相位式激光測距法中相位產生原理

一、激光測距原理

??根據基本原理，實現激光測距的方法有兩大類：飛行時間(TOF)測距和非飛行時間測距，飛行時間測距中有脈沖式激光測距和相位式激光測距，非飛行時間測距主要是三角激光測距，如下圖所示。

1.1 脈沖式激光測距

??脈沖式測距是激光技術最早應用于測繪領域中的一種測量方式。由于激光發散角小，激光脈沖持續時間極短，瞬時功率極大可大兆瓦以上，因而可以達到極遠的測程。一般情況下不使用合作目標，而是利用被測目標對光信號的漫反射來測距，測量距離可表示為：

L=cΔt/2L=cΔt/2

??式中LL為測量距離，cc為光在空氣中傳播的速度， ΔtΔt為光波信號在測距儀與目標往返的時間。
??一般在非精密測量中，光在空氣中的傳播速度取真空中的3×108m/s3×108m/s （現代物理學通過對光頻率和波長的測量推導出的精確值為 2.99792458×108m/s2.99792458×108m/s），若在精密測量中可參考空氣的狀態進行修正得到精確值。

??脈沖激光的發射角小，能量在空間相對集中，瞬時功率大，利用這些特性可制成各種中遠距離激光測距儀、激光雷達等。目前，脈沖式激光測距廣泛應用在地形地貌測量、地質勘探、工程施工測量、飛行器高度測量、人造地球衛星相關測距、天體之間距離測量等遙測技術方面。
??脈沖式測距法相比與其他兩種測距方法來說簡單粗暴的多，原理也很好理解，通過一個高頻率的時鐘驅動計數器對收發脈沖之間的時間進行計數，這就使得計數時鐘的周期必須遠小于發送脈沖和接收脈沖之間的時間才能夠保證足夠的精度，因此這種測距方法適用于遠距離測量，而達到毫米級別的測量采用脈沖式測距所付出的硬件成本實在太高。

1.2 相位式激光測距法

??相位式激光測距通常適應于中短距離的測量，測量精度可達毫米、微米級，也是目前測距精度最高的一種方式,大部分短程測距儀都采用這種工作方式。相位式測距則是將一調制信號對發射光波的光強進行調制，通過測量相位差來間接測量時間，較直接測量往返時間的處理難度降低了許多。測量距離可表示為：

2L=??c?T/2π2L=??c?T/2π

??式中LL為測量距離，cc為光在空氣中傳播的速度，TT為調制信號的周期時間， ??為發射與接收波形的相位差。

??在實際的單一頻率測量中，只能分辨出不足2π的部分而無法得到超過一個周期的測距值。對于采用單一調制頻率的測距儀，當選擇調制信號的頻率為100KHz時，所對應的測程就為1500m，也即當測量的實際距離值在1500m之內時，得到的結果就是正確的，而當測量距離大于1500m時，所測得的結果只會在1500m之內，此時就出現了錯誤。
??所以，在測量時需要根據最大測程來選擇調制頻率。當所設計的系統測相分辨率一定時，選擇的頻率越小，所得到的距離分辨率越高，測量精度也越高。即在單一調制頻率的情況下，大測程與高精度是不能同時滿足的。
??相位式激光測距可以達到毫米級別的測量精度，當初在調研的時候一直有一個疑惑，如果發射信號的相位和接收信號的相位差是光走過的距離產生的，那么相位式和脈沖式的原理基本一樣，達到毫米級別精度的話發射信號和接收信號的相位差將極小，這個問題后面會詳細說明。

1.3 三角測距法

??三角測距法即光源、被測物面、光接收系統三點共同構成一個三角形光路，由激光器發出的光線，經過匯聚透鏡聚焦后入射到被測物體表面上，光接收系統接收來自入射點處的散射光，并將其成像在光電位置探測器敏感面上，通過光點在成像面上的位移來測量被測物面移動距離的一種測量方法。距離表示如下：

L=f(B+X)/XL=f(B+X)/X

??式中LL為測量距離，ff為sensor與透鏡中心的距離，XX為反射光斑與sensor中心的距離，BB為發射光與sensor中心的距離。

??激光三角測距法具有結構簡單、測試速度快、使用靈活方便等諸多優點，但由于激光三角測距系統中，光接收器件接收的是待測目標面的散射光，所以對器件靈敏度要求很高。另外，如激光亮度高、單色性好、方向性強，在近距離的測量中較為容易測量出光斑的位置。因此三角法應用范圍主要是微位移的測量，測量范圍主要在微米、毫米、厘米數量級，已經研發的具有相應功能的測距儀，廣泛應用于物體表面輪廓、寬度、厚度等量值的測量，例如汽車工業中車身模型曲面設計、激光切割、掃地機器人等。

1.4 距離測量方法比較

??三種激光測距方式的特點如上表所示，脈沖式TOF的優點是測量范圍廣且光學系統緊湊，但是高速讀取脈沖光的電路設計和配置較為復雜。
??相位式TOF在近距離測量中測量精度更高，同時由于無需時間測量的電路，電路設計比較簡單，因而此方法可以用于整列傳感器中，然而相位式TOF不能分辨實際距離在一個還是多個測量周期內，因而不適用于長距離的測量。
??三角測距法的優勢是小距離下測量精度高，但是缺點為電路的小型集成化比較困難，并且測量易受外界環境光的影響。

二、相位激光測距原理詳解

??前面簡單的介紹了三種激光測距方法，對于脈沖式激光測距和三角式激光測距原理都比較好理解，這里主要詳細說明一下相位式激光測距中相位差到底是如何產生的，對于當初自己的疑惑做一個記錄。
??相位式激光測距中發射信號和接收信號的相位差是如何產生的，對于這個問題一開始直接的想法是光走過的距離產生的，如果真是這樣那么假設相位式激光測距可以達到1mm的測量精度，即相位差為光走過2mm的時間，這個時間約為：

2×10?3/3×108=0.67×10?11s=6.7ps2×10?3/3×108=0.67×10?11s=6.7ps

??6.7psps這個時間太小了，很難測到，現在市面上可以買到的激光測距儀可以很輕松的達到1mm精度，經過拆解發現根本沒有很復雜的測相電路，因此不禁考慮，相位差產生的原因真的是由于時差導致的么。經過大量的文獻調研和自己的理解之后發現其實相位差的產生和光本身并沒有什么關系，光只是作為一種載體而已，而且正由于光速如此之快才能使得相位式可以達到這么高的精度。分析如下：
??假設一個調制光波形如下圖所示，在沒有障礙物的時候是一直向前傳播的。

??如果這時候遇到一堵墻或者一面鏡子，光路沿原路返回，情況如下：

??其中藍色是發射光，紅色是反射光，從圖中可以很清楚的看到，當發射光遇到了墻之后發生發射，其反射的波形實際上是沒有遇到墻之后波形的鏡像，因此其相位差的大小與光速沒有關系，而和發射光在何時遇到障礙物有關。為了有更直觀的體現相位差和障礙物距離之間的關系，通過matlab對這個現象進行仿真，代碼如下：

hold off clear all f=100;%信號頻率Hz fs=10000;%采樣頻率Hz N=400;%采樣點數 t=(0:N-1)/fs;%采樣時間s for j = 175 : 225x=sin(2*pi*f*t);%信號采樣值D = j;x1 = x(1:D);x2 = x(D+1:N);for i = 1 : Dx3(i) = x1(D+1-i);endplot(x2);hold on plot(x3);hold offpause(0.5); end

??輸出的結果如下圖所示，可以看出當最左邊的墻距離發射波形不同相位時，反射信號與發射信號的相位差也在改變。因此相位法測距中相位差的產生和光速沒有任何關系，光在其中只是作為一種載體。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的相位式激光测距法中相位产生原理的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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