相位法激光测距的理论设计

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1、相位法激光测距的设计-1-第一章引言激光，是一种自然界原本不存在的，因受激而发出的具有方向性好、亮度高、单色性好和相干性好等特性的光。物理学家把产生激光的机理溯源到1917年爱因斯坦解释黑体辐射定律时提出的假说，即光的吸收和发射可经由受激吸收、受激辐射和自发辐射三种基本过程[1]。所谓激光技术，就是探索开发各种产生激光的方法以及探索应用激光的这些特性为人类造福的技术的总称。30多年来，激光技术得到突飞猛进的发展，利用激光技术不仅研制了各个特色的多种多样的激光器，而且随着激光应用领域不断拓展，形成了激光唱

2、盘唱机、激光医疗、激光加工、激光全息照相、激光照排印刷、激光打印以及激光武器等一系列新兴产业。激光技术的飞速发展，使其成为当今新技术革命的先锋！激光和普通光的根本不同在于它是一种有很高光子简并度的光。光子简并度可以理解为具有相同模式(或波型、位相、波长)的光子数目,即具有相同状态的光子数目。这些特性使激光具有良好的准直性及非常小的发散角,使仪器可进行点对点的测量,适应非常狭小和复杂的测量环境。激光测距仪就是利用激光良好的准直性及非常小的发散角度来测量距离的一种仪器。激光在A、B两点间往返一次所需时间为t

3、,则A、B两点间距离D可表示为:D=c·t/2,式中,c为光在大气中传播的速度。由于光速极快,对于一个不太大的D来说,t是一个很小的量。如:假设D=15km,c=3×105km/s,则t=5×10-5s。由测距公式可知,如何精确测量出时间t的值是测距的关键。由于测量时间t的方法不同,便产生了两种测距方法:脉冲测距和相位测距。其中相位测距更加精确[1]。-1-第二章国内外研究状况相位式激光测距技术的研究起始于20世纪60年代末,到80年代中期陆续解决了激光器件、光学系统及信号处理电路中的关键技术,80年代

4、后期转入应用研究阶段,并研制出了各种不同用途的样机,90年代中期,各种成熟的产品不断出现,预计近期将是其应用产品大发展的阶段,在中、近程激光测距应用方面有取代YAG激光的趋势。随着激光技术的发展,应用激光作精密光波测距系统的光源,是现代测量仪器的一个显著特点。据近年的资料,国外用于大地测量、城市和工程测量的各类光电测距仪约15000多台。其中,长程及中程各占1/4,短程测距仪占1/2。许多工业发达国家已把各种激光测距仪红外测距仪作为标准设备,装备测量作业队。近年来，中长程激光测距仪的技术发展有以下特点:

5、（1）普遍采用He-Ne激光光源,功率为1～5mW;（2）普遍采用新颖的高效调制器,如ADP(磷酸二氢铵NH4H2PO4),KDP(磷酸二氢钾(KH2PO4)),KD*P(磷酸二氘钾(KD2PO4))等；（3）向自动化和数字化方向发展。中远程激光测距仪的精度主要是受到比例误差的限制,这是值得注意的。如美国的Geodolit-3G远程激光测距仪,其数字测相的分辨力达±0.03mm,其固定误差为±0.03mm,但它的比例误差仍有1mm/km[2]。为获得测线的平均气温,气压、湿度误差影响￡1mm/km，还需

6、要用飞机沿测线作气象测定,这对作业无疑是不方便的。对比之下,±0.03mm的测相分辨力,对于单色激光的远程测距,并不必需。短程的光波测距仪通常以砷化镓半导体(GaAs)红外波段激光源的红外测距仪为主,实用上也有少量采用He-Ne激光作光源。这类仪器普遍在向自动化、数字化与小型化、一机多能的方向发展。按仪器的功能可分为单测距仪器,测角与测距相结合的仪器,测距、测角与计算三结合仪器(电子速测仪)及高精度的短程测距仪这四类。单测距的仪器都采用强制归心基座可与经纬仪交替使用,以利于边角测量和导线测量的实施,这类

7、仪器也可采用激光光源。角、距结合的仪器有二种:一种是测距系统作为经纬仪的附件,积木式装在经纬仪上,将自动测距与经纬仪测角相结合直接为水平距离并能作坐标差Dx、Dy的计算.如DI-3及DI-3S;另一种能将自动测距与光学测微器-2-广东技术师范学院本科毕业论文（相位法激光测距的理论设计）读数测角一并设计的整体型仪器,为光电测距经纬仪,如SM11[2]。　　测角、测距、计算三结合的仪器(如AG710)分主机和数据处理二个部件。测角部分采用编码度盘,角度和距离一样都能自动数字显示。自动归算的功能包括自动计算水

8、平距离、高差,自动进行气象修正以及自动算出相对于测站的待定点极坐标,并能自动记录在孔纸带上。所以这类仪器又称为电子速测仪。这类仪器的应用与普及,将使传统的城市测量工程勘测、小区域的地形测量技术为之大大改观,它把测距、测角、测高和计算在一台仪器上结合起来,从而在测站上仅几秒钟之内就直接获得测量点的坐标,并利用穿孔纸带为自动绘制地形图、断面图迅速提供了大量的原始资料。短程测距仪的精度主要是提高测相精度,因为这类仪器的测程多数在1～2km之内,相