激光測距在云高儀中的應用

鄭迎賓

民航貴州空管分局，貴州貴陽 550012

0 引言

激光測距技術誕生于20世紀60年代初，是激光應用領域里最早最成熟的技術之一，它具有測量精確度準、分辨率高、抗干擾能力強等優點。在有測距需求的航空航天、氣象、軍事、交通管制等各行業中，各類激光測距儀的研制得到了很大的發展，測距性能日趨提高，測距技術日益成熟與完善。

1 激光測距原理

激光測距方法[3，4]根據測距系統是否需要加載光源可分為被動測距方法和主動測距方法。被動測距系統不需要加載光源，它是靠目標物的環境光束來確定距離信息，現主要應用在軍事探測領域。主動測距系統必須要有一個光源來照亮目標物，這種測距方法是當今主要應用的測距方法，它包括TOF（Time-of-Flight）法、三角法、干涉法等。TOF測距法根據所發的激光狀態不同，又可分為連續波激光測距（包括相位和調頻兩種方式）與脈沖激光測距。目前，市場上應用的激光測距設備大都采用相位測距和脈沖激光測距。

1.1 相位激光測距技術

相位激光測距技術，是將發射激光進行幅度調制，然后根據測定這個已調激光信號往返測距儀與被測目標物之間所產生的相位差，間接計算出待測距離。相位激光測距是一種有合作目標要求的測距方式，它一般要求在儀器的測距量程內安裝反射鏡，用以原路反射回激光光束，并由接收模塊進行接收處理。相位激光測距儀的原理圖如圖1所示。

圖1 相位激光測距原理圖

由圖1可知，若調制信號的角頻率為ω，待測距離為D，在D內往返一次的時間為t、相位移為φ，則有如下關系公式。

又 有 ω= 2π f , φ = Nπ +Δφ ， 帶 入 公 式（1） 得 ，D = (N π +Δφ ) ? c / 4πf（2）

式（2）中，

N為待測距離D中半波長的個數；

Δ? 為激光信號往返一次產生相位延遲中不足半波長的部分；

c為光速；

f為調制信號的頻率。

由于在此種測距方法中，N的值在激光信號發出并接收后不能確定，所以這種測距方式的最大缺陷是所測最長距離受限，由調制波的波長決定。然而，相位激光測距能準確測出半個波長內的相位差，這也成就了這種測距儀器的最大的優點：測量精度高，常用于精密測量。

1.2 脈沖激光測距技術

脈沖激光測距的技術，是利用激光發射器向被測目標發射窄帶激光脈沖，同時觸發計時模塊，當激光脈沖到達目標并經其表面反射被接收探測器接收后，停止計時，通過測量從發射到接收激光脈沖的時間間隔，來計算出目標物的距離。

式（3）中，

D為探測距離；

c為光速；

t為激光脈沖飛行的時間。

由此可知，在脈沖法激光測距中，在光速既定的情況下，脈沖激光測距將轉化為對激光脈沖飛行時間的測量。

1.3 脈沖激光測距系統構成

脈沖激光測距系統主要包括激光發射模塊、激光接收模塊、數字控制處理部分和光學系統。

激光發射系統主要是發射峰值功率高、發散角小的窄帶激光脈沖，在經過光系統進一步優化后射向探測目標。現在常用的激光測距儀的發射部分主要由激光發生器、激光電源和光學系統組成，這里的核心部分是激光發生器。

激光接收系統是接收被測目標物后向散射回來的微弱脈沖信號，經過光學系統處理后，被光敏器件接收轉換成電信號，并經放大處理，送到時間測量單元。一般的接收裝置主要由光學處理單元、光電二極管和低噪放大器組成。

數字處理控制部分主要包括時間測量單元和信息處理單元。時間測量單元，其主要作用是測量激光脈沖從測距機到被測目標往返一次的時間，并計算出的距離，這里得到精確的時間間隔至關重要，可通過多種方法進行測量精度的提高。信息處理單元的任務是把具有一定時間間隔的主回波信號經過搜索、跟蹤，形成主回波延時信號，并對其進行測量、計算轉化為距離信息。

2 激光測距在云高儀中的實現

2.1 測云原理

在現代氣象測距儀器中主要使用脈沖激光測距技術，當激光在低空大氣中傳播時，與大氣氣溶膠粒子相比較，大氣分子對激光束的散射是相當弱的，因此，應主要考慮氣溶膠粒子對激光光速的散射作用。云是由小水滴或冰晶凝結而成的粒子，它是一種特殊的氣溶膠粒子，對激光光束的散射更加強烈，激光云高儀就是利用云的這種散射特性來測量云高的。

當激光從大氣進入云層時，在云的邊界處發生強烈的散射作用，一些后向散射信號將被測云儀器的接收系統所探測到，并轉化為電信號，經過信息處理系統計算，即可得出包括云底高度在內的各種云層的特性信息。后向散射信號的強弱與發射激光的功率、云底高、云狀和接收系統的性能相關。通常情況下，探測較高的云層，激光飛行的距離就遠，接收機收到的后向散射信號就越弱，這樣，通過計算得出的云底高度就越大。反之亦然。

后向散射信號的強度可從下面方程得出（激光雷達方程）。

式（4）中，

Pr(z)為從距離z 處接收到的瞬時信號強度；

Eo 為有效的激光能量(考慮所有的光學衰減后) ；

c 為光的速度；

A 為接收機孔徑；

z 為所探測的距離；

β( z)為在距離z 處被測氣溶膠粒子的體積后向散射系數；

2.2 半導體激光云高儀

半導體激光云高儀是近年發展起來的，它的發射單元采用固態的近紅外激光二極管，接收單元一般采用量子效率很高的雪崩二極管，信息處理模塊采用數字信號處理技術，光學單元設計獨特，因而成為當前研究的一個熱點領域。芬蘭Vaisala公司生產的云高儀CL31 就是典型的半導體激光云高儀，它采用In-GaAs半導體脈沖激光二極管作為激光光源，激光波長為905nm，接收探測器采用雪崩光電二極管（APD），先進的增強型單鏡頭設計，確保了從地面零米起的極佳測量性能。

3 結論

激光測距技術的應用領域日益廣泛，技術不斷成熟與完善，新的應用產品層出不窮，這在氣象測距儀器中也越來越能體現出來，包括航空、航海等常用的各種測能見度儀、云高儀等。采用固態的近紅外激光二極管和DSP技術結合，再加上獨特的光學鏡頭設計，促使激光云高儀朝著小型化、分辨率高、監測連續性好的方向發展，可以相信激光測距技術在氣象探測儀器中應用會越來越廣泛。

[1]岱飲，宋文武，王希軍.高頻半導體激光器的驅動設計及穩定性分析[J].光學精密工程，2006，14(5)：745-748.

[2]李松，周輝，石巖，等.激光測高儀的回波信號理論模型[J].光學精密工程，2007，15(1)：33-39.