摘要：激光测距仪是利用激光器来对距离进行准确测量的仪器。相位式激光测距仪工作时会向目标发射一束准直光，由感光元件接收目标漫反射回的光，计算准直光从发射到接收的时间，从而算出从观测者到目标的距离。本文利用相位式测距原理的激光测距仪，在无合作目标测距时，采用可见激光进行瞄准，这对激光光斑有非常高的要求，激光的准直程度是指光斑在被测目标上的大小，这直接影响到测距精度和测程，所以，激光测距的发射光学系统的设计至关重要，解决这个问题对提高无合作目标的测程和精度都是十分有益的。
关键词：无合作目标；激光；相位测距；激光准直
1 无合作目标相位激光测距原理
将相位式测距系统中的发射器和接收器同轴放置，发射器发出的是调制频率为的正弦调幅波，当发出的激光照射到待测目标点时，物体的表面会发生漫反射，这中间的与发射波同轴的返回波会被探测器所接收。由于发射波和接收波之间会产生一个相位差，记为，通过测试相位差，就可以得到要测量的距离d。；其中，c是真空中的光速；为系统的调制频率，通常在10MHz以上。测距仪的测距能力是由从被测目标反射回探测器的光能量的多少来决定的。由此探测器接收的最大功率的表达式就是；其中，D是接收透镜直径，是发射光学系统透过率，是接受光学系统透过率，P是发射激光平均功率，是被测物反射率，是被测点法线和测量方向之间的夹角，是大气衰减系数，d是被测距离。上式是假定反射光照射在目标上产生漫反射，实际调制时一般都采用大口径长焦距平行光管，这就可以使可见激光光源在无穷远处的成像同接收光纤或APD所成的像相重合，接收光纤或者APD都可以用可见光对其表面进行照射，这样在平行光管里就能观察到它的像。
在短程测距时，一般不需要在被测目标上单独放置像棱镜之类的合作目标，只需要利用接收器直接来接收物体表面的漫反射信号，从而实现测距功能，也就是我们所说的无合作目标测距。便携式无合作目标的激光测距仪体积一般较小，使用方便，主要应用于家庭或室内装修测距。为了提高测距精度，减小结构尺寸，通常通过减小激光光斑来提高光学系统的性能。
2 激光测距光学系统设计原理
激光光束截面中的光强是不均匀分布的，光束波面上的各点的振幅不等，振幅A和光束截面半径r的函数关系为；其中，是光束位于截面中心的振幅；是光束截面半径相关参数。从公式中看出光束波面的振幅A是呈高斯函数分布，因此激光光束也称为高斯光束。高斯光束存在一定的发散角，对于激光测距来说，光束的发散角是越小越好的，发散角近似公式为，其中是指激光波长，称为高斯光束束腰半径，经过透镜变换，系统发散角和束腰半径分别是，；由此得出 ；z是指光束的传播距离， 为该光学系统的焦距，由上式可知，不论z和如何取值，，这就说明，高斯光束经过单个透镜的变换之后，是不可能得到平面波的，但是当时，就可得到说明与和相关，要减小和增大。为此，激光准直系统在大多数情况下都采用两次透镜变换，第一次透镜变换用来压缩高斯光束的束腰半径，常用短焦距聚焦透镜；第二次变换透镜焦距要相对较大由此减小高斯光束的发散角。
3 发射光学系统设计
发射光学系统设置基本参数为激光工作波长：=650nm；激光光斑大小：50m/6mm,100m/12mm；激光发射有效孔径：=5mm。
根据上述原理可知，激光测距发射系统实际就是一个常用的倒置望远镜的激光准直系统，该系统由两个双凸透镜组合而成，通过计算得出第一透镜系统的焦距为30mm，由准直系统的计算公式可得第一组透镜的第一片镜面的曲率半径即为系统焦距30mm，第二组透镜系统应为大焦距系统，经试验曲率半径设为50mm，同时，为了达到更好的准直效果，设置第一组透镜的像方焦点和第二组透镜的物方焦点重合，由此得到原始的激光测距发射光学系统结构参数：透镜厚度1mm，透镜类型BK7；两组透镜间距79.978mm，透镜与成像平面距离97.34mm。在此基础上，采用光学系统设计软件ZEMAX进行优化设计，减小光束光斑。
首先，原始系统点列图分布均匀，说明激光经过系统后输出的为平行光，其次，由RMS值算出系统的发散角为0.005045°。第一步对焦距进行优化，设定优化函数EFFL，目标值1000mm，变量为第一组透镜前后表面的曲率半径，因为激光经过第一组透镜要汇聚到像方焦平面上，对系统起到了至关重要的作用，所以将变量设定为该组透镜两片镜面的曲率半径，优化后RMS值为2889.04，系统发散角为0.0030°。第二步继续优化焦距，目标2000mm，因为同时设两个变量对系统影响较大，所以减少变量为第一组透镜前表面曲率半径。此时RMS值为2891.37，系统发散角为0.0015°。进一步增大焦距至5000mm，优化的变量同上。并且为了使后续优化过程不会发生大幅失真，先优化一下系统球差，因为球差越小，系统越稳定，所以将球差尽可能的降到最小。于是设变量为第一组透镜前后镜面的曲率半径以及厚度和第二组透镜前后面的曲率半径，然后在优化焦距的同时再增加一个目标球差(SPHA)。Zemax软件针对点列图中均方根RMS的值有两种优化函数，RSCH（主光线的RMS斑点的尺寸）和RWCH（主光线的RMS波前差），第三步优化变量为第一组透镜前后面的曲率半径和厚度，以及第二组透镜前后面的曲率半径；优化目标在上一次的优化基础上增加参量RSCH和RWCH，优化后系统并未发生失真。第四步优化变量同上，优化目标在上述基础上增加变量彗差、以及第二、三面的球差。此时系统特性未发生任何变化，说明已经优化到最佳值了，此时RMS的值为1207.56，系统的发散角为0.000149°，焦距为50000mm。
4 接收光学系统设计
本文主要研究无合作目标激光测距仪光学系统，因为没有合作目标，所以只能靠物体漫反射，但是漫反射回的光信号十分微弱，通常只有几纳瓦，而且还会有背景光带来的干扰。所以由激光理论可以分析出，接收光学系统实际上就是对高斯光束进行聚焦。由近轴的光学成像的牛顿公式可以推导出：；是束腰的横向放大率，如果，也就是入射光束的束腰远离透镜，那么出射光数的束腰半径，即光束可以获得更高质量的聚光焦点，由高斯光束的透镜变换可以得出；由上式可知聚焦光点在的透镜的像方焦面上。当然，这个聚焦光点的大小是我们近似求到的，而实际来说聚焦光点不可能是零，总会有一定大小的，根据下式：；当时，就能得到；因此，；所以可知，除和z有关系外，还和有关，要是想获得很好的聚焦光点的话，一般应尽量选用短焦距的透镜，意思是的比要尽可能小。
根据以上的理论分析可以得出，在生产实践中，激光测距仪接收光学系统的焦距为79.8mm，有单透镜材料F2就可以，有效直径设为42mm，经过实验分析，系统效果非常不错。
参考文献
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