脉冲激光测距技术研究

四川九洲电器集团有限责任公司 冯 波

本文基于对脉冲激光测距技术的了解，阐述了激光测距原理方法，对脉冲激光测距的关键指标进行了分析。同时搭建了脉冲激光测距验证样机，通过光纤延时法模拟激光测距，并通过国军标消光比法验证了激光测距机的最大测程。

1 激光测距原理方法

激光测距的原理是激光发射模块发射激光射向远处目标，通过对目标反射回来的激光信号进行相关解算，最终得出目标物的距离。

根据不同的时间测量方式，激光测距可分为以下两种方法：第一，脉冲激光飞行时间测距法，具体是通过计算激光发射与回波脉冲接收时刻的时间差来计算距离值；第二，调制波相位测距法，主要是通过对连续波激光信号相位调制，在此基础上，对调制波往返目标与测距机产生的相位差进行解调计算出距离值。

2 脉冲激光测距关键指标分析

脉冲激光测距的关键指标有最大作用距离、测距精度、准测率和虚警概率等，下面分别对其进行分析。

2.1 最大作用距离

激光雷达方程是表示发射的激光功率与接收到的激光功率之间关系的方程，其表达式为：

Pr为接收光功率（W）；Pt为激光发射功率（W）；A为朗伯面的面积（m2）；ρ目标反射系数；D为接收器口径（m）；R为测距机到目标的距离；ta为大气透过率；η1为发射器光学系统效率；θt为光束发散度（rad）；η2为接收器光学系统效率。

由此计算出激光测距最大作用距离为：

如上方程所示，要想提高最大作用距离，可以使用提高探测器响应度，提高发射功率，提高发射、接收效率，增大接收天线面积，增大目标反射截面，减少束散角等方法，大气透射率是系统不可决定的因素，在此不作讨论。其中，提高激光发射功率受限于系统体积、重量、功耗和散热条件；提高发射接收效率的提升空间有限；增大接收天线面积同样受体积、重量限制；增大目标反射截面受目标类型限制；减少束散角受系统跟、瞄精度限制。最简单易行的措施采用高灵敏度的探测器来提高接收功率，从而提高作用距离。

2.2 测距精度

激光测距的误差主要来自时间测量的误差，这种误差通常分为两种：第一，静态误差，包含延迟误差、脉宽误差等。延迟误差主要由FPGA方式控制，这种误差能够通过使用定位距离和系统测试结果校正；不同的目标对激光的反射系数不同，对应的脉宽会随之发生变化，压窄激光脉冲可减小脉宽误差；第二，随机误差，包含抖动误差、时钟误差、噪声误差。使用高速运转的比较器可以将数字信号转变为LVDS信号将抖动误差降低至最小。系统中的时钟数值为脉冲系统测试的基础，使用FPGA时钟计时能够确保测试精度。电路系统会出现噪声，探测器对回光信号响应电流较小，这两种信号混合容易造成数值统计偏差，因此对电路进行抗噪处理非常重要。

2.3 准测率和虚警概率

平均虚警率FAR是每秒钟输出噪声电流超过探测阈值It的平均次数，可表示为：

当有激光信号输入时，设输出端的信号电流分量为Is，则探测概率PD就是在信号达到峰值时，信号加噪声超过阈值It的概率，则探测概率可由式得：

其中：It/Irms为阈值噪声比；Is/Irms为信噪比；τ为脉冲信号宽度；erf(x)为概率积分函数（误差函数），且为单调递增函数，由式中可见，信噪比的增加将导致检测概率的提高。

3 脉冲激光测距机设计

为验证脉冲激光测距关键技术，搭建脉冲激光测距验证样机，设计指标如下：

激光器指标：工作波长1064nm；能量100mJ；脉宽10ns；频率10Hz；激光束散角0.4mrad；激光发射光学效率≥0.8；激光接收光学效率≥0.8；激光接收视场角0.5mrad；滤光片带宽6nm；激光接收光学系统口径120mm；雪崩光电二极管的响应度0.5A/W；激光测距机最大测程30km。

激光测距验证样机由三个系统组成：激光发射系统、激光接收系统、信号处理系统。

激光发射系统工作流程：激光器发射脉冲激光经过分束镜，分成两束激光光束，一束激光经扩束镜扩束之后照射到目标，作为测距光源；另一束光照射触发APD作为提供计时起始信号。

激光接收系统工作流程：发射到目标的激光由目标反射后，经过接收光学系统对回光信号接收和光谱滤波后，由回光探测器采集光信号。

信号处理系统工作流程：当激光器出光以后，利用出光探测器检测该信号，将检测到的信号进行调理放大、AD驱动、AD然后送入FPGA作为回光探测器的触发信号；同时，利用回光探测器将检测到的信号进行相同方式的变换处理，送入FPGA，作为回波信号，利用脉冲飞行时间计算出目标距离，并将信号送到上位机。

4 脉冲激光测距试验分析

4.1 光纤延时法模拟测距试验

光纤延时法模拟测距是利用一定长度的光纤、光纤衰减器和脉冲激光器，通过光波在光纤中传播实现时间的延时，通过光纤衰减器把信号衰减到临界测距状态，从而达到模拟测距的目的。光学延时法模拟测距的优势在于在内场使用，没有外界干扰，且光纤传输路径环境纯净，所以光学信道的参数都是能精确描述的，通过调节光纤衰减器的衰减分贝值即可模拟激光信号在大气中的传输情况。

试验中采用6km长的单模光纤用激光测距机进行模拟测距：通过光纤实现时间的延时，利用光纤衰减器把信号衰减到临界测距状态，减小激光发射能量，使测距准测率在40%～60%。在激光出光口加入80dB衰减器，在激光输出能量≥10mJ时，激光测距机稳定的输出距离值5.94km，准测率100%；在激光输出能量约5mJ时，信号处理系统输出距离值5.94km，准测率在40%～60%之间，达到国军标定义的临界状态。

通过分析得出：光纤距离模拟器在理论和实践上都是可行的，加上可以控制的干扰源后，完全可以作为激光测距技术的距离模拟器。

4.2 国军标消光比法测距试验

依据国军标脉冲激光测距机最大测程模拟测试方法，通过在激光测距机发射光路中插入衰减片以测量衰减度来模拟测试最大测程，当实际衰减的分贝数大于理论计算的衰减分贝数时，判定为可以达到最大测程。国军标消光法定义的最大测程模拟测试消光比公式为：

式中，ρ0为模拟测试标准靶面的漫反射系数，ρ为战术目标漫反射系数，R0为模拟测试靶标靶面的测程，Rmax为激光测距机的最大测程，Gmax为接收放大器的最大增益，G(Rmax)为接收放大器在Rmax处的增益，α0为最大测程模拟测试时的大气衰减系数，ɑ为战术技术指标规定的大气衰减系数。

试验中在远处放置一个反射率在0.8～0.9的标准靶板，将衰减片插入激光测距机出光口，对准模拟测试靶面测距，保证激光光斑完全置于靶面上。激光测距值稳定显示655.82m，然后增加衰减片的数量和调整激光能量，使准测率达到“临界稳定测距状态”的60%～80%之间。

在对标准靶板测距时，ρ0=0.8；ρ=0.4；R0=0.655km，Rmax=30km；V0=7km；α0=0.38；V=23km；α=0.117，代入公式得到最大测程消光比S为91.3。

激光测距机对靶板最大测程临界稳定测距的衰减度为：

激光测距机实际的衰减度大于国军标消光比法理论计算值，说明激光测距机的最大测程大于30km。