技術(shù)關(guān)于激光測距，同時也用此處理成功了許多工程問題，并研究制作出許多國產(chǎn)測距儀。例如，我國具有很高的性能的激光測距儀是由中國航天科工集團制造的，它的射程可遠達200米，精度有0.5 cm，是至今我國中性能比較高的產(chǎn)品。另一個由上海精密機械研究所制造的便攜式測距儀。

2激光測距系統(tǒng)的基本原理

2.1 激光測距系統(tǒng)的基本原理

目前，脈沖法和相位法更廣泛地應(yīng)用于激光測距領(lǐng)域。本文簡單介紹兩類激光測距方法。并對兩種方法進行多方面的比較。

2.1.1 脈沖式激光測距原理

激光脈沖寬度只有幾十納米，這就說明了激光的瞬時功率比較大，能量集中。利用激光脈沖的上述特性，我們可以實現(xiàn)遠距離測量。在實際測量過程中，常常是利用目標物體的漫反射原理將激光脈沖反射回來，而不需要特定的合作目標就能實現(xiàn)距離的測量。由于激光器具有連貫性好，亮度高，方向性強，抗干擾性強等優(yōu)點，因此受到土木工程師，工程師和軍事工程師的廣泛喜愛[1]。

傳統(tǒng)的專用集成電路脈沖式激光測距儀的工作原理是在激光測距系統(tǒng)和被測目標之間獲得的。通過計算目標物體的距離值可以獲得激光脈沖所需的往返時間值。其原理如圖2.1所示：

圖2.1 脈沖式激光測距原理框圖

我們知道，激光脈沖持續(xù)的時間很短，當(dāng)它射向目標物體時，通過計算從到達被測目標物體處反射信號的往返時間，則可間接地測量出距離。如圖2.1所示，主控制器通過發(fā)射電路，驅(qū)動激光二極管向被測物體發(fā)射一段持續(xù)時間很短的單次激光脈沖。根據(jù)漫反射的原理，一些激光脈沖將發(fā)射到其他地方，另一部分將被光電傳感器反射回來并接收。 定時模塊主要負責(zé)檢測測量對象處的脈沖到達和測量對象反射回接收器之間的時間間隔，從而可以計算測距系統(tǒng)和被測對象之間的距離[2]。

通過上面的分析敘述，以及圖示，我們就可以利用一些常數(shù)和已知數(shù)據(jù)，計算出被測目標與激光測距傳感器的距離。假設(shè)t為激光脈沖往返的飛行時間，c是常數(shù)，為光在空氣中的傳播的速度，L為被測物體的距離，則實際距離可通過公式（2.1）計算得出：

由公式（2.1）可知，這是一種間接測距法，距離的計算方法簡單且直觀，因為光速c的數(shù)量級較大，為了使測距達到更好的精度，則要求計時t的精度要較高。

2.1.3 相位式激光測距原理

我們通常調(diào)節(jié)光強度是用相位的激光測距技術(shù)，所以相位激光測距的精度以毫米為單位準確度高。相位激光測距儀使用氣體激光器，具有良好的單色性和出色的相干性，如二氧化碳。

相位激光測距是測激光傳遞時間用實驗過程中回傳波所引起的相位變化，最終我們找到目標距離[3]，其原理圖如圖2.2所示。要想系統(tǒng)時間測的很準確，就需要被測目標距離很大，因為光速太快。用相位時間測量來調(diào)制光束的振幅要用無線電波頻率，并測量激光在目標之間來回所引起的相位延遲。也可以使用激光的波長來計算對應(yīng)于相位延遲的長度。相位法通常用于精密激光測距儀，因為相位激光測距通?？梢赃_到毫米級的測量。所以要想得到很清楚的反射成像，則要我們把目標物體固定在其中一個位置處[4]。測量單元、發(fā)射單元、接收單元為相位法激光測距系統(tǒng)的主要部件。

圖2.2 相位式激光測距原理圖

當(dāng)我們考慮到測量當(dāng)中的誤差結(jié)相位式激光測距的主要原理，可以把誤差的來源進行列舉，大致分為以下幾種[5]：

（1）由于媒介轉(zhuǎn)換過程中，折射率會發(fā)生變化，則此會引起光速誤差;

（2）來自調(diào)制頻率不穩(wěn)定性產(chǎn)生的誤差;

（3）來自相位測量中的誤差。

根據(jù)系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因，為減小誤差對測量準確度帶來的影響，這就要求我們要重點考慮相位測量電路和調(diào)制頻率發(fā)生電路在整體電路系統(tǒng)的設(shè)計中的重要性，要悉心設(shè)計，將誤差來源進行把控。其實，在電路及光路系統(tǒng)自身來說，在數(shù)據(jù)處理的過程中，我們可以通過改變固定偏量的方式來修正這類的附加相移;但我們無法修正隨機產(chǎn)生的附加相移，這些隨機的附加相移會根據(jù)測量環(huán)境的變化而不同，總體上會對實驗結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。

相位式激光測距的一般公式為：

公式（2.2）中D為已調(diào)制的激光在空氣中的傳輸距離，如果設(shè)在距離D上的往返時間為t，同設(shè)光在大氣中的傳播速度為c，那么距離D可由公式（2.3）表示為：

參考圖2.2，調(diào)制波最后到達激光發(fā)射處時相位超出了初始激光發(fā)射時相位的 ? ?角，此時有公式（2.4）：

其中f表示為調(diào)制波的頻率。

將上述兩式合并，可得：

其中， ? ? ?為調(diào)制波經(jīng)過的N個周期與尾數(shù) ? ? ? ?的和，則公式（2.5）可以表示為：

在公式（2.6）中，其中整數(shù)N是無法得知的，學(xué)術(shù)上稱之為模糊距離[6]。為了克服模糊距離的缺點，現(xiàn)在大多數(shù)測量都是用多測尺頻率進行的，也就是說，當(dāng)我們采用較低的調(diào)制波進行測量時，由于波長較長，我們可以估算出測量目標的大致距離，再通過一個較高頻率的調(diào)制波進行測量，就可以精確地得到尾數(shù)，與此同時，我們可以根據(jù)低頻率測尺得出估算距離，計算得到整周期的個數(shù)N。通過多次的測量，則運用不同頻率測尺的探測，可以解決遠距離測距與高精度之間的矛盾。

2.2 脈沖法與相位法激光測距的比較

從目前激光測距的應(yīng)用方面看，最常用的還是脈沖法和相位法，下面用表2.1，從五個方面對脈沖法和相位法測距進行直觀地分析比較。

表2.1 脈沖式激光測距與相位式激光測距的比較

從表中可以看出，根據(jù)兩種測距方法的比較，則可根據(jù)自身的使用需求，選擇最合適的方法作為激光測距系統(tǒng)的測距方法。

3.激光測距系統(tǒng)的應(yīng)用

隨著我國工業(yè)的進步，我們將會在越來越多的地方需要應(yīng)用到激光測距系統(tǒng)等類似的非接觸性測量系統(tǒng)。在工業(yè)生產(chǎn)中，我們不可避免的要用到液位控制系統(tǒng)，液位測量的方法主要有接觸式和非接觸式兩種，多數(shù)情況下，譬如在飲料生產(chǎn)中，為保證飲料的可食用安全，并不適宜采用接觸式液位控制，亦或在化學(xué)產(chǎn)品生產(chǎn)中，因接觸性反應(yīng)，也應(yīng)采用非接觸式測量系統(tǒng)。激光測距系統(tǒng)則將很好的應(yīng)用在非接觸式液位控制系統(tǒng)中，由此，激光測距系統(tǒng)的在工業(yè)上可實用性有很大的延伸。

參考文獻：

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[2]田海軍，楊婷，趙楊輝.高精度脈沖式激光測距系統(tǒng)的設(shè)計[J].機床與液壓，2017，45（03）：118-122.

[3]汪濤.相位激光測距技術(shù)的研究[J].激光與紅外，2014（01）：29-31.

[4]程義濤，楊進華.相位激光測距發(fā)射系統(tǒng)實驗研究[J].長春理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，33（01）：29-31.

[5]Jing Huang，Bao Quan Dong. The Research of Phase Method of Laser Ranging Measurement System[J]. Advanced Materials Research，2012，1673（479）.

[6]Chi Zhang，Hu Huang. Design and Experiment of Phase Laser Ranging System Based on MEMS Mirror for Scanning Detection[J]. Key Engineering Materials，2015，3928（645）.