相位激光测距技术的研究

相位激光测距技术的研究

马志学黄晓波李冲蔡建峰

（广东电网有限责任公司惠州供电局广东惠州516000）

摘要：分析我国激光测距技术的发展，随着国家经济的快速发展，在工业生产和交通运输方面越来越多的需要进行测距、测速，对激光测距仪的需求也越来越大。随着有关的激光测距技术的研究和发展，在测量过程中的产品种类也越来越多。目前激光测距仪的测距原理主要有两种，一种是脉冲式的测距方式，另外一种是连续相位式的测距方式，本文主要针对第二种相位式的激光测距技术展开讨论，通过分析其测距原理以及关键的技术，希望能对相应的研究人员给予一定的参考和帮助。

关键词：激光测距；相位式；测距原理；关键技术

一、概论

20世纪60年代，美国人发明了世界上第一台激光器，随后，激光技术就逐渐进入人们的视野并得到快速的发展。激光叫其他普通光波有很多独特的特点，激光发射时能量集中，亮度高，发散角度小，因此具有很好的方向性和单色性，此外，激光因其波长特点，在实际的使用过程中具有很好的抗干扰性。因此，激光测距能适应一些复杂的环境。目前我国的激光技术各个领域都有了广泛的应用。例如在现在的工业或者民用领域利用激光进行工件的加工，由此形成了一系列的激光切割、激光打孔、激光焊接和激光成型技术，而在军事领域方面，激光雷达的出现实现了高精度的测速、测距，同时强化了军用飞机和潜艇的通信装备功能，研发的激光武器能快速的定位目标同时对目标造成很大的伤害。现代化的医疗技术中也利用激光进行治疗。由此可见，激光技术的适用性很强。激光技术从发现并研究制造出第一台激光器开始，便被逐渐的使用到测距的过程中，目前激光测距仪基本上已经取代了原有的一些测距技术。采用激光进行远距离的测距不仅能解决人工跑尺测距的局限性，还能在一些地势险峻，对人有安全威胁的地方施行远距离的测距，从而降低测距的危险性，提高其安全稳定性。

激光测距过程中所依据的总的原理为D=ct/2，其中D为被测点与测点之间的距离，c为光在空气中的传播速度。测距过程中主要就是针对时间t进行精确的测量，由于测量的方式不同我们将激光测距的方法分为两种，即脉冲式和相位式。本文主要讨论相位式激光测距的原理和相应的技术方法。

二、相位激光测距工作原理

相位式激光测距原理利用的是激光的光波频率在往返发射装置和被测物体时产生的相位差来计算往返的时间的，该时间是通过所得的相位差间接计算得出。

图1相位激光测距原理图

由图1我们可以看出，发出的光波信号经被测目标物体反射回来时与发射出去的光波产生了一定的相位延迟，利用公式t=△φ/（2πf）以及公式D=ct/t（其中f为所选用光波的波长）便可测得两者之间的距离。相位激光测距通过采用相应的调制技术，能够精确的得到所要计算的距离，一般在采用相位法进行激光测距时，为了能有效的接收到反射回来的信号，会配合使用反射镜，以便更大程度的提高测量的精度。

三、相位激光测距关键技术的研究

相位激光测距仪的关键技术主要有两点，第一个是测尺的频率，第二就是相位的测量。针对这两个关键技术我们分析如下：

（一）测尺频率

测尺频率为激光测距仪的调制信号的频率，该频率在获取的过程中必须多次测量，以保证获取的数据为两组或两组以上，从而提高测量的精度。每一组侧尺频率的选定方法有两种，一种是集中间接侧尺频率，另外一种是分散直接的侧尺频率。这两种选定方式都依赖于所用的测距仪器的频率特性以及内部元件的灵敏度和测量精度，所得的侧尺频率分两种，即精测测尺和粗测测尺，其中精测测尺是一组数据中数据值最大的，它能有效的确定所用的测距仪的测量精度，而粗侧测尺则是一组数据中除去最大数据之后的其他所有数据，这些数据可以用来扩展所用测距仪的测量量程。

要想获得测尺频率就必须得到调制频率的大小，而调制频率的获取方法主要有三种，即直接调制、光调制和模间拍频调制。采用直接调制的方法来获取侧尺频率在操作上优于另外两种，但所得的数据会因调制波形易变形以及调制频率高造成的调制深度降低而影响最后的测量精度，从而影响测量结果的准确性。光调制的方法分为两种，一种是声光的调制，另一种是电光的调制，这两种调制方法波形稳定性低，在高频范围内容易发生波形的变形，因此，高频测量的结果往往不能得到较为准确的数据。最后一个模间拍频调制的方法是在20世纪90现代发展起来的，该方法具有很好的适应性，即使频率高也不会对波形的稳定性和调制的深度产生较大的影响，因此在精度要求较高的情况下多采用这种方式。

（二）相位的测量

相位激光测距技术中，测距的结果是通过相位的变化的出来的，相位测量产生了误差必然会造成测距的结果不准确，因此，提高对相位变化的测量精度能有效的提高测距结果的精度。而在测量的过程中，相位的变化与信号的频率有很大的关系，当调制信号的频率较低的时候，相位发生一次变化所持续的时间就越长，就越有利于对相位变化的测量，相反，调制信号频率很高的情况下，发生一次相位变化所需要的时间就很短，相应的测量计算时间也很短，这样就不利于对相位的测量，因此，在选取调制信号频率的过程中应该注意，采用中、低频率比采用高频率的信号所获得的测量结果精确度更高。当选取的调制信号频率较高时，通过降低频率的方法对高频信号进行同步解调，从而对相位的变化实现测量，即所谓的“差频测相”。

差频测相的原理主要有两种，即模拟电路差频测相和数字电路差频测量，具体分析如下：

1.模拟差频测相

模拟测相电路的原理主要在于本机振荡器的设置，由本机振荡器产生一个本振频率。如图2所示，主振频率为所要测量的频率，每一个侧尺频率对应一个主振频率，而由振荡器产生的本振频率会比主振频率低，将两种频率输入混频器中进行混合，从而实现对相位的测量。在模拟测相的过程中有三点需要注意的，第一就是必须保证主振频率和由振荡器产生的本振频率是准确的，不会发生波形的抖动和频率的漂移；第二就是要保证获取的差频是准确且稳定的；第三点就是必须保证检测到的相位差是准确的。

2.数字差频测相

数字测相电路原理图如图3所示，该电路的频率源也是两个，即主振频率和本振频率，不同于模拟电路的两个频率源来自不同的地方，数字电路的两个频率都来自于同一个频率参考源，这就有效的解决了波形抖动和频率漂移的问题，此外，数字电路中的混频经过A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，之后利用数字信号处理器的处理功能完成相位的测量。数字测相电路主要包括了两个部分，第一个就是混频和滤波，第二个就是数字处理信号实现计算功能。数字化的测相电路大大的简化了测相的结构组成，同时减少了电路中的波形抖动，提高了测量的精度，使获得的结果更加精确。

结束语：随着现代测量工作变得原来复杂，激光所具有的单向性和方向性在一些复杂条件下更为适用，因此，激光测距仪的使用频率也大幅度提高，其应用范围也变得越来越广。相位激光测距技术采用相位差的原理来实现对距离的测量，使得所测的结果更加的可靠、准确，随着现代化科学水平的提高，相位测量技术也将得到完善，从而更好的为有关的测量工作服务。

参考文献：

[1]汪涛.相位激光测距技术的研究[J].激光与红外.2007，1.

[2]杨健.相位式激光测距技术的研究[J].科技信息（学术研究）.2008，8.

[3]裴广利.相位式激光测距技术的研究[M].西安工业大学.2014，12.