罗杰 黄裕健

摘 要：现在距离的测量对人们的生产生活有着重要的意义，作为一种比较先进的测距方式，激光测距已得到比较广泛的应用。激光测距是一种非接触检测技术，且不受光线、环境温湿度等影响，与其他类型的测距方式相比有着更卫生、更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境等优点。可在不同的环境中进行距离准确的在线标定，可直接用于水、酒、糖、饮料行业等液位控制，可进行差值设定，直接显示各液位罐的液位、料位高度，更可设定阈值，实现实时报警。本文介绍激光测距系统的基本原理，及其在工业计量中的应用。

关键词：激光;测距;脉冲式;相位式

1引言

如今，激光测距已在日常生活和社会生产中有着非常广泛和实用的应用。随着激光技术和数字处理技术等科学技术不断发展，激光测距将逐渐在生产和生活中有更全面的应用。在社会生产生活中，我们多数情况下将激光运用在自动化控制，测绘等领域，也在精确定位方面运用到激光。在高尖端领域，还可被用于测量飞机、云层、导弹及人造卫星高度，在人工智能领域，能应用于机器人的避障系统及测量系统。在军事上，可用于战场上测量火炮、坦克对目标的距离，也可测量地形数据，更好地提升精确打击能力，提高武器的性能。总结起来说，激光测距等一类的非接触式测量方法对我们的生产和生活具有很高的使用价值和重要意义。它能在航空航天领域带来更新的突破，也能在军事上提高军队的战斗能力及武器装备的性能。所以我们在非接触式测量方面，需要我们进行系统地、深入地研究。

中国在激光测距方面的研究开始于20世纪80年代。从古至今，我国已掌握了基本技术关于激光测距，同时也用此处理成功了许多工程问题，并研究制作出许多国产测距仪。例如，我国具有很高的性能的激光测距仪是由中国航天科工集团制造的，它的射程可远达200米，精度有0.5 cm，是至今我国中性能比较高的产品。另一个由上海精密机械研究所制造的便携式测距仪。

2激光测距系统的基本原理

2.1 激光测距系统的基本原理

目前，脉冲法和相位法更广泛地应用于激光测距领域。本文简单介绍两类激光测距方法。并对两种方法进行多方面的比较。

2.1.1 脉冲式激光测距原理

激光脉冲宽度只有几十纳米，这就说明了激光的瞬时功率比较大，能量集中。利用激光脉冲的上述特性，我们可以实现远距离测量。在实际测量过程中，常常是利用目标物体的漫反射原理将激光脉冲反射回来，而不需要特定的合作目标就能实现距离的测量。由于激光器具有连贯性好，亮度高，方向性强，抗干扰性强等优点，因此受到土木工程师，工程师和军事工程师的广泛喜爱[1]。

传统的专用集成电路脉冲式激光测距仪的工作原理是在激光测距系统和被测目标之间获得的。通过计算目标物体的距离值可以获得激光脉冲所需的往返时间值。其原理如图2.1所示：

图2.1 脉冲式激光测距原理框图

我们知道，激光脉冲持续的时间很短，当它射向目标物体时，通过计算从到达被测目标物体处反射信号的往返时间，则可间接地测量出距离。如图2.1所示，主控制器通过发射电路，驱动激光二极管向被测物体发射一段持续时间很短的单次激光脉冲。根据漫反射的原理，一些激光脉冲将发射到其他地方，另一部分将被光电传感器反射回来并接收。 定时模块主要负责检测测量对象处的脉冲到达和测量对象反射回接收器之间的时间间隔，从而可以计算测距系统和被测对象之间的距离[2]。

通过上面的分析叙述，以及图示，我们就可以利用一些常数和已知数据，计算出被测目标与激光测距传感器的距离。假设t为激光脉冲往返的飞行时间，c是常数，为光在空气中的传播的速度，L为被测物体的距离，则实际距离可通过公式（2.1）计算得出：

由公式（2.1）可知，这是一种间接测距法，距离的计算方法简单且直观，因为光速c的数量级较大，为了使测距达到更好的精度，则要求计时t的精度要较高。

2.1.3 相位式激光测距原理

我们通常调节光强度是用相位的激光测距技术，所以相位激光测距的精度以毫米为单位准确度高。相位激光测距仪使用氣体激光器，具有良好的单色性和出色的相干性，如二氧化碳。

相位激光测距是测激光传递时间用实验过程中回传波所引起的相位变化，最终我们找到目标距离[3]，其原理图如图2.2所示。要想系统时间测的很准确，就需要被测目标距离很大，因为光速太快。用相位时间测量来调制光束的振幅要用无线电波频率，并测量激光在目标之间来回所引起的相位延迟。也可以使用激光的波长来计算对应于相位延迟的长度。相位法通常用于精密激光测距仪，因为相位激光测距通常可以达到毫米级的测量。所以要想得到很清楚的反射成像，则要我们把目标物体固定在其中一个位置处[4]。测量单元、发射单元、接收单元为相位法激光测距系统的主要部件。

图2.2 相位式激光测距原理图

当我们考虑到测量当中的误差结相位式激光测距的主要原理，可以把误差的来源进行列举，大致分为以下几种[5]：

（1）由于媒介转换过程中，折射率会发生变化，则此会引起光速误差;

（2）来自调制频率不稳定性产生的误差;

（3）来自相位测量中的误差。

根据系统误差产生的原因，为减小误差对测量准确度带来的影响，这就要求我们要重点考虑相位测量电路和调制频率发生电路在整体电路系统的设计中的重要性，要悉心设计，将误差来源进行把控。其实，在电路及光路系统自身来说，在数据处理的过程中，我们可以通过改变固定偏量的方式来修正这类的附加相移;但我们无法修正随机产生的附加相移，这些随机的附加相移会根据测量环境的变化而不同，总体上会对实验结果产生较大的影响。

相位式激光测距的一般公式为：

公式（2.2）中D为已调制的激光在空气中的传输距离，如果设在距离D上的往返时间为t，同设光在大气中的传播速度为c，那么距离D可由公式（2.3）表示为：

参考图2.2，调制波最后到达激光发射处时相位超出了初始激光发射时相位的    角，此时有公式（2.4）：

其中f表示为调制波的频率。

将上述两式合并，可得：

其中，      为调制波经过的N个周期与尾数        的和，则公式（2.5）可以表示为：

在公式（2.6）中，其中整数N是无法得知的，学术上称之为模糊距离[6]。为了克服模糊距离的缺点，现在大多数测量都是用多测尺频率进行的，也就是说，当我们采用较低的调制波进行测量时，由于波长较长，我们可以估算出测量目标的大致距离，再通过一个较高频率的调制波进行测量，就可以精确地得到尾数，与此同时，我们可以根据低频率测尺得出估算距离，计算得到整周期的个数N。通过多次的测量，则运用不同频率测尺的探测，可以解决远距离测距与高精度之间的矛盾。

2.2 脉冲法与相位法激光测距的比较

从目前激光测距的应用方面看，最常用的还是脉冲法和相位法，下面用表2.1，从五个方面对脉冲法和相位法测距进行直观地分析比较。

表2.1 脉冲式激光测距与相位式激光测距的比较

从表中可以看出，根据两种测距方法的比较，则可根据自身的使用需求，选择最合适的方法作为激光测距系统的测距方法。

3.激光测距系统的应用

随着我国工业的进步，我们将会在越来越多的地方需要应用到激光测距系统等类似的非接触性测量系统。在工业生产中，我们不可避免的要用到液位控制系統，液位测量的方法主要有接触式和非接触式两种，多数情况下，譬如在饮料生产中，为保证饮料的可食用安全，并不适宜采用接触式液位控制，亦或在化学产品生产中，因接触性反应，也应采用非接触式测量系统。激光测距系统则将很好的应用在非接触式液位控制系统中，由此，激光测距系统的在工业上可实用性有很大的延伸。

参考文献：

[1]赵亚飞. 脉冲式激光测距机的设计与实现[D].郑州.郑州大学，2017.

[2]田海军，杨婷，赵杨辉.高精度脉冲式激光测距系统的设计[J].机床与液压，2017，45（03）：118-122.

[3]汪涛.相位激光测距技术的研究[J].激光与红外，2014（01）：29-31.

[4]程义涛，杨进华.相位激光测距发射系统实验研究[J].长春理工大学学报（自然科学版），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）.