1、半導體激光測距摘要半導體激光測距機具有結構簡單、體積小、重量輕、低成本、高重復頻率、 高效率等特點，在中、近程測距方面有明顯優(yōu)勢，但是輸出功率過低，接收系統(tǒng)誤 差過大等問題大大限制了測距的應用。所以如何提高激光測距機的性能是亟待解決 的問題之一。本文主要采用單透鏡準直系統(tǒng)進行發(fā)散角的壓縮從而達到提高發(fā)射功率的U 的。針對635nm激光二極管的光源，使用ZEMAX軟件模擬了透鏡準直系統(tǒng)成像像 差，選取了最佳的設訃方案。針對短距離脈沖激光測距誤差進行分析，采用單片機 控制TDC-GP2芯片在一個測量周期內(nèi)進行多次測量，然后通過單片機計算取其平均 值后輸出，大大提高了脈沖激光測距的精度。關鍵詞：激光

2、測距；激光準直；ZEMAX；噪聲；誤差第1章引言激光測距儀具有結構簡單，高重復頻率，高效率，重量輕，便攜，精度高等 特點，在中、近程方面有明顯優(yōu)勢。不僅可以準確快捷的用來測量距離，計算面積 和體積，而且更方便、安全、可靠。因此被廣泛應用于建筑工程、測繪行業(yè)等領 域。在脈沖激光測距系統(tǒng)中普遍采用YAG激光器作為光源，山于其主要是以閃光 燈泵浦方式注入能量，因此能量轉換效率低，重復頻率低等問題一直難以克服。而 半導體激光測距系統(tǒng)是以半導體激光器作為光源，半導體激光器是以直接電能注入 的形式進行工作，具有電光轉換效率高和重復頻率高的優(yōu)點，口前受到國內(nèi)外各研 究機構的重視，并展開了深入的研究。但是，半

3、導體激光測距仍存在一些不足，輸出能量低和系統(tǒng)誤差大在一定程 度上限制了激光測距的應用。因此，如何提高性能是半導體激光測距系統(tǒng)急待解決 的問題，解決該問題主要有兩種手段，一是提高激光輸出功率，二是提高接收系統(tǒng) 的性能，本文主要討論的是提高發(fā)射系統(tǒng)的準直能力來使得輸出功率更加集中以及 降低系統(tǒng)中的誤差來使得接收系統(tǒng)的結果更加準確。1.1課題意義及來源半導體激光測距系統(tǒng)的研究始于軍事應用，隨著該項技術的發(fā)展，它的應用 領域也不斷拓展1。例如，測繪、航運、體育運動、汽車防撞等領域。在軍事 上，要求測距系統(tǒng)應具有重量輕、體積小、可黑性高等特點，例如，步兵和炮兵偵 察用的手持式激光測距儀、前沿偵察和前沿對

4、空控制雙用途的激光測距儀、狙擊手 步槍上的瞄準儀等，都利用半導體激光器構成的激光測距系統(tǒng)。正是山于半導體激 光測距機具有結構簡單、體積小、重量輕、低成本、高效率等特點，使其在中、近 程測距方面有明顯優(yōu)勢，從而在提高防空、海上作戰(zhàn)，中近程精確打擊及陸上武器 攻擊的命中精度方面起關鍵作用，因此半導體激光測距機具有迫切的軍事需求和廣闊的應用前景。激光測距中探測器接收到的能量包括LI標反射經(jīng)大氣衰減的激光回波能量，還包括來自地球表面、天空、天體的背景輻射，有時還包括海洋的輻射。當研究口 標和背景的輻射以何種形式傳送到探測器時，就必然涉及大氣中輻射傳輸問題。大氣對光波輻射的散射作用，主要山大氣中的氣溶膠

5、（如煙和霧）使光波輻射能量沿傳輸路徑重新分配到其他方向上，使光波傳輸方向發(fā)生偏離。但是，即使在天氣晴朗的氣象條件下，光波輻射的強度及傳輸方向也會出現(xiàn)波動，此波動 是由人氣分子、氣溶膠粒子和空氣湍流的不均勻性引起的。即使像激光測距機這樣 經(jīng)過多年發(fā)展的技術，在工程化的時候還有很多問題需要解決。如果這些問題不加 以解決，將會給批量的生產(chǎn)制造帶來很多困難，同時生產(chǎn)成本將會增加，對激光測 距機的推廣帶來一定的不利影響。本課題來源于半導體激光測距系統(tǒng)。窄脈沖激光發(fā)射準直系統(tǒng)作為測距機整 體的一個子系統(tǒng)，是半導體激光測距機的重要組成部分，不論從提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性 和效率，還是從實現(xiàn)系統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)小型化來講，

6、發(fā)射準直的設計都是關鍵。因 此，對半導體激光測距系統(tǒng)的發(fā)射準直部分進行設計是十分有意義的。1.2激光測距的發(fā)展歷程20世紀40年代，由于電磁理論及技術的發(fā)展，同時由于戰(zhàn)爭的迫切需要， 英國首先研制出了雷達。它的出現(xiàn)是測距技術的一項歷史性突破。它使人們首次實 現(xiàn)在一個固定點上迅速測定不同方向上各種LI標的瞬時距離，在對德國的戰(zhàn)斗中起 到了關鍵作用。但它也有一定的缺點，所發(fā)射的電磁波波長相對較長、早期雷達波 束較寬、空間分辨率較低，僅僅適用于對單調背景LI標的探測，而且有著易受干擾 和攻擊的嚴重缺點。20世紀60年代出現(xiàn)的激光技術極大地推動了科學、技術、經(jīng)濟以及社會的 發(fā)展。激光因其良好的方向性、

7、單色性、高亮度，很快被應用于測距。雖然與雷達 相比只是頻段的改變，但卻極大地擴展了其測距能力，比如精確地測量了從地球到 月球的距離。激光測距有以下兒個方面的優(yōu)點：測距精度高，可達米級甚至更高； 激光束發(fā)散角小，方向性強；抗電磁干擾能力強，能夠適應戰(zhàn)場條件下非常復雜的 電磁環(huán)境；對微波雷達隱身的LI標，通常無法同時對激光隱身，相對隱身LI標測距 得到改善。自20世紀60年代第一臺激光測距機問世以來，激光測距技術發(fā)展迅速。到 現(xiàn)在為止，激光測距機已經(jīng)發(fā)展到了笫三代：笫一代為以紅寶石為工作物質的激光 測距機；第二代為以Nd:YAG為工作物質的激光測距機；笫三代為對人眼安全的激光測距機。第一代激光測距

8、機問世于20世紀60年代初，激光器工作物質為紅寶石，工 作波長為0. 69 P mo 1961年初，休斯飛機公司的Malibu和Culver城的兩個團體，分別制造了最初的主動激光測距系統(tǒng)，并使之投入運行2。由于發(fā)射出的是 紅光，極易暴露目標，加上系統(tǒng)效率低、體積大、耗電多等缺點，很快便被 Nd:YAG激光測距機取代。第二代激光測距機以Nd:YAG為工作物質，用硅光電二極管或雪崩光電.二極管 作探測器.工作波長為1.06nm,是一種近紅外光，對人眼不可見，相對于紅寶石 激光而言保密性要好。III于其具備隱蔽性好、效率高、輕便、耗電少等優(yōu)點研制進 展迅速，以d:YAG為工作物質的笫二代激光測距機己

9、經(jīng)完全成熟并大量裝備到坦 克、裝甲車、高炮、飛機、潛艇等武器系統(tǒng)3。Nd:YAG激光測距機的主要缺點有 以下兒個方面：(1) 對人的眼睛損傷較大。研究表明1.064 u m波段對人眼闡值較低，較強的 激光輻射會對人眼造成嚴重的損壞，因而給訓練和試驗帶來了很大的困難。美國、 德國等國家都對這類測距機進行了限制。(2) 全天候測距能力差。Nd:YAG激光測距機產(chǎn)生的激光波長位于近紅外線大 氣窗口的波長域內(nèi)，因此其在大氣中的傳播能力低，易受環(huán)境干擾。在有塵霧、陰 霆等氣象條件下或戰(zhàn)場煙塵的環(huán)境中，不僅測距的精度和質量不能保證，其至根本 無法正常工作。也就是說受工作環(huán)境的影響很大，不適應全天候工作。(

10、3) 兼容性差。以我國新型主戰(zhàn)坦克WZ123車為例，該車己裝備了熱成像 儀。其工作波長在35 Pm(中紅外線)波長域為814 um (遠紅外線)，是紅外線的 兩個大氣窗口。由于熱成像儀的工作波段是曠12um,故1.06u m的Nd:YAG激光 測距機與其兼容性差。山于它們工作在不同的波段，穿透能力不相同，所以不僅不 能實現(xiàn)部件和元件的共用，而且用熱像儀能觀察到的LI標，不一定能用Nd:YAG激 光測距機測到它的距離。第三代激光測距機為人眼安全的激光測距機，西方稱為ESLRFo C02激光測距 機和1.5Xnm激光測距機是D前研究較多的對人眼安全的激光測距機。C02脈沖激光測距機是20世紀80年

11、代主要針對1.06mn的Nd:YAG激光測距 儀的缺點而發(fā)展起來的新一代對人眼安全的激光測距機。其主要優(yōu)點有：(1)穿透 能力強。C02激光測距機的工作波長是10. 6 u m,該波長正好位于814 P m的遠紅 外線大氣窗口，故其大氣傳輸性能好，透過大氣霧、霆和塵埃以及戰(zhàn)場煙霧的能力 強，受工作環(huán)境的影響小；(2)對人眼安全。人眼對C02激光器的10. 6 P m波長的 透過率很低，不易損傷視網(wǎng)膜，因而不容易使受到照射的人眼損傷或致盲，在訓練 與演習中比較安全；(3)與現(xiàn)有的工作波長為8、14 u m的熱像儀兼容性好。此外，C02激光器還有能量轉換 效率高，可采用高靈敏度的外差探測技術，在9

12、"imm波段內(nèi)可發(fā)射多條譜線。忖前，世界上很多作戰(zhàn)技性能先進的主戰(zhàn)坦克，己 裝備了 C02激光測距機。如美國的M1A1, M1A2,韓國的88式，英國的“挑戰(zhàn)者 2”等。C02激光測距機的良好性能在海灣戰(zhàn)爭中得到了充分的驗證。C02激光測距機同樣存在制約其發(fā)展的若干因素，主要包括：(1) 10. 6 P in的C02激光波長極易被水分子吸收衰減，在大氣中含水蒸汽密 度大的條件下，限制了它的最大測距能力，特別是雨天和口標被冰雪覆蓋時，標 呈現(xiàn)多鏡面對稱反射，對C02激光測距不利；(2) C02激光波長(10.6um)的反射率較低，對戰(zhàn)術口標的反射系數(shù)低于 1. 06 urn等激光波長;

13、(3)探測C02激光需用制冷的HgCdTe器件，這些器件都要在低溫下工作，并 需要特別設計的前置放大器，以克服噪聲影響。1.5Xym波段波長激光由于具有對人眼最安全，大氣穿透能力強，目標反射 系數(shù)高，并且對應于室溫下工作、不需要制冷的Ge或InGaAs探測器的探測靈敬區(qū) 等優(yōu)點而在人眼安全激光測距機中獲得了廣泛的應用。產(chǎn)生1.5Xnm波段激光主要 有以下三個途徑：(1) 直接輸出1.5XU m波段波長的固體激光器。比較成熟的是Er：玻璃激光 器，這也是1.5mn波段測距常用的激光器。Er：玻璃激光器采用摻入Er3+離子玻 璃激光棒，并用閃光燈泵浦，產(chǎn)生1.54 m m激光。其主要優(yōu)點是:1.5

14、4u m波長的 激光對人眼的安全性最高;可以使用普通光學材料的透鏡、棱鏡、窗口、分束鏡 等，因而器件結構緊湊、體積小、成本低，適用于地面目標測距。Er：、玻璃激光 測距機經(jīng)過多年研究實踐，現(xiàn)己研制出多種手持或車載用的測距機，比如美國的 LB-7,法國的HH-7o它的缺點是：閉值高，輸出能量低，壽命短;Er：玻璃材料制 作困難;并且受基質玻璃材料低導熱系數(shù)的限制，激光器重復工作頻率低，不適合 高重復頻率的應用(如對空防御等)；U詢還沒有適用的被動染料Q開關。(2) 喇曼頻移Nd:YAG激光器。喇曼頻移Nd:YAG激光器是在Nd:YAG激光器中 放入高壓甲烷氣體盒(或氛氣體等其他喇曼介質)，通過受激喇曼散射，把