发布时间 : 星期六 文章本科毕业设计（论文）激光测距的研究更新完毕开始阅读
33 8
设在t时间内，有N个时钟脉冲进入计数器，时钟脉冲的振荡频率为f0，
R?式中，L?cccNT?N?LN （公式14） 22f02f0，表示每一个时钟脉冲所代表的距离增量。如计数器计数N个时钟脉冲，
则由公式14可得到目标距离R。L的大小决定了脉冲测距的测量计数精度。
2.3.1脉冲激光测距工作原理
脉冲激光测距仪大多由激光发射系统、激光接收系统和计数系统三个基本 部件组成，图3是它的原理示意图。它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。
激光脉冲测距仪的工作过程大致如下:首先用瞄准光学系统瞄准目标，接着启动复位开关，复位电路给出复位脉冲，使整机复位，准备进行测距，同时触发脉冲激光器产生一个前沿陡峭、峰值功率高的激光脉冲。绝大部分激光能量经过发射光学系统压缩光束发散角后射向目标，这样的光脉冲射到几十公里远的地方，才只有几米直径的一个光斑。在脉冲发射出
33 9
去的同时，该激光脉冲有极少量能量由光取样器直接送到激光接收系统（即极小一部分光立即由两块反射镜反射而进入接收光学系统），作为发射信号。而射向目标的光脉冲，由于目标的漫反射作用，总有一部分光从原路反射回来，而进入接收光学系统，这就是回波信号。发射信号和回波信号先后经过滤光片由光电探测器转变为电脉冲，并经放大电路放大后，输送给阈值电路。超过阈值电平的信号被送至脉冲整形电路整形。整形后的发射脉冲使T触发器翻转，控制计数器对晶体振荡器发出的时钟脉冲进行计数。整形后的回波信号使T触发器的输出翻转无效，从而使计数器停止工作。通过计数器累计出从激光发射至接收到目标回波期间所进入的时钟脉冲个数，就可根据晶体振荡器的振荡频率得到激光往返的时间，计算出目标距离。为了使光束对准目标发射，接收光学系统对准目标接收，一般要求瞄准光学系统、发射光学系统和接收光学系统三条光轴严格平行。
为了扩大测量范围，提高测量精度，不难看出测距系统对光脉冲应有以下要求: 1.光脉冲应该具有足够的强度。无论怎样改善光束的方向性，它总不可避免要有一定的发散，再加上空气对光线的吸收和散射，所以目标越远，反射回来的光能量就越弱，甚至根本接收不到。为了测量较远的距离，就要使光源发射具有较高功率密度的光强。
2.光脉冲的方向性要好。这有两个作用。一方面可把光的能量集中在较小的立体角内，以射得更远一些，另一方面可以准确判断目标的方位。
3.光脉冲的单色性要好。无论是在百天还是黑夜，空气中总回存在着各种杂散光线，其往往会比反射回来的光信号强得多。光脉冲的单色性越好，滤光片的效果就越佳，就越能够有效提高接收系统的信噪比，保证测量准确性。
4.光脉冲的宽度要窄。由于光速极快，光往返时间极短，光脉冲至少应该远远小于往返时间才能正常测量。另一方面窄脉冲能够可以提高系统的信噪比。
2.3.2脉冲激光测距性能方程
2.3.2.1脉冲激光测距的测距方程
一束激光以一定的辐射功率和发散角在大气中传播，在激光束传播的过程中，由于大气的存在，激光束的一部分光能被吸收，一部分光能被散射，最终到达目标的辐射能通量已减少了许多。我们将目标看成二次光源，根据目标的漫反射性质，我们即可求出沿着探测器方向的激光辐射亮度，对目标的整个受照面积进行积分，同时考虑大气对回波信号的衰减作用，就可以得到进入探测器的回波光功率。
脉冲激光测距原理图如图4所示,为了使激光发射系统发射的激光功率尽可能多的被激光接收系统所接收，同时又保证尽可能少的背景辐射进入接收系统，必须使激光接收系统的接收视场角?r，同激光发散角?t之间有良好的匹配关系。在理论上，最简单的方法是使接收视场角等于光束发散角，即?r=?t，在这种情况下发射光束直径总是等于接收视场直径。
33 10
假定激光测距仪的发射系统和接收系统是非同轴的，并假定激光光强是均匀分布的(实际是按高斯分布的)。设激光发射系统发射的激光峰值功率为TtPt，发射的激光束的立体角为?t，则激光光源照射在被测目标上的辐射照度为:
Et?TaTtPt （公式15） 2?tR式中，Ta是激光传输距离为R的大气透过率,
T(R)?exp[???(?,R?)dr]0R
（公式16）
这里?(?,R?)为大气消光系数。设目标为理想的漫反射体，则目标作为二次辐 射源沿各方向的辐射亮度Lm为一常数，且辐射亮度与出射辐射度之间的关系 为:
Lm?Mm? （公式17）
若设目标的漫反射率为?，则目标的辐射出射度为Mm??Et，于是可求出目标的辐射亮度:
Lm?Mm?=
?TaTtPt （公式18）
??tR2设激光测距仪接收天线的面积为A,激光发射光束与距离R处的目标相交的截面积为S，任一面元ds与激光测距仪光轴的夹角为?，则根据亮度的定义，可求出目标作为二次辐射面光源沿激光测距仪光轴方向辐射到典立体角内的辐射功率为:
Pm?设激光测距仪的接收视场?r?ArLmdscos? （公式19） R2?sAr，接收光学系统的透过率为Tr，考虑到大气透过率Ta2R可以计算出被探测器接收到的光功率Pr为:
ATTLpr?rr2amRTa2TtPtArTr?cos?ds???R2s?cos?dss?R2 （公式20）
设目标的有效反射截面Am=cos?ds，则激光测距仪对小目标测距时的测距方程可改
s?写为:
Ta2TtPtArTr?AmPr? （公式21）
?R2?R2
33 11
Am。众所周知激光测距仪?rR2为使上式适用于对大目标测距的情况，引入比例因子??的信噪比是一个很重要的指标，因此为了减小进入到光电探测器中的外部噪声，在对小目标测距时通常使激光测距仪的接收视场角?r略小于激光束的发散角?t这种条件下，目标后向反射的激光功率中，只有在接收视场内的才能被光电探测器所接收，该功率与目标后向反射光功率之比
?r?t。令
?r=，并将比例因子?，?代入上式，则脉冲激光测距的测距
?t?2PTTttaTrAr???Pr? （公式22） 2?R
方程可表述为:
其中：Pt——激光测距仪的发射峰值功率； Pr——激光测距仪的接收峰值功率； Tt——发射光学系统的透过率； Tr——接收光学系统的透过率； Ar——接收光学系统面积；
?——目标漫反射系数；
Ta——大气或其他介质的单程透过率； R——目标距离；
?，?——定义如下:
Am??{?tR1,2,
Am??tR2Am??tR2
??{1,?s?r?t,
?r?t ?r??t（公式23）
式中,Am 为目标有效反射面积。它由目标表面上任一面元ds与激光发射光束之间的夹角;以及目标被激光照射的表面积S确定，即Am=cos?ds，?t为激光发射光束的发散角,?r 为激光接收视场角。
由以上推导过程可知，测距方程成立的条件是:
(1)目标为理想的漫反射体；
(2)目标距离与激光测距仪横向尺寸相比足够大； (3)接收视场?r?Ar； R2(4)忽略大气湍流对回波光功率的影响；