山东科技大学学士学位论文 绪论
相位式激光测距以后的章节将详细介绍，下面对脉冲测距、干涉法测距三角测量法作一些简单介绍。 1.1.1 脉冲测距
在测绘领域中的最早应用的激光技术便是脉冲法测距。由于激光的发散角小，激光脉冲持续时间极短，激光脉冲能量在时间上相对集中，瞬时功率很大(一般可达兆瓦)的特点，脉冲激光测距可以达到极远的测程。一般的脉冲激光测距机可测量数十甚至数万公里的距离。脉冲式激光测距机的工作原理是利用脉冲激光器向目标发射单次激光脉冲或激光脉冲串，计数器测量激光脉冲到达目标并由目标返回到接收机的往返时间，由此运算目标的距离。其本质是测量由发射激光到收到反射回的激光的时间差，由于反射物表面的高低不平及时间测量技术的限制，这种测距装置精度较低。
目前，脉冲激光测距在地形测量、工程测量、云层和飞机高度测量、战术前沿测距、导弹运行轨道跟踪、人造地球卫星测距、地球与月球间距离的测量等方面已得到广泛的应用。我国研制的对卫星测距的高精度测距仪，测量精度可达到几厘米。采用“锁模技术”[2]可以获得超短激光脉冲和极大的峰值功率输出。 1.1.2干涉法测距
干涉测距法原则上也属于相位法测距。它与后叙的相位测距法的区别在于它不是通过测量激光调制信号的相位来测定距离，干涉测距法是基于光波的干涉原理，利用各种干涉仪测距的方法。根据光的干涉原理，两列具有固定相位差，而且有相同频率、相同振动方向或振动方向之间夹角很小的光相互交叠，将会产生干涉现象，通过测量激光光波本身的干涉条纹
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变化来测定距离。
由于光的波长极短．特别是激光的单色性高，其波长值很准确，所以利用干涉法测距的分辨率至少为半波长，精度为微米级。利用现代电子技术还可以把干涉条纹细分到1%，因此干涉法测距的精度是任何其他测距法无法比拟的。激光的单色性使其光波带宽极窄，增加了光的相干长度，从原理上测程将大大提高。然而，由于这种方法只能测量反射镜的动态位移量，所以它仅用于测量相对距离，而不能测量绝对距离。因此这种测距技术的使用仍然有局限性。 1.1.3 三角测距法
将被测物面、激光光源及接收系统摆放在三个点，构成三角形光路，激光光源发出的光束经透镜聚焦照射到被测物面上，光线由物面散射，一部分被光电接收系统接收。为了能使光敏面清晰成像，在其前方加一聚焦镜头。如果物面发生移动，可根据三角形相似原理求出光敏面上光斑的移动。反过来，如果知道光敏面上光斑的移动量也可求出物面的移动量[3]。这即为三角测距法。
激光三角测距法适合于中近距离的测量，被广泛应用于物体的表面轮廓、宽度、厚度、位移及振动的测量。在实时动态测量中三角法由于其原理简单，构造容易，也被广泛采用。 1.1.4 相位式激光测距法
相位法激光测距是用连续调制的激光光束照射被测目标，通过测量光束往返中产生的相位变化，换算出被测目标的距离。具体的测距原理我们将在第二章进行讲述。相位式激光测距比较适合于较大距离的测量，在采
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用合作目标反射器，多把尺的情况下，可实现高精度的远距离测量。
1.2 激光测距的优点
由于激光光束具有下列特点：激光方向性好或准直性好；激光的单色性好，或者说相干性好，普通灯源或太阳光都是非相干光；激光的输出功率虽然有限，但光束细，功率密度很高，一般的激光亮度远比太阳表面的亮度大。因而激光测距仪也就有如下优点：
1、测距精度高
激光测距的精度与操作者的经验和被测距离无关，误差仅取决于仪器本身的精度。战术激光测距仪的误差在5m以内，科学实验的测距仪精度更高，例如，在月球上安装角反射器（合作目标），最好的测距记录是384401km，误差仅为10cm[2]。
2、体积小，重量轻，携带方便
军事上装备的激光测距仪，重量一般为10kg左右，最小的只有0.36kg，体积只有香烟盒那么大，激光由于方向性好，所以可以发射极窄的光束[2]。
3、分辨率高，抗干扰能力强
窄的光束和短的脉冲宽度，不仅使横向和纵向目标分辨率大大提高，而且不受电磁干扰和地波干扰，例如在导弹的初始阶段，微波测距由于严重的地波干扰而不能使用，激光测距却能得心应手[2]。
1.3 国内外研究及发展情况
最早的激光测距技术应用于军事中，1961年世界上第一台激光测距机于诞生在美国休斯飞机公司， 1962年第一台军用激光测距机成功地进行了示范表演，之后该公司相继研制成几种军用激光测距机在部队进行试验和
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鉴定，证明激光测距机可作为一种新的测距仪代替原装备的光学测距机。经过30年的发展，军用激光测距仪己经更新了两代，研制发展了三代。第一代激光测距机采用发射0.6943um红外红宝石激光器和光电倍增管探测器，因其隐蔽性差、效率低、体积大、重量重、耗电多，很快便被第二代激光测距机取代。第二代激光测距机采用发射1.06um近红外钕激光器和硅光电二极管或硅雪崩光电二极管探测器,比第一代隐蔽性好、效率高、小巧、耗电少，因此第二代激光测距机的小型化研制进展迅速。第三代激光测距机即人眼安全的激光测距机。目前已研制成工作波长为10.6um和1.54um的三种不同类型的各种型号的人眼安全激光测距机，己进入生产和应用阶段。与此同时激光测距技术也逐渐应用到民事领域。
从20世纪70年代初至今持续了近30年，国外许多大学，研究机构和公司都开展了这方面的研究工作。研究最早的是芬兰奥鲁大学电器工程系和芬兰技术研究中心，研究内容从各分系统到整机及其应用，并且与美国、俄罗斯几家著名公司联合开展了应用研究，其产品涉及工业、航天、海洋及机器人视觉等许多方面。美国有多家著名公司开展了这方面的研究，Schwartz Electro-Optics公司为美国国家数据中心研制了激光海浪测量装置，用于无人看守的海浪测量站；为美国联邦政府高速公路管理局研制了激光自动传感系统，用于车辆速度和高度的测量。1992年美国亚特兰大激光公司为警方专门设计的手持式人眼安全激光二极管测距机，用于对车辆的测距和测速。近十几年来，又有关于几家美国公司开展这方面研究的报道。1996年，美国Bushnell公司推出了测距能力400m的400型LD激光测距机Yardaga400, 1997年被评为世界100项重要科技成果之一，随后又推出了测距能力500m－1000m系列激光测距机。1998年美国Tasoc公司测距能力为800码的摄像机型Laserstie LD激光测距仪。最近几年美国LaserTech、Leica等公司也相继推出测距能力1000米，精度1米的手持式
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望远镜测距仪。1995年以来，国际上对人眼安全的半导体激光测距技术发展十分迅速，已开展了波长在800-900nm范围内，峰值功率为10W，脉冲宽度20-50ns、重复频率1-10kHz、测量距离10m-1km的激光测距机研究[4]。
国内激光测距仪样机的研究始于20世纪80年代，是在原固体、气体激光测距仪基础上发展起来的。目前，航天科工集团八三五八所研制出测程200m，精度±0.5m，重复率100Hz的激光测距仪。中科院上海光机所1996年研制出便携式半导体激光测距仪，工作波长为800-900nm，对漫反射水泥墙的测距达100m，采用300MHz计数方式，测距精度±0.5m，重复频率1kHz。中国计量学院1999年报道信息工程系光电子所与国外合作开发了低价、便携式半导体激光测距仪，工作波长为905nm，作用测距1km，重复频率100Hz，精度<±1m，在上海第四届科技博览会上获银奖。常州莱赛公司研制了作用距离200m、测距精度±0.5m的半导体激光测距仪。国内许多大学也在致力于对激光测量系统的研究。清华大学电子工程系多年来一直在对激光测距技术进行研究，2002年陈千颂、霍玉晶等人对激光飞行时间测距的若干个关键技术进行了总结，其中包括时间间隔测量技术、时刻判别技术以及激光相位测距的相位调制技术。2005年提出了一种新型脉冲激光测距方法，即自触发脉冲飞行时间激光测距方法，该方法有效地解决了传统脉冲激光测距法中存在的提高测距精度和缩短测量时间两者之间的矛盾。据报道2005年中南大学成功研制出激光平直度自动测量系统，达到国际先进水平、填补了国内的空白[4]。
1.4 课题的研究目的和意义
目前，在工业生产中，高精度激光测距仪是解决在实际测量中需要人工跑尺，以及在人无法到达的地方进行安全测距工作的有效方法之一。小
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