激光飛行時間測距關鍵技術綜述

根據所教授的不同光學狀態，激光飛行時間的測量分為激光脈沖測量和連續波激光測量。后者的測量分為相位激發光和頻率激發光。本文將介紹上述激光飛行時間測距方法的關鍵技術進展。1脈沖激光測量1.1反射信號的取得目前,脈沖激光測距已獲得了廣泛的應用,如地形測量、戰術前沿測距、導彈運行軌道跟蹤,以及人造衛星、地球到月球距離的測量等。脈沖激光測距是利用激光脈沖持續時間極短,能量在時間上相對集中,瞬時功率很大(一般可達兆瓦)的特點,在有合作目標的情況下,脈沖激光測距可以達到極遠的測程;在進行幾公里的近程測距時,如果精度要求不高,即使不使用合作目標,只是利用被測目標對脈沖激光的漫反射所取得反射信號,也可以進行測距。如圖1所示,一個典型的脈沖飛行時間激光測距系統通常由以下五個部分組成:激光發射單元、一個或兩個接收通道、時刻鑒別單元、時間間隔測量單元和處理控制單元。激光發射單元在t時刻發射一激光脈沖,其中一小部分功率直接進入接收通道1,經時刻鑒別單元產生起始(START)信號,開始時間間隔測量;其余功率從發射天線向目標發射出去,經距離R到達目標后被反射;接收通道2的光電探測器接收到返回脈沖,經放大后到達時刻鑒別單元,產生一終止(STOP)信號,終止時間間隔測量;時間間隔測量單元把所測得的結果t輸出到處理控制單元,最后得到距離R(L=2R)。測量系統的測量精確度主要依賴于接收通道的帶寬、激光脈沖的上升沿、探測器的信噪比(峰值信號電流與噪聲電流均方根值之比)和時間間隔測量精確度。以上主要是從激光飛行時間t出發來考慮距離R的精度,其中的關鍵是如何精確穩定地確定t的起止時刻和精確測量t,它們各自對應的是時刻鑒別單元和時間間隔測量單元;另一方面就是大氣折射率的取值精度,它受環境溫度、氣壓及大氣湍流的影響,精度一般可以達到10-6(1ppm)。雙(多)波長激光測距可以避免大氣對測量精度的影響。1.2模擬儀測定時間間隔的一般方法時間間隔測量單元是用來測量起止信號之間的時間間隔t。到目前為止,測量方法主要有三種:模擬法、數字法和數字插入法。文獻對時間間隔的測量方法和技術進展作了詳細的介紹。1.3公眾實時感知的自適應移動區域—時刻鑒別方法由于激光脈沖在空中傳輸過程中的衰減和畸變,導致接收到的脈沖與發射脈沖在幅度和形狀上都有很大不同,給正確確定起止時刻帶來困難,由此引起的測量誤差被稱之為漂移誤差(WalkError);另外,由輸入噪聲引起的時間抖動也給測量帶來了誤差。如何設計時刻鑒別單元以達到消除或減小漂移誤差和時間抖動,是脈沖激光測距的重要研究課題之一。目前時刻鑒別的方法主要有三種:前沿鑒別(LeadingEdgeDiscriminator/LED)、恒定比值鑒別(ConstantFractionDiscriminator/CFD)和高通容阻鑒別(CR-HighpassDiscriminator)。前沿鑒別法是通過固定閾值方式來確定起止時刻(圖2),即以脈沖前沿當中強度等于所設閾值的點到達的時刻作為起止時刻。由脈沖幅度與形狀變化引起的漂移誤差為△t,其大小還與閾值的大小有關,最大值可能接近脈沖上升時間tr。因此,前沿鑒別法的測量誤差是很大的。圖3是恒定比值鑒別法的原理圖解,恒定比值F此處取50%,即取脈沖上升沿中半高點到達的時刻為起止時刻,如果不考慮波形畸變和噪聲等其它因數的影響,由幅度變化引起的誤差△t=0,由此可見,恒定比值鑒別法能有效消除由脈沖幅度變化帶來的誤差。為了有效地克服波形畸變和噪聲帶來的誤差,提出了高通容阻時刻鑒別方法,如圖4所示,接收通道輸出的起止信號脈沖(左)通過一高通容阻濾波線路,原來的極值點轉變為零點,以此作為起止時刻點,它的誤差主要受信號脈沖在極大值附近斜率的影響。據報道采用此方法時,漂移誤差能控制在±3.5ps(相當于0.5mm的測距精度)。時刻鑒別的誤差除了跟所采用的鑒別類型有關外,還與激光回波脈沖波形和光電探測器類型有關。激光回波脈沖是先經接收通道的光電探測器進行光電轉換和前置放大后進入時刻鑒別單元的,光電探測器的光電轉換機制以及接收通道引入的噪聲和帶寬限制都將影響回波脈沖波形的完整恢復。目前經常采用的光電探測器包括光電倍增管(PMT)、PIN光電二極管和雪崩光電二極管(APD)等。PMT是利用光電發射效應工作的,其增益M可達105～107;PIN是利用p-n結的光生伏特效應制成的,但無內部增益;利用雪崩倍增效應制成的APD的增益M可達102～104,響應時間非常短(0.5ns),是高精度微弱信號探測的首選探測器。正由于探測器的工作機理各不相同,其對光信號波形的還原能力也不同,因此,在考慮時刻鑒別誤差時,必須結合使用的探測器和時刻鑒別類型,以及光信號波形類型分別對待。除漂移誤差外,在時刻鑒別過程中還存在時間抖動,它是由于輸入信號噪聲和來自接收通道的附加噪聲產生的,抖動幅度還與信號脈沖上升沿寬度、信號強度、時刻鑒別單元的帶寬以及鑒別類型有關。輸入到時刻鑒別單元的噪聲分為白噪聲和相干噪聲,它們對時間抖動的作用是不同的。2激光相位測量2.1位測距精度的影響因素激光相位測距的方法是通過對激光的強度進行調制實現的。影響激光相位測距精度除大氣溫度、氣壓和濕度等外在因素外,還包括測距儀自身的光發射功率、測量平均次數和調制頻率及其穩定性等參數。另外,電子噪聲特別是由大功率調制引入的電子相干燥聲對探測精度影響很大。2.2準調制頻率的選擇相位調制的方法有直接調制、光調制(包括聲光調制AOM和電光調制EOM等)和九十年代發展起來的模間拍頻調制(Intermode-beatmodulation)。用于LD的直接電流調制具有簡單易調制等優點,但其缺點是調制波形會變形,且隨著調制頻率的增加,調制深度會降低;光調制也會帶來波形變形,特別是在高頻(千兆赫茲)時就更為嚴重。模間拍頻調制則具有高頻(幾百兆赫茲)和100%的調制深度等優點,因此它非常適合于高精度相位測距。以633nmHe-Ne雙頻激光器為例,若腔長l介于15～30cm,經計算可獲得500MHz～1000MHz的調制頻率。其它如雙頻二極管泵浦固體激光器(DPSSL)也可用于相位測距,而且DPSSL的腔長可以做的更短,更易得到更高的拍頻。如何得到穩定的光頻和穩定且更高的拍頻有待深入研究。2.3測量測距儀的確定在激光相位測距儀中,如果光電信號與調制源具有相同的頻率,就會限制測相精度。這是由于調制源存在與光電信號頻率相同的泄漏場(fieldleakage),它與光電信號發生相干作用,降低了信噪比,特別是在回波信號很弱的時候。圖5就是用272MHz電流調制830nm的LD產生的光脈沖鏈和泄漏場的頻譜,在272MHz處除信號功率和背景噪聲外,還有相當功率的泄漏場,它使信噪比降低了20dB.。要避免泄漏場對測量的影響,就得使泄漏場的頻率與光信號調制頻率錯開。對于LD來講,當把直流偏置和調制電流強度置于適當的值時,由于LD強烈的非線性效應,可以獲得很強的諧波成份(相對于調制頻率f1),如圖5所示,二次、三次和四次諧波成份強度與基頻相當,但由于在相應頻率處不存在泄漏場,信噪比也就相對高了20dB。因此,可以利用高次諧波分量作為調制頻率來設計測距儀。另一避免泄漏場影響的方法是利用電光晶體的非線性效應,文獻報道了一臺運用此技術的高精度測距儀,其調制源頻率為14GHz,通過光波導調制器得到28GHz的倍頻調制輸出,測距5m時,分辨力達1.1μm,100m時可達3μm,可應用于對地表張力的監測。3半導體激光自混合干涉測距系統調頻連續波激光測距主要是通過發射一頻率連續可調的激光,測量接收到激光的頻率來推算距離。其主要研究的課題是,選擇增益帶寬寬的激光介質,增加頻率啁啾的寬度,提高測距精度;另一方面,要加大測距范圍,就需減小頻率啁啾率,但同時也要增加電子測量系統的帶寬和提高頻率測量精度,因此,在實際測量中通常要尋求帶寬和頻率測量精度的平衡以及測距范圍和測距精度的平衡。據報道運用此FMCW激光測距方式,已同時獲得了18.5km的測距范圍和20mm的測距精度,其頻率啁啾率為100PHz/s(P=1015)。FMCW激光測距采用的頻率調制方式主要有:激光腔長調諧、開關調制、聲光調制、電光調制和電源直接調制等;使用的激光介質有氣體(如CO2)、固體(鈦寶石和摻鉺光纖等)和半導體;探測方式有直接探測(非相干探測)和光外差干涉探測(相干探測)。半導體激光自混合干涉測距技術是調頻激光測距的一個新的研究熱點,它是利用被測物體形成的反饋光對線性調頻LD光源輸出光功率的調制特性,實現絕對距離測量。由于其光學系統僅包含一個光源和一個準直透鏡,結構極其簡單、緊湊,系統易準直,因此倍受關注。圖6為半導體激光自混合干涉絕對測距系統結構框圖。頻率調制半導體激光器前表面輻射光經準直透鏡照射在被測物M(或反射鏡)上,被散射(或反射)后,一部分光又經原路反饋回激光器諧振腔,同諧振腔的光相混合并調制激光器輸出光功率,輸出一紋波信號如圖7,其頻率與被測物體到諧振腔前輻射面間距離R成正比。更深入的