高精度激光测距关键技术研究

高精度激光测距关键技术研究摘要：脉冲激光测距精度受多种因素的影响，其主要原因是接收功率的偏差，而回波功率的大变动是造成这种误差的根本原因。

因此，实现高精度的定位是未来的发展方向。

本文重点讨论了激光测距仪的小型化、轻量化、高动态范围高精度激光测距技术的发展趋势。

关键词：高精度；激光测距前言：随着激光器、探测器件和集成电路技术的发展，激光测距仪逐渐走向了长距离、高精度、微型化的发展。

近几年，随着太空仪器的竞争日益加剧，我国利用卫星上的激光雷达进行遥感探测的优势已经被全世界的专家所认可，美国、欧空局、日本等国家的航天机构也在大力开发星基激光探测装置。

所以，开展高精度的激光探测技术，对于增强我国空间技术的竞争能力具有重要意义。

1激光测距方法概述1.1脉冲法脉冲激光测距技术是激光测距技术中最早的一种测距技术，它是利用激光脉冲的瞬时功率和瞬时功率，在无协同目标的条件下，由被测物体的漫反射波进行测距。

在地形测量、工程测量、云和飞机高度测量、战术前沿测距、导弹轨道跟踪、人造地球卫星测距、地月测距等方面都有广泛的应用。

激光测距的脉冲法是将一束激光脉冲或一串激光射向目标，再由计数仪测量激光到达和到达目的地所需要的时间，以此来确定与目标的距离。

它的工作原理和结构比较简单，测距远，功耗低，一次测量就能得到一段距离，但是它的绝对测距精度很低。

测量的时间宽度、测量光波速度、大气折射率、时钟频率误差、计时误差、仪器测量误差等都会对测量结果产生一定的影响。

另外，激光脉冲测距一般采用红宝石、YAG等固体激光器，输出功率大，测量距离宽，但体积较大。

1.2相位法相位法激光测距是通过测量被测物体发出的调制光与所接收的反射光的强度相差所包含的距离信息，从而达到测量被测物体的距离。

为确保测量的准确性，一般都会在被测物体上安装一个反射镜，也就是所谓的协作对象。

在不合作的情况下，它的影响范围通常在数米到数十米之间；在使用协作对象的情况下，其有效射程可以达到数万米，测量精度达到毫米，相对误差在百万分之一左右。

该发射模组发射一束经调制的激光，待测目标发射后再返回，并与所测光进行相位偏移。

利用测量激光调制信号在被测距离内来回传播产生的相位变化，间接地测定了被测点与被测物体间的距离。

1.3干涉法干涉测量是精确测量距离的一种经典方式。

理论上，该方法也属于测距的相位法，但其测量的是未经调制的光波自身的相位干扰，而非相位干涉。

干涉测距技术是指通过光学干涉原理，在激光中形成一种明、暗的干涉条纹，然后通过光电变换器件将其转化成电子信号，再通过计数器进行运算，以达到测量位移的目的。

由于光的波长很短，尤其是高单色的激光器，它的波长值很准确，因此，用干涉仪测出的距离可以达到1/2，并且具有微米的精确度。

由于采用了现代电子学技术，可以测量到0.01范围内的干涉条纹，因此，这种测量精度是其他测量手段无法比拟的。

2不同测距方法的比较与改进2.1不同方法的比较这些方法都有各自的优点和不足，根据工作环境和测量精度的不同，需要采取相应的测量手段。

脉冲法是一种测量激光发射时间的方法。

由于激光脉冲的能量比较集中，可以进行长距离的传播，因此该方法适用于测距，但是精度不高。

激光地测距与激光的发射功率、感光接收机的灵敏度等因素有关，而测量的准确度则与接收通道带宽、脉冲上升沿、探测器信噪比、时间间隔测量的准确度等因素密切相关。

为了消除或减小信号中的偏移和时域抖动，提出了一种基于时域的时域识别方法。

相位法是采用激光调制技术，通过对载波频率进行相位测量，从而避免了需要很长的时间间隔，提高了测距的准确度。

激光调制的相位测量精度和相位调制频率是影响测距精度的重要因素，要达到较高的测距精度，就需要对系统进行高精度的测距。

除了大气温度、气压、湿度等外在条件之外，还与测距机自身发射功率、平均测量次数、调制频率和稳定性有关。

该方法具有较高的精度，在小位移（通常不到1米）时，对测量的环境有较高的要求。

2.2测距方法改进从上述结果中我们可以看到，脉冲法与相位法的优点与不足之处在于，将脉冲法与相位法相结合，形成了一种新的距离测量方式，即脉冲—相位激光测距。

脉冲测量和相位法测量是利用脉冲信号的时差来完成的，而精确的测距则是利用脉冲信号的相位差来完成的。

脉冲－相位激光测距仪是一种将脉冲法与相位法相结合的仪器，它不仅可以达到不配合的激光测距，而且还可以达到相位激光测距的高精度；该方法不仅可以对被测对象进行持续的跟踪，而且还可以在有协作的情况下进行漫反射探测。

集成电路使得仪器体积小，重量轻；该测试系统采用了预编程序，实现了自动化。

3激光测距系统分析3.1测距原理在无配合条件下，无反射镜时，测量距离可达数十至数千米，通常使用脉冲激光进行测量。

图1示出了激光脉冲测量的工作方式。

激光测距机对齐后，激光会发出一道很强的、很窄的激光脉冲（从几毫微秒到十毫微秒），然后穿过光学系统的波束，使其发散角度减小。

当脉冲发出时，很少的光被分离出来，由检测器接收，并将其转化为一个电子脉冲，用作发送的基准信号，并对激光的发射时间进行标定。

当激光脉冲到达目标后，由于目标的漫反射，有一部分光线会被反射到接收望远镜中，然后经过窄带滤光片、光电探测器、放大处理电路、检测电路和检测电路，使其成为一个停止脉冲，使计数器的计时结束。

利用激光脉冲发射和激光回波接收的瞬间间隔，可以求出目标与激光测距机的径向距离。

图1脉冲激光测距工作原理示意图3.2系统构成图2是一种基于人造卫星的脉冲激光测距机。

整个系统由激光传输、激光接收、温度控制、信息处理和二次供电五部分组成。

在激光发射装置中，主要由激光和驱动电路组成。

该激光器具有高能量密度、快速上升沿激光脉冲信号的作用，使回声接收机具有较好的信号强度和较好的上升沿性能。

该激光器由一个与激光共振腔有关的光学部件组成，该激光扩束器与发射方向平行地设置在发射方向上。

激光驱动的电子器件置于激光器的共振腔之外。

激光二极管抽运的Nd：YAG（铷掺杂钇铝石榴石，Nd3+：YAG）激光器，其工作波长为1064nm，其增益系数高，热传导率大。

激光脉冲测距器通常采用TEM00型谐振腔，其光强度的空间分布为高斯。

为了降低激光的发散角度，增大激光的空间密度，增加激光的探测效率，必须在激光的出口处增加一个扩束器。

图2脉冲激光测距系统示意图激光接收装置中，接收装置由接收望远镜、滤波器、主、回波检测、放大处理、辨识电路等构成。

主要有两类典型的光学结构：第一类是大F、小视野的反射型或折射型光学；第二类是在较低F和较大视野的情况下使用的折射型光学系统。

折射型望远镜一般是由多个透镜构成，其结构紧凑，可有效地把来自物体的反射光能集中到检测器的感光面上。

接收望远镜的光学设计要求保证激光传输轴线与其视轴平行，而接收望远镜的视野要比激光发散角度大，这样才能保证从目标反射的激光能进入到望远镜的接受视野。

同时，为尽量减少本底辐射对接收光路的干扰，必须增加带宽不超过5nm的窄带滤波器，以滤除工作频段之外的背景辐射，从而改善系统的信噪比。

在主波导检测器中，PIN光二极管是最常用的，而在回声接收方面，采用了更高灵敏度的Si-APD。

该信号经过放大、处理、识别，生成控制脉冲信号，用于定时测量模块的启动和停机。

一般采用边缘辨识和恒定比例辨识。

在信息处理单元中，所述信息处理单元负责协调、控制激光发射单元、激光接收单元、温度控制单元之间的协同工作，并对主波TTL信号和回声TTL信号进行时间间隔进行A/D遥测取样、处理单元所提供的数据，并与卫星进行数据交换。

在信息处理系统中，主、回波的时间间隔测量是一项非常重要的工作，通常有两种方式：（1）利用高频晶体振荡进行计数，其优点是能够进行大范围地测量，而且容易实现，但其时域分辨率受限于时钟信号的频率；（2）采用了特殊的时间间隔测量芯片，具有较高的时间分辨率，但是由于芯片的应用环境，其测量范围受到了限制。

在温度调节装置中，激光的抽运源由于其物理性质的特殊性，需要在一定的工作温度条件下工作：回声接收望远镜和激光扩束器在轨道上工作时，会引起温度的变化，从而引起器件的热应力和热变形，从而使测量失效。

由于激光测距仪在空间中会遇到较大的热源，因此需要对其光学部件进行适当的热控，以提高其温度分布状况，确保其工作正常。

3.3关键技术高精度激光测距系统的核心技术在于：第一，对Si-APD倍增系数进行了研究，并根据Si-APD倍增系数随偏压的变化特点，改善了系统的动态范围；第二，由于目标的距离不同，反射激光的回声功率也会有一定的影响，分析了产生这种情况的原因，给出了一种基于放大器的自动增益控制方案；第三，由于目标的距离不同，反射的激光回声功率也会随之改变，从而导致回声功率的偏移；第四，利用微弱的信号探测技术，改善信噪比，尽量增加回声放大器的增益，增加系统的测距动态范围；第五，高线性、高稳定性的峰取样电路的设计；第六，采用亚纳秒级高的时间分辨间隔测量电路，降低了由于时间分辨率的限制导致的测量误差，并改善了系统的测距精度。

4脉冲激光测距系统精度分析测量结果和实际数据的差别叫作错误。

误差可以分为随机和系统性两种。

系统误差是按规定的规则所引起的误差，无法用增大的测量次数来消除，通常需要用试验分析的方法来把握其变化规律，并根据相关的规则采用补偿或校正的办法来减小。

在相同的情况下，对某一量进行反复的测量，其每一次的尺寸和符号均不受其变化规律的影响。

这是由于在测量过程中，由于各种随机因素的作用，这些因素并不明显，而且很难控制。

随机误差通常是由正态分布所决定的，并且是不可消除的。

在实际应用中，多次测得的实测数据可以用实际值来表达。

脉冲激光测距系统误差主要有固定延迟误差、时钟频率漂移误差、接收功率漂移误差等。

其中，随机误差包括识别抖动误差、波形畸变、时间间隔测量误差、数字电路上升沿抖动误差等。

5高精度脉冲激光测距仪系统构架高精度脉冲激光测距系统的组成方框图见图3。

该系统包括激光发射、激光接收、信息处理、辅助供电四大部分。

该激光驱动电路根据该信息处理装置的同步触发信号而生成一个控制信号，该控制信号驱动该被动Q激光器出光，该光脉冲经放大后发射。

一小部分的激光脉冲通过分光仪将其转化为电脉冲，由主波进行放大，然后将其输出到恒定时序标识电路和一条线路电平变换电路，生成LVTTL电平时间间隔测量模块使能时序控制信号Start（Start），一路主波峰取样电路。

将峰值脉冲信号的电平采集，然后将其输出至模拟－数字转换器，用于AD的数据采集。

图3激光测距仪架构示意图输出的激光在靶面上散射，由接收望远镜接收，经过窄带滤光片滤除频段外的背景辐射，最后汇集于硅光雪崩二极管，并将其转换成电脉冲。

放大器分为两个阶段，第一级放大器的增益在1至100之间，第二级的放大器在1至12之间，在两级运算放大器的总增益超过某一特定值时，为了减小噪声和增加信噪比，必须对其进行自相关。