脈沖型半導(dǎo)體激光測距關(guān)鍵技術(shù)研究進展

趙鑫，王丹，張賀，鄒永剛，馬曉輝，韓立，海一娜

（長春理工大學(xué)高功率半導(dǎo)體激光器國家重點實驗室，長春 130022）

脈沖型半導(dǎo)體激光測距關(guān)鍵技術(shù)研究進展

趙鑫，王丹，張賀，鄒永剛，馬曉輝，韓立，海一娜

（長春理工大學(xué)高功率半導(dǎo)體激光器國家重點實驗室，長春 130022）

根據(jù)激光測距儀小型化、低功耗、智能化、高精度的發(fā)展方向，詳細闡述了脈沖型半導(dǎo)體激光測距系統(tǒng)的測距原理及其基本結(jié)構(gòu)，針對國內(nèi)外在測量距離和測量精度方面的最新進展與發(fā)展現(xiàn)狀進行了總結(jié)和評述，并在此基礎(chǔ)上對系統(tǒng)中的時間間隔測量方法、回波信號的處理及檢測方法等關(guān)鍵技術(shù)進行了詳細的分析。隨著激光測距技術(shù)不斷優(yōu)化提升，其將不斷滿足科學(xué)研究及工業(yè)、軍事等實際應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ω呔葴y量的需求，據(jù)此展望了該種類型測距系統(tǒng)的研究方向及發(fā)展前景。

半導(dǎo)體；激光測距；時間間隔測量；回波信號

激光測距技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了三代，以測距系統(tǒng)的激光器與探測器為標(biāo)志，第一代是紅寶石激光器和光電倍增管探測器，第二代是波長為1.06μm的Nd：YAG激光器和硅光電二極管或者雪崩光電二極管，第三代是1.54μm的餌玻璃激光器和波長為10.6μm的CO2激光器。發(fā)展到第二代的半導(dǎo)體激光器是以半導(dǎo)體為工作物質(zhì)的一類激光器件，它具有易于與各種光電子器件實現(xiàn)光集成；能調(diào)節(jié)輸出光束的波長使其工作在典型硅基光纖的低損耗、低色散區(qū)等優(yōu)點。脈沖式的半導(dǎo)體激光測距系統(tǒng)由于其驅(qū)動電路簡單，便于攜帶，快速、無合作目標(biāo)且測程遠，被廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，尤其在偵察和火控系統(tǒng)中應(yīng)用最為普遍［1-2］。

在國外，圖雅得、博士能、紐康和奧爾法等測距儀品牌最為知名。圖雅得2013年BP型望遠測距儀結(jié)合了高清望遠鏡以及測距功能，這一系列包括BP1200、BP1500及BP1800三款雙筒機型。圖雅得SP長距離系列望遠測距儀是圖雅得最為經(jīng)典的系列，含有較多機型，該系列采用了圖雅得在業(yè)界知名的第二代TrueOptics多層鍍膜光學(xué)鏡頭以及第一代PSDP并行同步差位處理器。紐康在2000m以上的望遠鏡測距儀領(lǐng)域一直排名第一，該品牌中的LRB25000雙筒測距望遠鏡是一款超遠距離測量、一級人眼安全的激光測距儀，它采用鉺玻璃激光技術(shù)，使激光測距能力達到了極限。表1對幾種典型測距儀進行了比較［3-4］。

國內(nèi)，民用激光測距儀發(fā)展緩慢，無論是在測量距離還是測量精度上都無法與國際上的先進水平相提并論。1996年到2011年間，上海光機所、中國計量學(xué)院、天津工業(yè)大學(xué)以及西安光機所等單位對脈沖型半導(dǎo)體激光測距系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進行了相關(guān)研究。其中，上海光機所研制的半導(dǎo)體激光測距儀在10m到100m的測量范圍內(nèi)的測量精度為0.5m；中國計量學(xué)院與西安光機所分別于2000年和2011年在發(fā)射光束質(zhì)量方面得到了相應(yīng)的研究成果，光束所達到的峰值功率分別為10W和67.5W，脈沖寬度分別為25ns、20ns，其中，中國計量學(xué)院研制的一款便攜式激光測距機測量范圍可達到14～l000m，精度為1m［5-9］。針對目前脈沖型半導(dǎo)體激光測距系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，本文將對系統(tǒng)中時間間隔測量方法、回波信號的檢測和處理方法的研究進展進行較詳細地介紹。

表1 典型脈沖型半導(dǎo)體激光測距儀

1 脈沖型激光測距系統(tǒng)的測距原理

脈沖激光測距儀的工作原理如圖所示。它由激光發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、門控電路。時鐘脈沖振蕩器及計數(shù)器組成。圖1是脈沖測距儀原理方塊圖：

圖1 脈沖激光測距系統(tǒng)原理方塊圖

其工作工程：當(dāng)按動啟動按鈕10時，復(fù)原電路9給出復(fù)原信號使整機復(fù)原，準備進行測量；同時觸發(fā)脈沖激光器1，產(chǎn)生激光脈沖，該激光脈沖除一小部分能量由取樣器2直接送到接收器（把此信號稱為參考信號）外，絕大部分激光能量反射回到接收系統(tǒng)得到回波信號（或測距信號）。參考信號及回波信號先后經(jīng)過小孔光闌3和干涉濾光片4聚焦到光電檢測器5上變換成電脈沖信號［10-11］。

2 脈沖型激光測距系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)

測距系統(tǒng)的脈沖上升沿上疊加的噪聲會使其穿越比較閾值的時間發(fā)生變化，會產(chǎn)生時間的抖動，并帶來誤差，因此信號上升沿會對測距性能產(chǎn)生較大影響，除此之外，影響測距系統(tǒng)精確度并對測量距離起決定性作用的關(guān)鍵因素主要包括三點，分別為：時間間隔測量方法、回波信號的去噪聲處理方法以及回波信號檢測方法。時間間隔的測量是指計時模塊對起止信號之間的時間差的測量，將測得的時間差與激光在大氣中的傳播速度相乘可得被測距離。外部測量環(huán)境以及系統(tǒng)內(nèi)部電路抖動的干擾造成回波信號弱且噪聲大，因此，將回波信號輸入算法濾波器進行去噪聲處理可優(yōu)化信號波形，有效提高信號利用率。時刻鑒別電路對去噪后的回波信號進行檢測從而判別計時終止時間，檢測方法的選擇影響著終止時刻的準確與否，因而對回波信號處理、檢測方法進行研究，是提高整個測距性能的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 時間間隔測量方法

現(xiàn)有的最基本的時間間隔測量方法主要有數(shù)字計數(shù)法、模擬法、插值法［12］。數(shù)字計數(shù)法根據(jù)其原理可使用時鐘脈沖信號計數(shù)，該種方法原理簡單，測量距離較遠，但時鐘脈沖信號頻率較低，測量精度不能達到測距系統(tǒng)的需求；模擬法將時間間隔的測量轉(zhuǎn)化為電壓、電荷、頻率和相位等物理變化量，通過測量上述對應(yīng)物理量的變化值間接計算出時間間隔，該種方法較之?dāng)?shù)字計數(shù)法雖然在精度上有所提高，但是測量距離有限；插值法將數(shù)字計數(shù)法和模擬法有效結(jié)合，通過模擬法提高系統(tǒng)的測量精度，通過數(shù)字計數(shù)法增大測量范圍［13-17］。為了進一步提高測量距離以及測距精度，在這三種最基本的時間間隔測量方法的基礎(chǔ)上，多種新的測量方法被提出。

馮志輝等提出的FPGA延遲線插入法是在直接計數(shù)法的基礎(chǔ)上，采用FPGA內(nèi)部延時單元將時間間隔轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，經(jīng)高速鎖存器鎖存后得到代表延時信息的溫度計編碼值來實現(xiàn)高分辨率的時間測量［18］。此種方法在2～7m范圍內(nèi)的誤差為±10cm，并可將單次時間間隔測量誤差提高到80ps，多次測量可達40ps。

岱欽等設(shè)計了一種基于FPGA和TDC-GP21的高速精密時間間隔測量方法［19］，如圖2所示。FPGA具有高頻穩(wěn)定的特點，TDC-GP21可以實現(xiàn)高精度測量。結(jié)合二者的優(yōu)點完成了時間間隔測量之后對測量結(jié)果進行校準測量即補償修正從而達到進一步提高系統(tǒng)的測量精度的目的。經(jīng)過該測量方法后系統(tǒng)達到了1Hz重復(fù)頻率，精度達±100ps。

圖2 時間間隔測量系統(tǒng)方框圖

施智勇等提出了延時法，該方法采用了FPGA及安森美半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的可編程延遲芯片MC100EP195［20］。如圖3所示，其中，F(xiàn)PGA可產(chǎn)生10ns及整數(shù)倍的時延，MC100EP195可產(chǎn)生50ps～9.95ns的時延，即通過調(diào)整延時芯片和機械位移產(chǎn)生的電信號的延時時間。由實驗結(jié)果可得，當(dāng)被測距離在100m內(nèi)，系統(tǒng)誤差為0.03mm。

圖3 延時法時間間隔測量法的測距系統(tǒng)原理圖

宋建輝等提出了一種可在FPGA中實現(xiàn)的、由脈沖計數(shù)法、多相采樣法和延遲鏈法相結(jié)合的混合時間間隔測量方法［21］。脈沖計數(shù)法可以使得系統(tǒng)達到較遠的測量距離，多相采樣較大測量范圍的基礎(chǔ)上提高測量分辨率，延遲鏈法對微小時間進行測量。該種測量方法在激光測距100m以內(nèi)，時間間隔誤差為0.07ns。

陳昭等提出了采用兩次測距并將結(jié)果做差的測量方法來提高測距系統(tǒng)的測量精度［22］。將任一非目標(biāo)物體放置在激光測距系統(tǒng)發(fā)射模塊的端口處，測量結(jié)果為S1；對目標(biāo)物體進行測量，此時的測量結(jié)果為S2，并將S1與S2的做差。該方法不僅可以提高系統(tǒng)的測量精度，還可以簡化脈沖激光測距系統(tǒng)。使用該方法可以抵消全部系統(tǒng)誤差包括固定延時誤差以及距離行走誤差，且抵消部分系統(tǒng)中的隨機誤差即時間間隔測量誤差閾值芯片的輸出抖動誤差以及時刻鑒別抖動誤差。此方法雖然很大程度上提高了測量精度，但是單次測距結(jié)果需要進行兩次測量，需要進一步完善。

目前，多數(shù)時間間隔測量方法都是基于FPGA的，在一定程度上提高了時間間隔測量精度，最好可達到40ps～80ps，雖然遠不及國際上的先進測距技術(shù)，但是對于100m左右的近中程距離的測量，系統(tǒng)誤差最低為0.03mm。

2.2 回波信號降噪處理方法

由于在測距過程中受到半導(dǎo)體激光器的發(fā)射功率、大氣傳輸、目標(biāo)反射特性、探測器噪聲和放大電路抖動噪聲等因素影響使放大電路輸出的信號不是一個穩(wěn)定值，其幅度、上升時間、信噪比都帶有一定的隨機性，這些隨機因素造成了系統(tǒng)的隨機誤差，其中回波信號的信噪比決定了系統(tǒng)的單次測距精度［23-28］。

李黎明等用遞歸平均的方法對半導(dǎo)體激光測距機距離測量數(shù)據(jù)進行處理，該方法在保證信號全局性的基礎(chǔ)上，突出了“低通”的特性，使測試信號曲線趨于平滑。信號平滑的程度最大時，對局部高頻信號的變化起到抑制作用［29］。因此當(dāng)信號變化較緩慢時，可以采用該方法進行處理，且輸出信號頻率與采樣頻率相同，滿足系統(tǒng)實時性的要求。

回波信號處理流程圖如圖4所示，用250MHz頻率回波信號進行N（N為發(fā)射脈沖個數(shù)）次采集，每次釆集時間為8.192μs，數(shù)據(jù)量為2084個1bit的數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)存儲于FPGA中構(gòu)造的FIFO中，并在FPGA進行Haar小波變換域LMS自適應(yīng)濾波和回波信號相關(guān)檢測，將所得結(jié)果與門限值K做比較，如果結(jié)果大于K則認為是有用信號［30］。

圖4 回波信號處理流程圖

張廷華等所做研究中的激光測距系統(tǒng)是多脈沖型，根據(jù)該類測距系統(tǒng)回波信號的特點，提出了一種平滑濾波與三階累積量相結(jié)合的信號處理方法，首先采用平滑濾波算法對回波信號進行預(yù)處理，再經(jīng)過三階累積量運算，可有效地抑制噪聲，提高探測概率，為多脈沖激光測距或脈沖激光器提高作用距離，降低虛警概率提供了有效的回波信號處理方法［31］。該算法簡單有效，運算量小，適于硬件實時實現(xiàn)。

對回波信號進行處理意在提高信噪比從而實現(xiàn)測距精度，目前多數(shù)回波信號的處理方法都是根據(jù)測距系統(tǒng)的特點將回波信號輸入設(shè)計的算法濾波器后，從系統(tǒng)內(nèi)部實現(xiàn)降噪。

2.3 回波信號的檢測方法

在脈沖激光測距系統(tǒng)中，飛行時間（TOF）的測量取決于半導(dǎo)體激光器發(fā)出脈沖的上升沿、下降沿及時間寬度等因素，飛行時間的測量對應(yīng)于系統(tǒng)的作用距離，因而，脈沖質(zhì)量也決定了測距系統(tǒng)的距離極限；回波信號的探測直接影響測距系統(tǒng)整體的測量精度。相較于相位法，干涉法以及三角法，脈沖法激光測距對回波信號的波形相對較低［32-34］。但是，當(dāng)回波信號質(zhì)量較差時即回波信號的信噪比較低時，簡單的回波信號探測方法將無法滿足脈沖激光測距系統(tǒng)的需要，因此，高精度回波信號探測方法就成為人們廣泛關(guān)注的研究課題。

龍騰宇等從脈沖激光微弱回波信號的統(tǒng)計特性出發(fā)，基于單脈沖自相關(guān)法和脈沖串互相關(guān)法在遠程激光測距中的局限性，提出了單脈沖互相關(guān)疊加的方法［35］。即先對回波信號進行互相關(guān)運算，然后對某一個時間段內(nèi)已進行互相關(guān)運算的回波信號進行多次疊加運算，直到強度滿足閾值要求。圖5為該方法的工作流程圖。

圖5 脈沖串互相關(guān)法工作流程圖

劉慧慧等針對遠距離脈沖激光測距系統(tǒng)，提出了一種多脈沖互相關(guān)疊加的微弱信號的提取方法，即對某時間段內(nèi)的脈沖回波信號進行互相關(guān)疊加，利用噪聲的不相關(guān)性，達到增加信號的強度，以提高信噪比，降低誤警率［36］。其相關(guān)運算圖如圖6所示。

圖6中M為單個周期信號的采樣點數(shù)，N為脈沖個數(shù)，則對N個信號進行互相關(guān)運算，得到的回波信號的信噪比提高了N倍［36-38］。龍騰宇等和劉慧慧等所提出的回波信號檢測方法都可以使測距系統(tǒng)將原來不足300m的探測距離提高到1000m以上。

圖6 脈沖互相關(guān)疊加運算圖

倪旭翔等提出了一種基于發(fā)射脈沖串與回波脈沖串互相關(guān)的信號處理方法［39］。該方法同時將一組發(fā)射脈沖信號與回波脈沖信號同時轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并作為一次測距結(jié)果進行互相關(guān)處理。能夠有效提高回波信號的信噪比。經(jīng)過實驗證實，這種處理方法能將回波信號的信噪比由0.11提升到5.92。

T.Saito等提出了利用半導(dǎo)體激光器的頻率噪聲來進行激光測距［40］。在光束傳播過程中，作者將半導(dǎo)體激光器的振蕩頻率轉(zhuǎn)化為Rb吸收線并且將頻率噪聲轉(zhuǎn)化為強度噪聲，通過頻率鑒頻器觀察發(fā)現(xiàn)，沿著兩個方向傳播的光束有著共同的強度噪聲，但是會有時間延遲。通過計算這兩個信號的互相關(guān)性后發(fā)現(xiàn)，相關(guān)性最高的點對應(yīng)于兩條光路的光程差。文章通過實驗證明了，當(dāng)信號的采樣率為0.2ns時，對50m的距離進行測量，其分辨率為0.03m。圖7是實驗裝置圖。

圖7 利用半導(dǎo)體激光器的頻率噪聲進行測距的實驗裝置圖

電流驅(qū)動器給半導(dǎo)體激光器提供一個恒定的注入電流，發(fā)出的激光經(jīng)過準直透鏡。為了避免回波散射，準直透鏡后放置一個光隔離器。NPBS（非偏振分束器）將發(fā)射光束分成參考光束與測量光束，鑒頻器將這兩束光擴大后被準直到APD1及APD2上，通過APD的隨機信號射頻放大器后，從50MHz放大到8GHz。放大后的信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)化器（A-D convertor）顯示在8-bit的數(shù)字示波器上。最高相干系數(shù)對應(yīng)的時間差表明了兩個信號的時間延遲，將延遲的時間與光速相乘就可以計算出目標(biāo)距離［40-42］。

王譽鵬等提出了一種基于m序列的小型化半導(dǎo)體激光測距方案［43］。以單周期m序列作為激光發(fā)射波形，對微弱低信噪比回波信號采用相參積累及匹配濾波相結(jié)合的數(shù)字信號處理方法，采用單周期m序列代替單脈沖，即在每個脈沖重復(fù)周期內(nèi)均發(fā)射呈單周期m序列波形的激光，可以在保證測距精度的同時獲得更遠的作用距離［43-44］。

隨著測量距離的增加，回波信號的質(zhì)量將會降低。通過提高探測器的探測靈敏度、光束準直以及回波信號數(shù)據(jù)處理來彌補回波信號差的缺點，通過完善探測方法提高回波信號的質(zhì)量相對是一種簡單易行的處理方法，目前，主要是將多個回波信號串互相關(guān)疊加，達到加強信號的目的。

3 發(fā)展趨勢及工作展望

近年來的研究表明，國內(nèi)的脈沖激光測距技術(shù)發(fā)展緩慢，無法與國外的發(fā)展水平相提并論，這樣的現(xiàn)狀導(dǎo)致了便攜式民用半導(dǎo)體激光測距儀的價格昂貴而無法被廣泛使用。國際上，測量距離遠并且測量精度高的測距儀依然集中于圖雅得、博士能、紐康和奧爾法等國外知名品牌；國內(nèi)應(yīng)用于空間測距的脈沖型激光測距儀雖然發(fā)展迅速，關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)達到國內(nèi)外尖端水平，但其成本高，體積大，制作周期長仍然是無法克服的難題。

關(guān)于脈沖型半導(dǎo)體激光測距的關(guān)鍵技術(shù)主要集中在接收模塊的時間間隔測量方法、回波信號的探測以及處理方法，而發(fā)射系統(tǒng)的窄脈沖驅(qū)動電路以及接收準直光學(xué)系統(tǒng)的相關(guān)研究相對較少。其中，多樣的回波信號探測方法以及時間間隔測量方法將會是提高激光測距系統(tǒng)性能的必經(jīng)之路。

半導(dǎo)體激光器的諸多優(yōu)點提高了激光測距儀多方面的性能，但是其相應(yīng)的局限性導(dǎo)致測距系統(tǒng)的回波信號微弱，改變回波信號的檢測方法不僅具有更高的可行性，而且性能提升效果好。通過借鑒現(xiàn)有的針對不同波長，不同周期的回波信號檢測方法的基本原理，實現(xiàn)方法可以提高激光測距儀測量數(shù)據(jù)的可靠性。回波信號的檢測方法決定了測量距離的遠近，而時間間隔測量方法決定了整個測距系統(tǒng)的測量精度。目前，多數(shù)時間間隔測量方法是基于可編程邏輯芯片，例如FPGA、TDC-GP2和TDC-GP21等。

值得注意的是，半導(dǎo)體激光測距是一種系統(tǒng)性技術(shù)，系統(tǒng)中各個關(guān)鍵技術(shù)之間緊密相連，相互制約。例如，準直透鏡不僅要控制發(fā)射光束的發(fā)散角，且不能影響發(fā)射激光的功率，以此保證測距系統(tǒng)的測量距離，而這兩種性能指標(biāo)相互矛盾；回波信號的檢測要在性噪比很高的情況下提高回波信號的強度，同時還要保證測距效率，現(xiàn)有的回波信號檢測方法雖然能提高測量距離，但多次回波信號疊加后進行檢測無疑降低了測量效率。因此，未來脈沖激光測距的研究不僅要著眼于每項技術(shù)的發(fā)展，還要注意測距系統(tǒng)內(nèi)各項技術(shù)之間的匹配性。

4 結(jié)論

目前，國際上脈沖型半導(dǎo)體激光測距系統(tǒng)無論是在關(guān)鍵技術(shù)還是在測量性能方面已取得了長足的發(fā)展并以其獨特的優(yōu)點在不同領(lǐng)域得到了廣泛的肯定。國內(nèi)，用于衛(wèi)星觀測的測距系統(tǒng)測量精度高測量距離遠，而用于大地測量的測距系統(tǒng)均屬于中遠程，500m左右的測量距離可達到0.5m的測量精度；測量距離為500m～1000m時，測量精度為1m；被測距離大于1000m時就系統(tǒng)就失去了可靠性。隨著各項技術(shù)的優(yōu)化提升，脈沖型半導(dǎo)體激光測距儀會逐漸滿足人們對于其便攜，低成本和性能良好的一系列要求而被廣泛應(yīng)用于交通安全，工業(yè)建筑等。

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Research Progress on Key Technologies of Pulsed Semiconductor Laser Ranging

ZHAO Xin，WANG Dan，ZOU Yonggang，MA Xiaohui，HAN Li，HAI Yina
（State Key Laboratory on High Power Semiconductor Lasers，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

According to the development direction of the laser rangefinder miniaturization，low power consumption，intelligent and high precision，this paper describes the basic structure and principle of ranging pulse type semiconductor laser ranging system，According to the latest progress and development of the status quo at home and abroad，measuring distance and measuring precision are summarized and discussed.On the basis of this，method of the time interval measurement of the system，the processing of the echo signal and the detection method are analyzed in detail.With the continuous improvement of laser ranging technology，it will continue to meet the demand for high precision measurement of the application fields of scientific research and industrial，military and so on，this paper discusses the research direction of this kind of measurement system and development prospect.

semiconductor；laser ranging；time-interval measurement；echo signal

TNTN209

A

1672-9870（2016）06-0009-07

2016-06-27

趙鑫（1988-），男，碩士，實習(xí)研究員，E-mail：zhaoxin@cust.edu.cn

張賀（1985-），男，博士，助理研究員，E-mail：zhhe920@sina.com