提高脈沖激光測距能力的方法探討

張灝燁（四川九洲電器集團有限責任公司，四川綿陽 621000）

提高脈沖激光測距能力的方法探討

張灝燁
（四川九洲電器集團有限責任公司，四川綿陽 621000）

由于激光具有高亮度和方向性、單色性好等特點，因此激光測距技術在國防和民用領域中正發揮著越來越重的作用，如何有效提升測距能力已成為研究的熱點。本文根據影響測距能力的主要因素分析，結合機載遠程激光測距系統面臨的技術難點，提出了提高激光測距系統測程的技術途徑，對機載激光測距機研制和性能提升具有一定的參考價值。

激光測距 單光子 多脈沖 相關檢測

激光測距具有方向性好、測距精度高、抗干擾能力強等優點，它能迅速、準確地獲得目標的距離數據，對提高防空、海上作戰，中近程精確打擊及攻擊武器的命中精度方面起關鍵作用。然而，由于大氣環境的制約和國內激光測距技術發展水平的限制，對非合作目標的作用距離一般為數百米至數十千米。因此，雖然激光測距技術具有很多優點，但在國內機載雷達裝備中仍處于輔助地位。這主要受限于目前作用距離較短，無法較好的滿足作戰使用要求。而隨著新一代防空、防天、反導武器系統和作戰體系的發展，作戰對象由對地攻擊戰斗機和近程導彈擴展到對遠程奔襲作戰飛機、巡航導彈、遠程彈道導彈和空間軌道目標。作為遠程目標預警探測、監視、跟蹤、識別傳感器系統重要組成部分的激光測距機，其探測距離也需延伸至數百公里，這無疑對激光測距機提出了嚴峻的挑戰。

因此，通過分析影響激光測距距離的因素來研究可有效提高激光測程的方法十分必要。

1　國內外現狀

1961年美國就成功的研制了世界上最早的紅寶石激光測距系統，1969年美國又首次將激光測距系統應用于坦克火控系統。自上世紀80年代以來，激光測距的發展趨勢為：①人眼安全；②小型化、標準化和固體組件化；③與其它光電儀器集成化；④研制遠程激光測距機［1］，其中，提高測距距離是重要趨勢之一。美國在90年代開始大力研究由紅外搜索/跟蹤（IRST）和激光雷達組成的主動/被動相結臺的光電預警探測傳感器系統。其“眼鏡蛇球”（Cobra Ball）預警機（RC-135C）加裝了測距能力達400km以上的YAG激光測距機，并于1998年服役。由美國林肯實驗室和海軍空戰中心為其戰區導彈防御系統研制的“門警”系統（Gatekeeper）也采用了IRST加激光測距系統的體制，其激光測距機采用Nd：YAG激光泵浦的KTP光參量振蕩器（OPO）作輻射源，工作波長1.57μm，脈沖能量600mJ，脈寬10ns，探測器為InGaAs APD，作用距離100～1000km。

圖1　多脈沖激光測距系統原理圖

國內在激光測距技術上起步較晚，兵器209所、航天8358所等研究院所也已成功研制出應用于各種裝備平臺的激光測距機，但在工程可靠性和遠程測距方面與國外裝備仍有不小差距。

2　影響測程的主要因素分析

對遠距離小目標激光脈沖回波接收功率方程為：

式中：Pt—激光器脈沖功率；

As—目標有效反射面積；

Ar—系統接收面積；

ρ—目標半球反射率；

τa—雙程大氣透過率；

τs—光學系統效率；

θt—激光束散角；

R—目標距離。

從測距方程可以看出，影響激光測距能力的主要因素有激光器性能（脈沖能量、脈寬等）、束散角、接收口徑、系統發射接收光學效率及回波信號處理能力等。

3　提高測程可采用的方法

從影響測距能力的因素來看，可提高測距距離的方法有：

（1）提高激光光源脈沖功率。隨著半導體泵浦固體激光器的日益成熟，由于其具有總效率高、壽命長、能量損耗較低、熱負載較少、頻率和輸出功率穩定性高等優點，已逐步取代了傳統的氙燈泵浦激光器，相同的尺寸和功耗下，脈沖輸出功率有了一定提高。雖然半導體泵浦固體激光器的轉換效率可達20%以上（傳統燈泵激光轉換效率約5%左右），但受機載使用時空間尺寸及重量的限制，追求高能量高重頻激光輸出時，仍要面臨散熱問題，通過提高脈沖功率對測距提升作用有限。

（2）加大接收光學系統口徑。加大光學系統接收口徑無疑可以增加激光回波接收率，從而提高作用距離，但測距機的體積、重量也會隨之增加，而這往往會受到設備裝機條件的限制，所以只能根據實際應用平臺條件適當增大接收口徑，不能對測程提升帶來質的飛躍。

（3）提高探測器靈敏度。通常測距系統采用工作于線性模式的雪崩光電二極管（APD）作為接收探測器。Si-APD和InGsAs-APD響應度一般為0.5～0.7（μA·μW-1），APD暗噪聲水平隨溫度升高而增加［3］，因此采用制冷型APD可有效降低探測器暗噪聲，從而提高測距距離，但APD的最小可探測功率一般為nW量級，一般無法達到上百甚至數百公里測距距離的靈敏度要求。

近年來蓋革模式的單光子探測器發展迅速，因其具有單個光子級的探測靈敏度，是未來遠程激光測距機傳感器應用的重要方向。在蓋革模式下的雪崩光電二極管（SPAD）的工作電壓稍高于擊穿電壓，這時反向電壓的增大會導致反向電流的急劇增大。只有在蓋革模式下，雪崩因子M才能大到足以捕捉單個光子，這樣的靈敏度是線性探測器所難以達到的，因此可以獲得比線性測距系統更遠的作用距離。但目前單光子激光測距技術仍處于研制階段，發展還不是很成熟。它對激光器的重頻、線寬等提出了更高的要求，同時由于其超高的靈敏度，在激光發射時光學器件上產生的散射光、閃爍效應等，即使是很少量的光，其強度就足以使探測器致盲甚至損壞［2］，所以光學系統的雜散光處理以及實際使用中的溫度控制、偏置電壓的控制等工程化問題還有待進一步發展和解決。

總之，通過使用制冷型APD器件或蓋革模式的單光子器件，提高接收探測器的靈敏度，是未來測距傳感器應用的趨勢，也是提升測距距離的有效措施之一。

（4）壓縮激光脈沖束散角。作用距離R反比于（θt）1/2，因此采用激光擴束光路壓縮束散角的措施效果突出，但束散角越小，對系統跟蹤瞄準精度的要求隨之增加，因此受限于光電系統跟瞄精度。

（5）激光發射接收光學效率。一般機載測距機采用紅外、激光共孔徑設計，激光發射接收光學效率受限于系統設計參數及目前光學元件的鍍膜水平，效率一般在0.5～0.7，改善的余地不大。

（6）回波信號處理提高信噪比，進而降低最小可檢測信噪比。上述前五種方式受限于實際應用中體積、重量要求、激光器研制水平、探測器性能及受系統跟瞄精度和準測率的約束。

一般激光測距機使用極窄的激光脈沖，發射脈沖寬度僅為幾ns，經大氣傳輸展寬后的回波脈沖的寬度也只有二、三十ns，而且激光回波信號很弱，容易淹沒在強噪聲中，因此， 激光回波信號的檢測成了一個關鍵的問題。

傳統閾值比較法檢測激光回波信號， 它將激光回波信號與閾值相比較，如果回波信號的幅值大于閾值，那么該信號為目標，否則為噪聲。這種測距方法只能工作在大信噪比的條件下，一般信噪比在10以上，影響激光測距機的作用距離和測量精度。而通過信號疊加和波形匹配數字濾波，以及多幀目標信號相關檢測等回波信號處理方式，從信噪比上提高信號提取能力，潛力大，可大幅度提高測距能力。

多脈沖累加能明顯提高信噪比，這種信號積累算法是應用于雷達信號檢測和處理的經典算法，在微波雷達領域該技術已經成熟，并得到廣泛應用。隨著高重頻半導體泵浦固體激光器和高速A/D采樣、DSP等數字信號處理技術的發展，多脈沖技術已成功應用于遠程激光測距機中。如前文中提到的“門警”系統中，最早應用了多脈沖激光測距技術，采用每組3個脈沖，脈沖間隔8 ms。

多脈沖測距技術實現的基礎是激光器的發射方式，不同于常規單脈沖激光測距，它每次發射一串脈沖間隔為幾百μs的脈沖，并通過對接收的脈沖串激光回波信號進行相關處理后得到目標距離［4］。

目標激光回波的時間相關性主要取決于相鄰脈沖的間隔，相鄰脈沖信號的時間相關性從相鄰兩個激光脈沖回波信號相對發射信號（主波）的時間差△t來確定：

式中，v為目標相對測量點的視線距離變化速度；tp為相鄰兩激光脈沖時間間隔；c為光速。對于飛行速度為2Ma的目標來說：tp取300μs，則由上式得出△t=1.36ns，遠小于激光信號寬度（一般10ns以上），可有效地實現對回波信號的相關處理，如對數字采樣信號進行迭加和根據多次回波迭加后的波形特征進行波形匹配濾波，可以將信噪比提高數倍。

1）信號迭加。把脈沖回波信號按照周期進行同步迭加，利用信號的相關性和噪聲的不相關特性，抑制噪聲，提高信噪比。

2）波形匹配數字濾波。將信號迭加處理后，進一步采用波形匹配濾波，將與標準波形差異大的噪聲濾掉。

根據隨機過程理論，濾波后的噪聲方差為：

運算后得：

式中，Bk（iτ0）為自相關函數，σ為噪聲均方根噪聲值。

對于多脈沖測距系統，由于原始噪聲脈寬比多個回波信號迭加后的脈寬小得多，而采樣頻率周期與電路響應時間相近，因此，上式第二項相對第一項小得多，可以忽略，所以濾波后的噪聲均方值可以認為等于。

3）多幀目標信號相關檢測。在對單幀（一個脈沖串目標信號為一幀）脈沖串信號進行相關處理的基礎上，進一步采用多幀目標信號相關處理來剔除假目標，降低檢測閾值和提高檢測概率。多幀目標信號相關檢測，是將當前檢測出的目標信號的特征參數與目標鏈中存儲的潛在目標的特征參數進行比較的過程。若當前預選目標與目標鏈中的某一潛在目標特征參數之差小于允許門限，則認為兩者是匹配的，屬于同一目標。

通常以最小可探測功率來衡量激光測距機的探測能力，使用上述理論分析，多脈沖測距相比單脈沖測距，最小可探測功率可增加1個數量級以上，因此可在不增加系統體積重量等前提下，顯著提升測距距離。而高速AD和DSP器件發展，也為多脈沖測距技術的實際應用提供了硬件實現基礎。

圖1為多脈沖激光測距系統原理圖，采用數字信號處理器（DSP）+現場可編程邏輯門陣列（FPGA）的結構，處理能力強大，可滿足多脈沖激光測距的實時要求。

4　結語

本文針對影響測距能力的主要因素進行了分析，對各種提高測程的方法進行了探討，重點對從提高回波信號處理能力方面提升測程的方法進行了梳理。隨著電子技術不斷發展和工藝生產技術提升，遠程激光測距技術將越來越成熟。在未來現代化戰爭或局部戰爭中，遠程激光測距技術在精確制導、光電預警、綜合火控、目標探測跟蹤等方面將發揮越來越重要的作用。

［1］許中園，孫勝利，陸衛.基于單光子技術的激光測距系統幾個問題的討論.激光與紅外，2008（38）：531-534.

［2］于彥梅.激光測距機及發展趨勢.情報指揮控制系統與仿真技術，2002（8）：19-21.

［3］譚顯裕.脈沖激光測距儀雪崩光電探測器最佳工作狀態和接收靈敏度研究.光電子技術， 2001，21（2）：129-137.

［4］鐘聲遠，李松山.脈沖串激光測距技術研究.激光與紅外，2006（36）：797-799.

張灝燁（1982—），男，江蘇無錫人，漢族，碩士學歷，工程師，研究方向：激光雷達與光電探測技術。