一种便携式激光测距仪的原理及方案实现
一种便携式激光测距仪的原理及方案实现
作者:李俊锋;阮林林;姚丹
精确测量两点间的距离,是经济建设国防建设和科学研究中一项重要的工作从某种意义上说,没有测量就没有科研,就没有现代工业的发展,从人类还以比较原始的方式进行生产的时候起直到科学技术高度发达的今天长度测量一直是人类生产活动中一个不可缺少的重要组成部分,只不过随着时间的推移,测量的手段在逐渐提高,通过测量距离可测量的内容在不断增加罢了一般说来,激光测距仪按测程可以分为三类:1)短程激光测距仪,其测程在5km以内适用于低等控制测量及各种工程测量:2)中程或中长程激光测距仪,其测程从5km到15km,适用于大地控制测量、地震预报观测等;3)远程及超远程激光测距仪,一般用于导弹、人造地球卫星、月球等空间日标的距离测量1.测距仪的分类与原理测距仪基本原理都是通过测量激光光束在待测距离上往返传播的时间来换算出距离的,其表达式为:根据传播时间T的测定方法的不同,可以把激光测距仪分为以下两类。
1.1 脉冲激光测距仪
激光器发射的光脉冲通过发射望远镜投射到待测目标上,通过目标的漫反射可以由接收望远镜接收反射信号,再由光电转换元件转变为电信号并经过放大器放大后,用数字电路或图像法直接测定光往返一次所需时间并以距离显示出来。脉冲式光波测距仪主要特点是能以脉冲形式集中发射,通过待测目标的漫反射进行距离测量,不需要专门设置合作目标,使用非常方便。但是由于反射物体表面的高低不平时间测量技术的限制,这种测量装置精度较低一般误差为2-5m。因此它适应于军事及工程测量中精度要求不高的某些项目,空间距离的测量也都用脉冲测距法。
1.2相位激光测距仪
相位激光测距仪是用无线电波段的高频正弦信号对激光束进行高频调制,然后测定调制光往返一次所产生的相位延迟,再根据调制光的波长换算此相位延迟所代表的距离。它实际上是用间接方法测定出光经往返测量目标所需的时间1然后得出待测距离。D为待测距离c为光传播速度、为传播时间、中 为对应相位差、为角速度。
这种方法测量精度高,通常在mm量级,因而在大地和工程测量中得到了广泛的应用。如前所述,相位法测距是光电测距的主要方式之一也是目前精度最高,应用最广泛的一种测距方法,实质是对激光在两点间传播时间的测量。由于对时间测量不够精确,所以将对时间的测量转化为对相位差的测量。这就是所说的相位激光测距仪的基本原理相位法测距就是间接的测定调制光波经过时间t后所产生的相位移动,以代替测定时间1从而求得光波所走过的路程D即是激光往返所引起的相位差。A点表示调制光的发射点.B点表示安装发射器或者是目标点,A表示所发出的调制光波经反射器反射后的接收地点。实际上,A点就是测距仪中光波的发射点,A就是测距仪中光波的接收点。A-A两点间的距离就是光波所走过的路程,它等于待测距离的两倍.相位实际上代表光波走过往返距离时所需的时间当用图中光波测量时,可知量,为调制信号频率可选定,因此相位的测量实际上变成了半波长个数N和不足半波长小数部分N(或φ)的测量。如果测得光波相位移Φ中2π的整数和小数就可以确定出被测距离值,所以调制光波可以被认为是一把“光尺”,其波长入就是相位式激光测距仪的“测尺”长度…。在目前测相精度一般较高的情况下,为了保证必要的测距精度,精测尺的频率必须选得很高。一般为几十 MHz到几百MHz在这样高的频率下直接对发射波和接收波进行相位比较,受电路中寄生参量的影响在技术上将遇到极大的困难了。所以我们选择用调制波3K和300M信号发射出去,反射回来的波被探测器接收,再将300M信号反相抵消掉,对解调出来的3K的信号放大后与单片机初始出来的3K信号进行相位比较,用改进的运零点检测算法求出A的变化量以此得出A的大小,即:不到一个整数波长的部分。
2非接触便携式激光测距仪的原理
实现系统主要由三大部分组成:单片机及外围电路;2调制发射接收电路;3光学发射接收系统。
2.1单片机及外围电路
主要作用主要体现在控制方面,实现电池电压转化为芯片工作所需要的+3.3V.+5V所需的电压以及探测器工作所需要的+120-+180V之间电压(可设定为+140V由1:70变压器提供):实现开机关机功能,实现对所测量数据存储功能(数据存放在EPROM24C02WI)实现对串口点阵128*64LCD的显示控制功能;实现矩阵式键盘控制功能;实现蜂鸣器报警提示功能:另外单片机实现清除、测量、单次测量、勾股定律测量、面积测量、体积测量、历史记录查阅、切换测量基准、公英制转换等功能。
2.2 调制发射接收电路作用
主要体现在调制发射和激光接收方面,主要是通过频率发生器和压控振荡器产生高频信号,另外,解调后携带相位信息的3K正弦波信号经过两级放大电路后,通过插排连接到控制板,再由单片机对该信号进行相位计算。
2.3 光学发射接收系统
主要是通过单片机控制翻板电机,使挡板反射器立起,这样反射光就被挡板反射器上的平面镜反射,反射光线经过凹面镜再次反射后到达光电探测器使光信号转换成电信号形成内光路测量。内光路测量完成后,单片机/0口写低电平控制挡板反射器并由弹簧拉回原来平置位置再进行外光路测量。总之,就是实现测距仪器的内外光路测量,保证光学信号被充分发射和有效接收。当挡板反射器2在虚线位置时,发射光线由26两个挡板,经两次反射到光电探测器上面,形成内光路;当挡板反射器2在图4实线位置时,即处于水平面位置时,反射光线经过双反射镜发出,然后经被测目标反射回来,再由物镜5汇聚到光电探测器 形成外光路。其中挡板反射器2是一个动态挡板用一转轴控制它的两个工作位置,转轴可用电机控制。为了减少测量误差的影响,提高测量距离的精度,在测量距离时,进行观测数据的多次读数,取其测量平均值作为最终的测距结果。
3 结束语
近年来,高速发展的电子元器件性能不断提高电路处理部分的集成和数字化的程度不断提高,促使激光测距仪向着小型化、便携式、高精度发展。本文给出的测距方案,理论上测量距离的精度可达毫米级,量程可达数公里,制成的非接触便携式激光测距仪可应用于测绘、航空航天、武器装备等诸多领域,其原理和结论是可行的。因为资金问题,仅对此在理论上进行了探讨,没有制作成熟的产品,所以无法进行进一步的数据试验。该方法尚需做进一步的研究,还有许多的工程问题需要解决。
本文章转自爱学术(aixueshu.com),如有侵权,请联系删除