潮科技一文了解激光测距

编者按：本文来自微信大众号“MEMS”（ID：MEMSensor），作者麦姆斯咨询，36氪经授权发布。

据麦姆斯咨询介绍，1960年世界上第一台红宝石激光器面世不久，以精细测距为首要方针的激光测距（Laser Ranging）技能便随之诞生了。激光测距最早是在军事上得到运用，随后凭仗其抗搅扰才能强、精度高级优势，在航天航空、修建测绘、风电职业、智能交通、工业制作等多个范畴都发挥着巨大的效果。

跟着工业自动化和机器视觉的快速开展，在检测、丈量和操控等许多运用中，激光测距已被证明为一种非常重要的非触摸式检测手法。一起，激光测距作为激光测速、激光盯梢、激光三维成像以及激光雷达（LiDAR）等高端技能的条件，正遭到越来越广泛的注重。麦姆斯咨询将要点介绍和讨论一下当时干流的几种激光测距法。

1. 激光测距法分类

依据根本原理，完成激光测距法可分红两大类：飞翔时刻（ToF）法和空间几许法，如图1所示。其间，飞翔时刻法测距又包括直接ToF法（脉冲式）和直接ToF法（相位式）；空间几许法首要包括三角法和干与法。

图1 激光测距法分类

2. 脉冲式激光测距——直接ToF法

脉冲式激光测距是激光技能最早运用于测绘范畴中的一种测距办法，其经过直接丈量发射光与接纳光脉冲之间的时刻间隔，获取方针间隔的信息，如图2。丈量间隔可表示为：

式中D为所丈量的间隔，c为光在空气中传达的速度，∆t为激光束从发射到接纳往复的时刻。

图2 脉冲式激光测距原理图

脉冲激光的发射角小，能量在空间相对会集，瞬时功率大，运用这些特性可制成各种中远间隔激光测距仪、激光雷达等。不过，因为脉冲式激光测距法经过一个高频率的时钟驱动计数器对收发脉冲之间的时刻进行计数，这就使得计数时钟的周期有必要远小于发送脉冲和接纳脉冲之间的时刻才能够确保满意的精度，因而这种测距办法不合适短间隔丈量。

现在，脉冲式激光测距广泛运用长间隔且对精度要求不高的丈量，比方地势地貌丈量、地质勘探、工程施工丈量、飞翔器高度丈量、人造地球卫星相关测距、天体之间间隔丈量等，如图3。

图3 脉冲式激光测距的运用

3. 相位式激光测距——直接ToF法

相位式激光测距运用无线电波段的频率，对激光束进行起伏调制并测定调制光往复一次所发生的相位推迟，再依据调制光的波长，换算此相位推迟所代表的间隔。该办法经过丈量相位差来直接丈量时刻，因而也被称为直接ToF法。

图4 相位式激光测距示意图

如图4，假定调制的频率为f，调制的波形λ=c/f，c为光速，测得调制光波信号在间隔D上往复传达所构成的相移为∆φ，那么可计算出激光在丈量点与方针间的往复时刻∆t=∆φ/2πf，所以得到被测间隔D为：

可是，当方针间隔D增大时，相位推迟的值有或许大于正弦调制光波的一个周期，即∆φ=2π（N+∆N），N和∆N别离为周期的整数部分和小数部分，所以此刻被测间隔D为：

其间，L=c/2f=λ/2称为测尺长度，相位测距可形象地以为用长度为λ/2的尺子去量间隔D，只需确认N和∆N就可求得间隔。小数部分∆N能够丈量取得，但N并不是一个定值，然后引起多解值问题。为处理这一问题，有必要选用多个频率的调制光波信号来测定同一间隔，该频率在相位测距中也称为测尺频率。假如被测间隔小于测尺长度，N=0，则解值仅有。在测相精度一守时，测尺频率越低，测距差错越大，这在高精度测距中是不允许的。与之相反，挑选的测尺频率越高，尽管丈量精度进步，但此刻的N值将大于1，存在多解问题，为处理这一对立，在实践运用中一般挑选一个决议仪器测距精度的测尺和决议测程的几个辅佐测尺，别离称之为精测测尺和粗测测尺，两者结合来取得高精度的丈量。

相位式激光测距丈量精度可达（亚）毫米级，丈量规模从分米到千米，因而被广泛运用于中短程测距。

图5 相位式激光测距的运用

4. 多波长干与激光测距

干与法测距是经典的精细测距办法之一，依据光的干与原理，两列具有固定相位差，并且有相同频率、相同的振荡方向或振荡方向之间夹角很小的光彼此交叠，将会发生干与现象。

图6 干与法激光测距原理图

如图6，为常用的迈克尔逊干与仪的原理示意图。由激光器发射的激光经分光镜分红反射光S1和透射光S2。两光束别离由固定反射镜M1和可动反射镜M2反射回来，两者在分光镜处汇组成相干光束。则组成的光束强度I为：

当间隔D=mλ（m为整数）时，组成的光束振幅最大，光强最大，构成亮条纹；当D=（2m+1）λ/2时，两束光的相位相反，二者振幅相抵消，光强最小，构成暗条纹。干与法激光测距便是依据这一原理，把明暗相间的干与条纹由光电探测器转化成电信号，经过光电计数器计数，然后完成对间隔和位移的丈量。

因为激光的波长λ单一且极小，干与法激光测距的分辨率可达nm，精度极高。但上述这种传统的激光干与测距技能仅丈量相对位移而无法取得方针的间隔信息，一起为确保接连丈量的精度，要求方针有必要沿固定导轨移动且光路不能中止。别的，由干与原理可知该丈量技能只能得到0到2π规模内的相位值，且考虑到激光往复间隔，相当于只能丈量λ/2规模内的间隔改变，更大规模的待测间隔将因无法确认相位的2π倍数而使丈量成果不确认。这个λ/2规模一般被称为激光肯定间隔丈量的不含糊规模。如下式：

其间D为被测间隔，m和ε为被测间隔内包括的干与条纹整数级次和小数级次。小数级次能够经过丈量取得，而m为不定值。

为了处理这一对立，一般选用多波长干与的办法，以到达高分辨率和扩展非含糊规模的要求。多波长干与丈量技能根本原理是用小数重合法及在其上开展组成波长的概念。

多波长干与测距法（MWI）始于上世纪70年代初美国科学家Wyant及Polhemus等人进行的双波长干与实验。该办法运用两束波长不同的激光λ1、λ2对不知道间隔一起进行干与丈量，带入上式被测间隔D中：

两式求解，则有：

其间为组成等效波长，ms和εs别离为λs干与条纹整数级次和小数级次。

若将该组成波长视作测距波长，其对应不知道间隔的相位信息为原有两波长的测距相位之差，以此可求解不知道间隔。并将间隔丈量的不含糊规模扩展到二分之一组成波长。从式中可知组成波长必定大于λ1和λ2。

同理，为统筹丈量规模与丈量精度，该办法以多测尺思维能够进一步开展，运用多波长激光一起进行间隔丈量，生成多级不同标准的组成波长。其间最长的组成波长用于完成最大的丈量规模，将其得到的测距成果作为较短组成波长的间隔参阅值，然后对这一级组成波长的测距成果进行解算，以此递推终究完成运用最大和最小的组成波长进行大规模、高精度的间隔丈量。

但该办法需求多个波长的激光，这意味着需求多个激光光源。考虑到每个激光光源都需求各自的激光稳频设备，一起多束激光需求高精度的光学合束，整套激光肯定间隔丈量体系结构较为杂乱，体系的可靠性和精度必定遭到必定程度的影响。

5. 调频接连波激光测距

调频接连波（FMCW）激光测距是另一种能够完成肯定丈量的干与丈量办法，它结合了光学干与和无线电雷达技能的长处。调频接连波丈量的根本原理便是经过调制激光束的频率来完成干与丈量。一般是运用输出激光束的频率随时刻改变的激光器作为光源，以迈克尔逊干与仪作为根本的干与丈量光路，依据参阅光和丈量光经过的光程不同而发生频差信息，提取信号再经过处理就可得到两束光的间隔信息，完成肯定间隔的丈量。

以锯齿波调制为例，它是频率跟着时刻成锯齿形线性改变的正弦信号，丈量光与参阅光的瞬时频率随时刻的改变曲线，如图7。

图7 锯齿波调频激光测距原理图

设参阅光的频率为ft，丈量光的频率为fr，调制宽带为∆F，调制周期为T，间隔为D，丈量光因为传输途径的不同相对于参阅光会有一个时刻推迟为τ，其间ft在f0和fm之间按锯齿波成周期性改变，那么ft和fr的表达式如下：

那么发生的拍频信号为fIF为：

所以被测间隔：

调频接连波激光测距以激光为载体，一切环境搅扰只是影响丈量信号的光强，而不会影响频率信息，因而能取得较高的测距精度和较强的抗环境光搅扰才能，精度可到达微米级，是现在大尺度高精度丈量运用中的研讨热门。不过该丈量办法对激光束频率的安稳度、线性度的要求很高，然后使得体系的完成较杂乱，并且丈量规模受周期T的约束，无法做到很大。

6. 三角法激光测距

三角法激光测距即光源、被测物面、光接纳体系三点一起构成一个三角形光路，由激光器光源宣布的光线，经过准直透镜聚集后入射到被测物体外表上，光接纳体系接纳来自入射点处的散射光，并将其成像在光电探测器灵敏面上，经过光点在成像面上的位移来丈量被测物面移动间隔的一种丈量办法。

图8 三角法激光测距示意图

按入射激光光束与被测物体外表法线的视点联系，一般分为斜射式和直射式两种测距方法，如图8。整体来讲，直射式激光三角法在几许算法上比斜射式更为简略，差错也相对小，且体积能够规划得更为紧凑细巧，在工业中多选用直射式激光测距。

比较相位式激光测距和调频接连波激光测距，三角法激光测距具有结构简略、测验速度快、运用灵敏便利、本钱低一级许多长处，不过三角法激光测距的精度会跟着间隔的添加逐步变差，并且因为激光三角测距体系中，光电探测器接纳的是待测方针面的散射光，这种测距方法一般合适室内近间隔作业，而不合适在户外强光布景或许室内强光布景下作业。因而三角法激光测距运用规模首要是小位移的丈量，广泛运用于物体外表概括、宽度、厚度等量值的丈量，例如汽车工业中车身模型曲面规划、激光切开、扫地机器人等。

图9 三角法激光测距的运用

最终小结，每一种丈量技能在丈量精度、丈量速度、丈量规模、体积本钱、体系杂乱度等方面各有优势，而在实践运用中，需求依据详细的运用场景，在满意所需丈量的精度和规模时综组本钱、操作最便利等要素，挑选最合适的丈量办法。