激光传感器测距 一文深度了解激光测距传感器应用场景

纸|传感器技术

我们已经知道几种主要测距/距离传感器的原理和特性。其中，激光测距传感器因其抗干扰能力强、精度高，自诞生以来得到了极大的发展，在各行各业发挥着巨大的作用。

1960年，世界上第一台红宝石激光器问世不久，以精密测距为主要功能的激光测距技术诞生了。

第一台红宝石激光器

经过50多年的发展，其发展一般表现在两个方面:一是应用各种新技术和设备提高测距精度和观测数据量；二是提高测距系统的自动化程度，减少人力物力的消耗。具体来说:

1.测距精度从最初的米级逐渐提高到分米级和厘米级。目前，世界上最先进的台站的测距精度已经达到毫米级。

2.在测距能力方面，从1000~2000km的最大距离增加到2万km甚至3.6万km。随着激光测月的实现，测距能力达到38万公里。

3.测距频率已经从每秒一次发展到目前每秒1000 ~ 2000次，更高频率的激光测距也在试验中。

4.在测距波长方面，单色测距系统目前仍被广泛使用，部分台站还采用双色/多色激光测距系统。双波长激光测距系统不再需要大气物理参数和大气模型的校正，只需要测量结果本身来校正大气延迟，从而达到更好的数据精度。

5.在自动化程度上，从最初的手动视觉跟踪到今天的计算机控制和自动跟踪。

激光测距传感器在空间空探测中的应用

空之间的激光测距技术在监测大陆板块运动、地壳形变、地球自转、改善地球重力场和地心引力常数、确定地球与海洋之间潮汐变化规律、监测空之间的碎片等方面发挥着重要作用。它也是目前高精度卫星定位观测的主要手段之一，是单点采样精度最高的现代定位观测手段之一，是支持国际地球自转和参考系统服务的技术手段之一。卫星激光测距技术在以下应用领域取得了显著成就，具有广阔的应用前景。

激光卫星轨道的精确确定

卫星激光观测数据确定的轨道精度可在3天内达到1厘米；径向定轨精度可达2 ~ 2.5厘米。

重力场模型的精确测量及其时间变异性

在研究地球质心位置变化的过程中，利用激光技术测量出最精确的引力常数GM，其测量值为:GM = 398600.4415km 3/S2；利用不同轨道倾角和高度的激光卫星，精确测量重力场模型，测量重力场低阶球谐系数的季节变化，同时也得到地球质心位置的周期性变化，包括季节和年际变化。最新测量值为J2 =-2.6 * 10-11/年；地球重力场的变化反映了地球内部和各层的复杂运动和相互作用过程。)，具有重要的研究价值。

地球自转参数的精确测量

地球自转参数定义了地球的自转轴、其随时间序列的定向运动以及其在天体参考系中的自转速度。地球自转参数包括极移和LOD变化。用激光虎测量技术测量地球极移分量的精度目前已达到0.1 ~ 0.2 mas。LOD的测量精度目前已达到0.1ms。

监测全球地壳板块运动

利用长期激光观测数据可以精确测量地面站的地心坐标，而高精度的站坐标计算使人们监测板块运动成为可能。根据激光测距技术获得的数据，估计了40多个站之间的站速和基线变化率。如果工位位于板的刚性部分，其工位速度代表板的运动。板之间的相对运动可以通过使用站基线和站速度的变化率来计算。

海平面和冰盖地形的高精度测量

激光测距技术与其他空技术的联合应用。)将使以毫米精度测量海平面和冰覆盖地形成为可能。

空之间碎片轨道的确定和监测

激光测距技术可以精确测量空之间的碎片，确定碎片的轨道位置，为空之间的碎片监测和空之间的碰撞预警系统提供精确的轨道信息。

激光测距传感器在军事领域的应用

轻型便携式脉冲激光测距仪

轻型便携式脉冲激光测距仪包括步兵、炮兵侦察用手持式激光测距仪，以及具有正面侦察和正面对空控制-目标指示器双重用途的激光测距仪。对于上述系统，需要灵活、重复轻、尺寸小、使用电池组作为电源、可靠性和可维护性高以及单个产品成本低。

在现代战争中，从以前的单步兵、炮兵独立作战，到由步兵、炮兵、海军陆战队组成的特种部队联合作战，武器系统逐渐采用了由单地炮、高炮组成的多功能综合高技术。因此，激光测距仪已经从具有单一测距功能的便携式、手持式发展到用于激光测距和红外瞄准的昼夜观测仪器，以及用于激光测距、目标指示和红外瞄准的激光红外目标指示器。

地面车载脉冲激光测距仪

地面车载脉冲激光测距仪包括坦克、步兵战车、火控、防空、火炮或导弹制导火控，以及目前研制的地面车载激光测距仪——目标指示器等。其主要技术性能:最大射程4~10km，测距精度5 ~ 10 m，目标分辨率20m左右，重复频率0.1~1Hz，光束发散角0.4 ~ 1弧度。

激光测距仪在坦克火控系统中的应用是提供弹道在仰角上的修正信息、方位修正信息和逆风或目标运动引起的距离信息。步兵战车主要使用激光测距仪测量目标是否在反坦克导弹的距离内，然后用于火炮火控和目标分选。

空炮兵和导弹防御用脉冲激光测距仪

空防御用脉冲激光测距仪和具有自我保护措施的步兵战车空防御用脉冲激光测距仪应按照火控系统和作战系统的要求工作，为空距离和距离率内的中高速机动目标提供稳定的跟踪信息和距离信息，以对抗武装直升机、隐身飞机、巡航导弹和反辐射导弹的威胁。

这就要求激光测距仪提供相对较高的数据率和相对较高的距离精度，如最大射程4~20km，测距精度2.5 ~ 5 m，重复频率6~20Hz，光束发散角0.5 ~ 2.5mrad等。

机载脉冲激光测距仪

机载脉冲激光测距仪可用于为武装直升机配备导弹指挥制导和固定翼飞机，拦截光电飞机等目标，拦截飞机和导弹攻击。

机载脉冲激光测距仪的主要技术性能:射程远、测距精度高、重复频率高、光束发散角小。同时，机载设备应体积小、重量轻，并与导航空指示器共用。

因此，激光器必须使用高效循环液体作为冷却器，以满足高运行速度的要求，否则，应使用气体或混合气体进行增压冷却。

舰载脉冲激光测距仪

舰载脉冲激光测距仪的发展落后于轻型便携式、车载和反空防御型激光测距仪，包括水面舰载和潜艇隐身两大类。

水面舰载脉冲激光测距仪在技术性能指标上与车载火控和空防御激光测距仪相同，在环境使用上需要满足舰载sea 空、海面和海上盐雾加载的要求，而对体积、重量、电效率、维修能力和成本的要求并不严格。

因此，目前大量装备常规火控与防御空的舰艇正在涌现，如覆盖舰载机回收、红外热成像与电视组成的跟踪系统、全天候监测与跟踪空中的目标等独特的舰载应用，具有广阔的应用前景。

目前潜艇潜水脉冲激光测距仪采用两种组合。第一种是在其潜望镜中安装激光测距仪、图像增强器和热像仪，距离显示器和触发按钮安装在操作者上方或附近。

其优点是激光在传输路径上损耗小，但光束漂移，难以捕获目标；在第二种方法中，上述三个部分都安装在潜望镜的底部，使得整个系统易于安装、调试和拆卸。然而，使用这种方法的激光束必须穿过12米长的潜望镜管和15～20个透镜，从而导致很大的能量损失。

云高脉冲激光测距仪

用脉冲激光测距仪测量云的垂直高度的仪器称为云高激光测距仪。这种激光测距仪主要用于测量机场的云高，也可用于测量卫星发射点的云高，为飞机起降或卫星发射提供安全的气象数据。

这种脉冲激光测距仪能为边防军事基地、机场或军事卫星发射点的安全提供可靠的气象数据，是现代战争中不可缺少的仪器；如果用于为大型国际机场、小型商业民用机场和民用通信卫星发射点提供飞机起降或卫星发射的安全气象数据，将为国家经济建设和国际声誉的提高带来巨大的经济和社会效益。

激光测距传感器在智能交通领域的应用

激光测距技术在物联网智能交通中一些可能的应用方向主要包括激光速度传感器、汽车防撞系统、交通流量监测、车辆牵引、车辆和行人非法监控以及精密监控测量等应用。

汽车防撞检测器

一般来说，大多数现有汽车防撞系统的激光测距传感器使用激光束以非接触的方式识别前方或后方情况下目标汽车之间的距离。当车与车之间的距离小于预定安全距离时，汽车防撞系统紧急制动汽车或向驾驶员报警，或者通过综合目标汽车的速度、距离、制动距离和响应时间来实时判断和响应汽车的行驶，可以大大减少行驶事故。在高速公路上使用，其优势更加明显。

交通流量监测和车辆轮廓绘制

这种使用方式一般固定在高速或重要路口的龙门架上，激光发射和接收垂直于地面，指向车道中间。当车辆经过时，激光测距传感器可以实时输出被测距离值的相对变化值，进而绘制出被测车辆的轮廓。

这种测量方法一般只能使用小于30米的测距范围，对激光测距速率要求比较高，一般可以达到100 Hz。

这样可以在监测重要路段上取得很好的效果，并且可以区分各种类型的车辆。扫描车身高度的采样率可以达到每点10厘米。它能实时区分交通流的高度限制、长度限制和车辆分类，并能快速输出结果。

当没有车辆到达时，激光测距传感器测量距离常数，即从激光测距传感器到地面的距离。当车辆经过激光测距传感器下方时，距离值会发生变化。当距离值再次回到常数时，认为有车辆通过。这样，我们就可以监控通过一些路段的交通流量。

目前常用的方法是一段时间内交通流量的统计平均法，有很大的估计成分，而视频统计方法在实际应用中有很多困难。因此，激光测距统计方法为交通流量统计提供了一种可行的方案。

非法监控车辆和行人

因为激光测距传感器的光束并不是实质性的障碍物，所以用激光测距传感器监测路面时不会妨碍交通的正常运行。

因此，在一些禁止行人和车辆通行或停车的路段，激光束在平行于路面的一定高度发射或以一定角度扫描。当车辆非法停车闯红灯或行人非法越过护栏时，激光测距距离值发生变化，可发出报警或警告。

这种应用梁不一定太宽，但一般需要较长的测距距离，以保证一定截面长度的防护距离。这样构建的智能交通违章监控系统将在交通物联网中得到广泛应用。

激光测速仪传感器

激光测距传感器是交通管理领域最早的激光测距技术形式。由于其优异的性能，在实际应用中逐渐推广。激光测距传感器基于激光测距原理，以特定的时间间隔对被测物体进行两次测量，获得被测物体在该时间间隔内的距离变化，从而获得被测物体的移动速度。

激光测速仪可分为两种:固定式和移动式。固定式通常固定在路边或龙门架上，以相对较小的角度面向车辆。测量精度比较高，可以达到1 km/h，测速范围可以达到250 km/h，在这个应用中，测距范围不用太大，一般80到100米。

移动式激光测速仪对操作要求高，光束发散角一般大于3 mrad。鉴于激光测速原理，激光束必须对准垂直于激光束的平面反射点，而且由于车辆处于运动状态，车体平面不大，测速需要一定时间，只能作为临时测速取证。

激光测距传感器发散角小，便于测速和取证。与雷达多普勒测速仪不同，它不能在多车道测量中知道具体的超速车辆。由于激光测距传感器发射近红外光波，雷达探测器、电子狗等无法探测到。，而且不容易受到城市雷达杂波的干扰。

在最热门的无人领域，也是激光测距传感器施展才华的地方

谷歌无人驾驶汽车的一个“突出”特征是其车顶上方的旋转式激光测距仪，它可以发射64束激光束，帮助汽车识别道路上的潜在危险。激光强度高，可以计算200米内物体的距离，创建环境模型。

谷歌无人驾驶汽车

据负责无人驾驶汽车项目的总工程师塞巴蒂安·特隆称，整个系统的核心是屋顶上的激光测距仪。当设备高速旋转时，它向周围发射64束激光束。当激光击中周围物体并返回时，就可以计算出车身与周围物体之间的距离。

计算机系统根据这些距离数据绘制精细的三维地形图，然后将其与高分辨率地图相结合，生成不同的数据模型，供车载计算机系统使用。

汽车顶部的激光测距仪是整个系统的核心

无人系统绘制三维地形图

总结

其实激光测距传感器的应用范围远不止于此，在电力、水利、通信、环境、建筑、地质、警察、消防、爆破、导航、铁路、反恐/军事、农业、林业、房地产、休闲/户外运动等各个领域也有广泛的应用。

目前，激光测距技术正朝着小型化、结构简单、高精度和高应用范围的方向发展，特别是随着数字处理技术的发展，激光测距技术将变得更加完善。例如，先进的背景噪声抑制技术和三角测量技术的引入，可以使激光测距传感器在更复杂的条件下工作得更好。我们相信，随着技术的发展，激光测距传感器和激光测距技术将会得到越来越广泛的应用。

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