脈沖激光測距技術研究

四川九洲電器集團有限責任公司 馮 波

本文基于對脈沖激光測距技術的了解，闡述了激光測距原理方法，對脈沖激光測距的關鍵指標進行了分析。同時搭建了脈沖激光測距驗證樣機，通過光纖延時法模擬激光測距，并通過國軍標消光比法驗證了激光測距機的最大測程。

1 激光測距原理方法

激光測距的原理是激光發射模塊發射激光射向遠處目標，通過對目標反射回來的激光信號進行相關解算，最終得出目標物的距離。

根據不同的時間測量方式，激光測距可分為以下兩種方法：第一，脈沖激光飛行時間測距法，具體是通過計算激光發射與回波脈沖接收時刻的時間差來計算距離值；第二，調制波相位測距法，主要是通過對連續波激光信號相位調制，在此基礎上，對調制波往返目標與測距機產生的相位差進行解調計算出距離值。

2 脈沖激光測距關鍵指標分析

脈沖激光測距的關鍵指標有最大作用距離、測距精度、準測率和虛警概率等，下面分別對其進行分析。

2.1 最大作用距離

激光雷達方程是表示發射的激光功率與接收到的激光功率之間關系的方程，其表達式為：

Pr為接收光功率（W）；Pt為激光發射功率（W）；A為朗伯面的面積（m2）；ρ目標反射系數；D為接收器口徑（m）；R為測距機到目標的距離；ta為大氣透過率；η1為發射器光學系統效率；θt為光束發散度（rad）；η2為接收器光學系統效率。

由此計算出激光測距最大作用距離為：

如上方程所示，要想提高最大作用距離，可以使用提高探測器響應度，提高發射功率，提高發射、接收效率，增大接收天線面積，增大目標反射截面，減少束散角等方法，大氣透射率是系統不可決定的因素，在此不作討論。其中，提高激光發射功率受限于系統體積、重量、功耗和散熱條件；提高發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；增大目標反射截面受目標類型限制；減少束散角受系統跟、瞄精度限制。最簡單易行的措施采用高靈敏度的探測器來提高接收功率，從而提高作用距離。

2.2 測距精度

激光測距的誤差主要來自時間測量的誤差，這種誤差通常分為兩種：第一，靜態誤差，包含延遲誤差、脈寬誤差等。延遲誤差主要由FPGA方式控制，這種誤差能夠通過使用定位距離和系統測試結果校正；不同的目標對激光的反射系數不同，對應的脈寬會隨之發生變化，壓窄激光脈沖可減小脈寬誤差；第二，隨機誤差，包含抖動誤差、時鐘誤差、噪聲誤差。使用高速運轉的比較器可以將數字信號轉變為LVDS信號將抖動誤差降低至最小。系統中的時鐘數值為脈沖系統測試的基礎，使用FPGA時鐘計時能夠確保測試精度。電路系統會出現噪聲，探測器對回光信號響應電流較小，這兩種信號混合容易造成數值統計偏差，因此對電路進行抗噪處理非常重要。

2.3 準測率和虛警概率

平均虛警率FAR是每秒鐘輸出噪聲電流超過探測閾值It的平均次數，可表示為：

當有激光信號輸入時，設輸出端的信號電流分量為Is，則探測概率PD就是在信號達到峰值時，信號加噪聲超過閾值It的概率，則探測概率可由式得：

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

3 脈沖激光測距機設計

為驗證脈沖激光測距關鍵技術，搭建脈沖激光測距驗證樣機，設計指標如下：

激光器指標：工作波長1064nm；能量100mJ；脈寬10ns；頻率10Hz；激光束散角0.4mrad；激光發射光學效率≥0.8；激光接收光學效率≥0.8；激光接收視場角0.5mrad；濾光片帶寬6nm；激光接收光學系統口徑120mm；雪崩光電二極管的響應度0.5A/W；激光測距機最大測程30km。

激光測距驗證樣機由三個系統組成：激光發射系統、激光接收系統、信號處理系統。

激光發射系統工作流程：激光器發射脈沖激光經過分束鏡，分成兩束激光光束，一束激光經擴束鏡擴束之后照射到目標，作為測距光源；另一束光照射觸發APD作為提供計時起始信號。

激光接收系統工作流程：發射到目標的激光由目標反射后，經過接收光學系統對回光信號接收和光譜濾波后，由回光探測器采集光信號。

信號處理系統工作流程：當激光器出光以后，利用出光探測器檢測該信號，將檢測到的信號進行調理放大、AD驅動、AD然后送入FPGA作為回光探測器的觸發信號；同時，利用回光探測器將檢測到的信號進行相同方式的變換處理，送入FPGA，作為回波信號，利用脈沖飛行時間計算出目標距離，并將信號送到上位機。

4 脈沖激光測距試驗分析

4.1 光纖延時法模擬測距試驗

光纖延時法模擬測距是利用一定長度的光纖、光纖衰減器和脈沖激光器，通過光波在光纖中傳播實現時間的延時，通過光纖衰減器把信號衰減到臨界測距狀態，從而達到模擬測距的目的。光學延時法模擬測距的優勢在于在內場使用，沒有外界干擾，且光纖傳輸路徑環境純凈，所以光學信道的參數都是能精確描述的，通過調節光纖衰減器的衰減分貝值即可模擬激光信號在大氣中的傳輸情況。

試驗中采用6km長的單模光纖用激光測距機進行模擬測距：通過光纖實現時間的延時，利用光纖衰減器把信號衰減到臨界測距狀態，減小激光發射能量，使測距準測率在40%～60%。在激光出光口加入80dB衰減器，在激光輸出能量≥10mJ時，激光測距機穩定的輸出距離值5.94km，準測率100%；在激光輸出能量約5mJ時，信號處理系統輸出距離值5.94km，準測率在40%～60%之間，達到國軍標定義的臨界狀態。

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

4.2 國軍標消光比法測距試驗

依據國軍標脈沖激光測距機最大測程模擬測試方法，通過在激光測距機發射光路中插入衰減片以測量衰減度來模擬測試最大測程，當實際衰減的分貝數大于理論計算的衰減分貝數時，判定為可以達到最大測程。國軍標消光法定義的最大測程模擬測試消光比公式為：

式中，ρ0為模擬測試標準靶面的漫反射系數，ρ為戰術目標漫反射系數，R0為模擬測試靶標靶面的測程，Rmax為激光測距機的最大測程，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為最大測程模擬測試時的大氣衰減系數，ɑ為戰術技術指標規定的大氣衰減系數。

試驗中在遠處放置一個反射率在0.8～0.9的標準靶板，將衰減片插入激光測距機出光口，對準模擬測試靶面測距，保證激光光斑完全置于靶面上。激光測距值穩定顯示655.82m，然后增加衰減片的數量和調整激光能量，使準測率達到“臨界穩定測距狀態”的60%～80%之間。

在對標準靶板測距時，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程消光比S為91.3。

激光測距機對靶板最大測程臨界穩定測距的衰減度為：

激光測距機實際的衰減度大于國軍標消光比法理論計算值，說明激光測距機的最大測程大于30km。