非合作目标相位式激光测距系统的测程估计

　　一、引言

　　在自动化制造业和机器人应用中,为了实现完全自动与自治,距离是必不可少的信息,其范围通常为零点几米到十几米。

　　测量距离的方法很多[1],对于上述的中程距离,综合测量速度、精度和可靠性几个方面来考虑,还没有其它的方法能够优于相位式激光测距法[2]。近几年,一些著名的研究机构都在研究该方法在自动制造业和机器人领域中的应用,并取得了许多成果[3,4]。

　　由于应用背景的特殊性,测距系统不能使用传统光电测距仪中的合作目标(即反射镜)获得返回光,而只能采用非合作目标,即利用被测物自身的反射特性获得返回光,因此接收光功率将大大降低。本文给出了非合作目标相位式激光测距系统的接收光功率表达式和接收系统的信噪比,研究了根据信噪比确定所需的接收光功率,从而估计测程的方法。

　　二、非合作目标相位式激光测距原理

　　本测距法是基于雷达测距原理,通过测量高频调幅发射波与返回波之间的相位差来测量距离。如图1,发射器与接收器同轴放置,发射器发出调制频率为fm的正弦调幅波,射到被测点p上,在物体表面发生漫反射,其中与发射波同轴的返回波被接收器接收。由于被测距离d的存在,发射波与接收波之间产生相位差φ,通过测量相位差φ,就可得到距离d

　　式中c为真空中的光速;调制频率fm通常在10MHz以上。

　　三、接收光功率表达式

　　下面利用传统的光度学理论来推导接收光功率的表达式。系统光能量的传输过程如图2所示。O为激光发射点,O′为有效接收面积Ar的中心点,R为被测距离,θ为测量方向与被测点法线pN的夹角。由于被测距离R很小(最大十几米),所以在以下推导过程中,忽略光传播过程中的大气衰减。

　　激光器发出准直激光,功率Pt,调制度Mt,发射系统光学透过率Kt,则发出的有效光功率P为

　　光经过被测距离R后到达被测点p,根据能量守恒,p处获得的光功率等于发射光功率P。假设p处为理想朗伯漫射面(实际物体表面大多数为非理想朗伯漫射面。但除纯镜面反射表面外,本推导过程对漫射表面都近似成立),反射率为ρ,则漫反射的光功率Pf为

　　因激光准直性好,所以p可看作一个光点,其漫射光功率Pf均匀分布在以p点为球心的半个球面上,则θ方向的光强Iθ为

　　因有效接收面积Ar远远小于被测距离R,所以在立体角Ω内,可以认为光强是均匀分布的。设接收系统的光学透过率为Kr,不计光传播过程中的大气衰减,则接收到的光功率Pr为

　　由(5)式可见,对于一定的被测表面反射率ρ、测量方向θ和距离R,为提高接收光功率,可以提高激光器输出功率、调制度,增加有效接收面积。但对于半导体激光器,由于采用的是注入电流直接调制,所以为保证工作电流在允许范围内,调制度Mt不能过大;增加Ar不但会增加体积和重量,还会增加多余的环境噪声,所以Ar的选择要适当;所以采用功率大些的激光器是提高接收光功率的有效措施。