脈沖激光測(cè)距技術(shù)研究

四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司 馮 波

本文基于對(duì)脈沖激光測(cè)距技術(shù)的了解，闡述了激光測(cè)距原理方法，對(duì)脈沖激光測(cè)距的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行了分析。同時(shí)搭建了脈沖激光測(cè)距驗(yàn)證樣機(jī)，通過(guò)光纖延時(shí)法模擬激光測(cè)距，并通過(guò)國(guó)軍標(biāo)消光比法驗(yàn)證了激光測(cè)距機(jī)的最大測(cè)程。

1 激光測(cè)距原理方法

激光測(cè)距的原理是激光發(fā)射模塊發(fā)射激光射向遠(yuǎn)處目標(biāo)，通過(guò)對(duì)目標(biāo)反射回來(lái)的激光信號(hào)進(jìn)行相關(guān)解算，最終得出目標(biāo)物的距離。

根據(jù)不同的時(shí)間測(cè)量方式，激光測(cè)距可分為以下兩種方法：第一，脈沖激光飛行時(shí)間測(cè)距法，具體是通過(guò)計(jì)算激光發(fā)射與回波脈沖接收時(shí)刻的時(shí)間差來(lái)計(jì)算距離值；第二，調(diào)制波相位測(cè)距法，主要是通過(guò)對(duì)連續(xù)波激光信號(hào)相位調(diào)制，在此基礎(chǔ)上，對(duì)調(diào)制波往返目標(biāo)與測(cè)距機(jī)產(chǎn)生的相位差進(jìn)行解調(diào)計(jì)算出距離值。

2 脈沖激光測(cè)距關(guān)鍵指標(biāo)分析

脈沖激光測(cè)距的關(guān)鍵指標(biāo)有最大作用距離、測(cè)距精度、準(zhǔn)測(cè)率和虛警概率等，下面分別對(duì)其進(jìn)行分析。

2.1 最大作用距離

激光雷達(dá)方程是表示發(fā)射的激光功率與接收到的激光功率之間關(guān)系的方程，其表達(dá)式為：

Pr為接收光功率（W）；Pt為激光發(fā)射功率（W）；A為朗伯面的面積（m2）；ρ目標(biāo)反射系數(shù)；D為接收器口徑（m）；R為測(cè)距機(jī)到目標(biāo)的距離；ta為大氣透過(guò)率；η1為發(fā)射器光學(xué)系統(tǒng)效率；θt為光束發(fā)散度（rad）；η2為接收器光學(xué)系統(tǒng)效率。

由此計(jì)算出激光測(cè)距最大作用距離為：

如上方程所示，要想提高最大作用距離，可以使用提高探測(cè)器響應(yīng)度，提高發(fā)射功率，提高發(fā)射、接收效率，增大接收天線面積，增大目標(biāo)反射截面，減少束散角等方法，大氣透射率是系統(tǒng)不可決定的因素，在此不作討論。其中，提高激光發(fā)射功率受限于系統(tǒng)體積、重量、功耗和散熱條件；提高發(fā)射接收效率的提升空間有限；增大接收天線面積同樣受體積、重量限制；增大目標(biāo)反射截面受目標(biāo)類型限制；減少束散角受系統(tǒng)跟、瞄精度限制。最簡(jiǎn)單易行的措施采用高靈敏度的探測(cè)器來(lái)提高接收功率，從而提高作用距離。

2.2 測(cè)距精度

激光測(cè)距的誤差主要來(lái)自時(shí)間測(cè)量的誤差，這種誤差通常分為兩種：第一，靜態(tài)誤差，包含延遲誤差、脈寬誤差等。延遲誤差主要由FPGA方式控制，這種誤差能夠通過(guò)使用定位距離和系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果校正；不同的目標(biāo)對(duì)激光的反射系數(shù)不同，對(duì)應(yīng)的脈寬會(huì)隨之發(fā)生變化，壓窄激光脈沖可減小脈寬誤差；第二，隨機(jī)誤差，包含抖動(dòng)誤差、時(shí)鐘誤差、噪聲誤差。使用高速運(yùn)轉(zhuǎn)的比較器可以將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)VDS信號(hào)將抖動(dòng)誤差降低至最小。系統(tǒng)中的時(shí)鐘數(shù)值為脈沖系統(tǒng)測(cè)試的基礎(chǔ)，使用FPGA時(shí)鐘計(jì)時(shí)能夠確保測(cè)試精度。電路系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)噪聲，探測(cè)器對(duì)回光信號(hào)響應(yīng)電流較小，這兩種信號(hào)混合容易造成數(shù)值統(tǒng)計(jì)偏差，因此對(duì)電路進(jìn)行抗噪處理非常重要。

2.3 準(zhǔn)測(cè)率和虛警概率

平均虛警率FAR是每秒鐘輸出噪聲電流超過(guò)探測(cè)閾值It的平均次數(shù)，可表示為：

當(dāng)有激光信號(hào)輸入時(shí)，設(shè)輸出端的信號(hào)電流分量為Is，則探測(cè)概率PD就是在信號(hào)達(dá)到峰值時(shí)，信號(hào)加噪聲超過(guò)閾值It的概率，則探測(cè)概率可由式得：

其中：It/Irms為閾值噪聲比；Is/Irms為信噪比；τ為脈沖信號(hào)寬度；erf(x)為概率積分函數(shù)（誤差函數(shù)），且為單調(diào)遞增函數(shù)，由式中可見(jiàn)，信噪比的增加將導(dǎo)致檢測(cè)概率的提高。

3 脈沖激光測(cè)距機(jī)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證脈沖激光測(cè)距關(guān)鍵技術(shù)，搭建脈沖激光測(cè)距驗(yàn)證樣機(jī)，設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：

激光器指標(biāo)：工作波長(zhǎng)1064nm；能量100mJ；脈寬10ns；頻率10Hz；激光束散角0.4mrad；激光發(fā)射光學(xué)效率≥0.8；激光接收光學(xué)效率≥0.8；激光接收視場(chǎng)角0.5mrad；濾光片帶寬6nm；激光接收光學(xué)系統(tǒng)口徑120mm；雪崩光電二極管的響應(yīng)度0.5A/W；激光測(cè)距機(jī)最大測(cè)程30km。

激光測(cè)距驗(yàn)證樣機(jī)由三個(gè)系統(tǒng)組成：激光發(fā)射系統(tǒng)、激光接收系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)。

激光發(fā)射系統(tǒng)工作流程：激光器發(fā)射脈沖激光經(jīng)過(guò)分束鏡，分成兩束激光光束，一束激光經(jīng)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束之后照射到目標(biāo)，作為測(cè)距光源；另一束光照射觸發(fā)APD作為提供計(jì)時(shí)起始信號(hào)。

激光接收系統(tǒng)工作流程：發(fā)射到目標(biāo)的激光由目標(biāo)反射后，經(jīng)過(guò)接收光學(xué)系統(tǒng)對(duì)回光信號(hào)接收和光譜濾波后，由回光探測(cè)器采集光信號(hào)。

信號(hào)處理系統(tǒng)工作流程：當(dāng)激光器出光以后，利用出光探測(cè)器檢測(cè)該信號(hào)，將檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理放大、AD驅(qū)動(dòng)、AD然后送入FPGA作為回光探測(cè)器的觸發(fā)信號(hào)；同時(shí)，利用回光探測(cè)器將檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行相同方式的變換處理，送入FPGA，作為回波信號(hào)，利用脈沖飛行時(shí)間計(jì)算出目標(biāo)距離，并將信號(hào)送到上位機(jī)。

4 脈沖激光測(cè)距試驗(yàn)分析

4.1 光纖延時(shí)法模擬測(cè)距試驗(yàn)

光纖延時(shí)法模擬測(cè)距是利用一定長(zhǎng)度的光纖、光纖衰減器和脈沖激光器，通過(guò)光波在光纖中傳播實(shí)現(xiàn)時(shí)間的延時(shí)，通過(guò)光纖衰減器把信號(hào)衰減到臨界測(cè)距狀態(tài)，從而達(dá)到模擬測(cè)距的目的。光學(xué)延時(shí)法模擬測(cè)距的優(yōu)勢(shì)在于在內(nèi)場(chǎng)使用，沒(méi)有外界干擾，且光纖傳輸路徑環(huán)境純凈，所以光學(xué)信道的參數(shù)都是能精確描述的，通過(guò)調(diào)節(jié)光纖衰減器的衰減分貝值即可模擬激光信號(hào)在大氣中的傳輸情況。

試驗(yàn)中采用6km長(zhǎng)的單模光纖用激光測(cè)距機(jī)進(jìn)行模擬測(cè)距：通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)時(shí)間的延時(shí)，利用光纖衰減器把信號(hào)衰減到臨界測(cè)距狀態(tài)，減小激光發(fā)射能量，使測(cè)距準(zhǔn)測(cè)率在40%～60%。在激光出光口加入80dB衰減器，在激光輸出能量≥10mJ時(shí)，激光測(cè)距機(jī)穩(wěn)定的輸出距離值5.94km，準(zhǔn)測(cè)率100%；在激光輸出能量約5mJ時(shí)，信號(hào)處理系統(tǒng)輸出距離值5.94km，準(zhǔn)測(cè)率在40%～60%之間，達(dá)到國(guó)軍標(biāo)定義的臨界狀態(tài)。

通過(guò)分析得出：光纖距離模擬器在理論和實(shí)踐上都是可行的，加上可以控制的干擾源后，完全可以作為激光測(cè)距技術(shù)的距離模擬器。

4.2 國(guó)軍標(biāo)消光比法測(cè)距試驗(yàn)

依據(jù)國(guó)軍標(biāo)脈沖激光測(cè)距機(jī)最大測(cè)程模擬測(cè)試方法，通過(guò)在激光測(cè)距機(jī)發(fā)射光路中插入衰減片以測(cè)量衰減度來(lái)模擬測(cè)試最大測(cè)程，當(dāng)實(shí)際衰減的分貝數(shù)大于理論計(jì)算的衰減分貝數(shù)時(shí)，判定為可以達(dá)到最大測(cè)程。國(guó)軍標(biāo)消光法定義的最大測(cè)程模擬測(cè)試消光比公式為：

式中，ρ0為模擬測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)靶面的漫反射系數(shù)，ρ為戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)漫反射系數(shù)，R0為模擬測(cè)試靶標(biāo)靶面的測(cè)程，Rmax為激光測(cè)距機(jī)的最大測(cè)程，Gmax為接收放大器的最大增益，G(Rmax)為接收放大器在Rmax處的增益，α0為最大測(cè)程模擬測(cè)試時(shí)的大氣衰減系數(shù)，ɑ為戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)規(guī)定的大氣衰減系數(shù)。

試驗(yàn)中在遠(yuǎn)處放置一個(gè)反射率在0.8～0.9的標(biāo)準(zhǔn)靶板，將衰減片插入激光測(cè)距機(jī)出光口，對(duì)準(zhǔn)模擬測(cè)試靶面測(cè)距，保證激光光斑完全置于靶面上。激光測(cè)距值穩(wěn)定顯示655.82m，然后增加衰減片的數(shù)量和調(diào)整激光能量，使準(zhǔn)測(cè)率達(dá)到“臨界穩(wěn)定測(cè)距狀態(tài)”的60%～80%之間。

在對(duì)標(biāo)準(zhǔn)靶板測(cè)距時(shí)，ρ0=0.8；ρ=0.4；R0=0.655km，Rmax=30km；V0=7km；α0=0.38；V=23km；α=0.117，代入公式得到最大測(cè)程消光比S為91.3。

激光測(cè)距機(jī)對(duì)靶板最大測(cè)程臨界穩(wěn)定測(cè)距的衰減度為：

激光測(cè)距機(jī)實(shí)際的衰減度大于國(guó)軍標(biāo)消光比法理論計(jì)算值，說(shuō)明激光測(cè)距機(jī)的最大測(cè)程大于30km。