[激光原理与应用-43]：《光电检测技术-10》- 激光测距原理、方案与案例分析：TOF VL53L0X模块

第1章激光测距概述

1.1 什么是激光测距

1.2 激光测距的特点

1.3 激光测距仪的形态

1.4 测距的类型

1.5 常见品牌

1.6 应用

第2章测量原理

2.1 测量方法

2.2 测量方法分类

第3章案例分析1：科扬光电

3.1 外观

3.2 性能参数

第4章案例分析2：正点原子STM32 VL53L0X激光测距（淘宝）

4.1 产品选型

4.2 应用场景

4.3 产品指标

4.4 电路与外部接口

4.5 与上位机连接

4.6 Modbus支持

4.7 工作原理：

4.8 测量模式

4.9 测量精度

4.10 原理图

它山之石：

第1章激光测距概述

激光，英文名称为Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（简称LASER），意思为原子受激辐射的光，故称激光，激光的产生原理，是原子中的电子吸收能量后从低能级跃迁到高能级，再从高能级回落到低能级的时候，所释放的能量以光子的形式放出，被引诱（激发）出来的光子束（激光）。

激光与普通光源相比，具有单色性、高亮度、方向性等优势，被广泛应用于工业生产和科研实验等各个领域，激光测距便是其中应用较为广泛的一项技术。

1.1 什么是激光测距

激光测距（laser distance measuring）是以激光器作为光源进行测距。

根据激光工作的方式分为连续激光器和脉冲激光器。

氦氖、氩离子、氪镉等气体激光器工作于连续输出状态，用于相位式激光测距；

双异质砷化镓半导体激光器，用于红外测距；

红宝石、钕玻璃等固体激光器，用于脉冲式激光测距。

激光测距仪由于激光的单色性好、方向性强等特点，加上电子线路半导体化集成化，与光电测距仪相比，不仅可以日夜作业、而且能提高测距精度。

1.2 激光测距的特点

激光测距技术是一项非接触式的工业测量技术，与传统的接触式测距技术相比具有以下的特点：

（1）激光测距时，无需与测量表面进行接触，物体的表面不会产生形变

（2）激光测距时被测物体表面不会发生磨损，降低了额外的损失

（3）在很多特殊的环境下，没有条件用常规测量工具接触测量，只能使用激光测距技术

1.3 激光测距仪的形态

（1）手持激光测距仪

测量距离一般在200米内，精度在2mm左右。

这是使用范围最广的激光测距仪。在功能上除能测量距离外，一般还能计算测量物体的体积。

（2）望远镜式激光测距仪

测量距离一般在600-3000米左右，这类测距仪测量距离比较远，但精度相对较低，精度一般在1米左右。

主要应用范围为野外长距离测量。

（3）工业激光测距仪

测量距离在0.5-3000米左右，精度在50mm以内，300米外要加设反光板，部分产品还能在测距的同时测速。

主要应用于位置控制（如车辆和船舶）；定位起重机；装卸和搬运设备；飞机测量（测高仪）；冶金过程控制；测量不宜接近的物体（如管灌装物、管道、集装箱），以及水位测量。

典型的传感器有LDM301、LDM4x。

1.4 测距的类型

一维激光测距仪
用于距离测量、定位；
二维激光测距仪（Scanning Laser Range finder）
用于轮廓测量，定位、区域监控等领域；
三维激光测距仪（3D Laser Range finder）
用于三维轮廓测量，三维空间定位等领域。

1.5 常见品牌

1. 美国图雅得Trueyard
2.德国奥尔法ORPHA
3.美国博士能BUSHNELL
4.加拿大纽康NEWCON
5.日本尼康NIKON测距仪
6. 德国奥卡OPTI-LOGIC测距仪
7.英国真尚有LDM30X测距仪

1.6 应用

世界上第一台激光器，是由美国休斯飞机公司的科学家梅曼于1960年，首先研制成功的。美国军方很快就在此基础上开展了对军用激光装置的研究。1961年，第一台军用激光测距仪通过了美国军方论证试验，对此后激光测距仪很快就进入了实用联合体。

激光测距仪重量轻、体积小、操作简单速度快而准确，其误差仅为其它光学测距仪的五分之一到数百分之一，因而被广泛用于地形测量，战场测量，坦克，飞机，舰艇和火炮对目标的测距，测量云层、飞机、导弹以及人造卫星的高度等。它是提高坦克、飞机、舰艇和火炮精度的重要技术装备。

由于激光测距仪价格不断下调，工业上也逐渐开始使用激光测距仪。

国内外出现了一批新型的具有测距快、体积小、性能可靠等优点的微型测距仪，可以广泛应用于工业测控、矿山、港口等领域。

第2章测量原理

2.1 测量方法

激光测距是利用激光对目标的距离进行准确测定(又称激光测距)的仪器。

激光测距仪在工作时，向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。

通常精密测距需要全反射棱镜配合，而房屋量测用的测距仪，直接以光滑的墙面反射测量，主要是因为距离比较近，光反射回来的信号强度够大。

与此可以知道，一定要垂直，否则返回信号过于微弱将无法得到精确距离。

通常也是可以的，实际工程中会采用薄塑料板作为反射面以解决漫反射严重的问题。

激光测距仪精度可达到1毫米误差，适合各种高精度测量用途。

2.2 测量方法分类

激光测距目前主要的测量方法有：激光脉冲测距、激光相位测距、激光三角法测距等，不同的测量方法对应不同常用的测量范围和精度。

激光脉冲测距：主要应用于远距离测距，测量距离在km级以上，精度较低，一般是米级精度；

激光相位测距：适用于中长距测量，常用测量范围包括50米、150米、300米、以及500米不等，精度较高，一般是毫米级精度；

激光三角法测距：则一般用于短距离（常见测量范围在2米以内），高精度的测距任务，一般精度能达到微米级，但测量距离较为限制。

2.3 激光测距技术的原理

（1）激光脉冲测距离

激光脉冲测距法工作时，先由激光发射二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号，并将其转化为相应的电信号。通过测量光脉冲往返待测点的时间，乘以光速并除以2，计算出被测目标的距离，计算公式如下：

D=ct/2

D:测量点A、B间的距离，c：光速，t：光脉冲往返AB两点间1次所需时间，

（2）激光相位测距

激光相位测距的原理，是将一低频调制信号对发射激光的光强进行调制, 利用测定“调制光波”往返于被测距离的相位差, 间接求得待测距离D。其距离的一般计算公式为:

其中，Փ：调制光在距离为 2D 上的相位差, c : 调制光的传播速度, t : 调制光在待测距离往返一次所需要的时间, f : 调制光的频率。

在图中, A 表示调制光波的发射点, B 表示安置反射器的地点, A′表示所发出的调制光波经反射器反射后的接收地点。AA′两点间的距离即是待测距离D的2倍。故: Փ =N1 2π+ΔՓ1 , 由于N1并不是一个定值, 所以这可能引起多值解。为解决这一问题, 我们常采用多个频率的调制信号来测定同一距离。该频率在相位测距中也称为测尺频率，测尺频率的波长称为测尺长度，当被测距离小于测尺长度时, 则不存在多值解，由于测尺长度越大，测量精度就越低，所以出于精度的考虑，我们需要将测尺长度控制在合适的范围内。

（3）激光三角法测距

使一束激光以特定角度照射到待测物体的参考位置上，然后激光在待测物体上会发生散射、漫反射，将光敏传感器件放置在另一特定位置接收经透镜汇聚后的散射光、漫反射光。待测物体发生位移后，再使一束激光以特定角度照射到待测物体的待测位置上，将光敏传感器期间放置在同一特定位置接收此时的散射光、漫反射光，因为待测物体位移前后激光散射漫反射后的光路不同，光敏传感器件上光斑中心位置也不同，将前后两次光斑中心位置代入几何三角关系中，从而计算出物体的位移距离。

第3章案例分析1：科扬光电

3.1 外观

3.2 性能参数

精度：1m，适合远距离测量。

第4章案例分析2：正点原子STM32 VL53L0X激光测距（淘宝）

4.1 产品选型

4.2 应用场景

4.3 产品指标

分辨率：1mm

测量精度：1.6% ~ 7%, 如果是1m距离的误差在1.6mm~7mm。

实时性：串口或I2C读，因此是mm级别

代码：嵌入式软件和上位机软件的源代码、

4.4 电路与外部接口

外部主机有两种方法获取距离信息：

TTL URAT串口
II2C时钟线

4.5 与上位机连接

4.6 Modbus支持

4.7 工作原理：

VL53L0X 是 ToF 激光测距传感器，利用飞行时间（ToF）原理，通过光子的飞行来回时间与光速的计算，实现测距应用。

4.8 测量模式

正点原子的STM32F103ZET6精英版。

VL53L0X 传感器提供了 3 种测量模式，单次测量，连续测量，定时测量。

（1） Single ranging（单次测量） ，

在该模式下只触发执行一次测距测量，测量结束后，VL53L0X 传感器会返回待机状态，等待下一次触发。

（2） Continuous ranging（连续测量） ，

在该模式下会以连续的方式执行测距测量。一旦测量结束，下一次测量就会立即启动，用户必须停止测距才能返回到待机状态，最后的一次测量在停止前完成。

（3） Timed ranging（定时测量）

在该模式下会以连续的方式执行测距测量。测量结束后，在用户定义的延迟时间之后，才会启动下一次测量。用户必须停止测距才能返回到待机状态，最后的一次测量在停机前完成。

4.9 测量精度

注意：

针对不同的精度模式，测量时间也是有所区别的，测量精度越高，需要的测量时间越长。

（1）测量时间最快为高速模式：只需 20ms 内就可以采样一次，但精度确存在有±5%的误差范围。

（2）长距离精度模式下：测距距离能达到 2m，测量时间在 33ms 内，但测量时需在黑暗条件（无红外线）的环境下。

（3）高精度模式：3%误差，但需要较长的时间200ms。

所以在实际的应用中，需根据当前的要求去选择合适的精度模式，以达到最佳的测量效果。

4.10 原理图

它山之石：

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