激光飛行時(shí)間測(cè)距關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展[1]講解

1、第32卷第1期 激光與紅外V ol. 32, No. 12002年 2 月 L ASER & IN FRAREDFebruary, 2002文章編號(hào):1001-5078(2002 01-0007-04激光飛行時(shí)間測(cè)距關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展陳千頌1,楊成偉1,潘志文2,霍玉晶1(11清華大學(xué)電子工程系,北京100084; 2.深圳大學(xué)師范學(xué)院物理教育系,廣東深圳518060摘要:文中扼要介紹了激光飛行時(shí)間測(cè)距的若干關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展。主要包括：脈沖激光測(cè)距的時(shí)間間隔測(cè)量技術(shù)和時(shí)刻鑒別技術(shù)，激光相位測(cè)距的相位調(diào)制技術(shù)及其調(diào) 制噪聲問(wèn)題，調(diào)頻連續(xù)波測(cè)距技術(shù)和半導(dǎo)體激光自混合干涉測(cè)距技術(shù)等。關(guān)鍵詞：激光測(cè)距;飛行

2、時(shí)間；技術(shù)進(jìn)展中圖分類號(hào):TN958. 98; TM 935. 15文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AA Brief In troduct ion on the Developme nt of Laser Time -of -flight Dista nee Measureme nt Tech no logyCHEN Qia n -so ng 1, YANG Che ng -w ei 1, PAN Zh-i w en 2, H UO Yu -ji ng 1(1. Departme nt of Electro nics Eng in eeri ng, T si ng hua U ni versity, Beiji

3、ng 100084,China; 2. Department of P hysics Education, T eachers College, Shenzhen University, She nzhen 518060, Chi na Abstract:T he developme nt of L aser T ime -o-f F light(T OF dista nee measureme nt tech nolo gy is in troduced briefly in the paper. T he tech niq ues in clude time -in ter val mea

4、sureme nt and tim ing discrim in atio n tech niq ues in pulsed laser dis -tanee measurement, phase modulation technique and its noise in laser AM CW di sta nee measureme nt, F M CW and laser diode sel-f mixi ng in terfere nee dista nee measureme nt tech niq ue.Key words:laser dista nee measur eme nt

5、; time -o-f flight; tech no logy dev elopme nt根據(jù)所發(fā)射激光狀態(tài)的不同，激光飛行時(shí)間測(cè)距分為激光脈沖測(cè)距和連續(xù)波激 光測(cè)距，后者根據(jù)起止時(shí)刻標(biāo)識(shí)的不同又分為相位激光測(cè)距和調(diào)頻激光測(cè)距。本文 將介紹上述激光飛行時(shí)間測(cè)距方法的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展。1脈沖激光測(cè)距1. 1脈沖激光測(cè)距原理目前，脈沖激光測(cè)距已獲得了廣泛的應(yīng)用，如地形測(cè)量、戰(zhàn)術(shù)前沿測(cè)距、導(dǎo)彈運(yùn) 行軌道跟蹤，以及人造衛(wèi)星、地球到月球距離的測(cè)量等。脈沖激光測(cè)距是利用激光 脈沖持續(xù)時(shí)間極短，能量在時(shí)間上相對(duì)集中，瞬時(shí)功率很大（一般可達(dá)兆瓦 的特點(diǎn), 在有合作目標(biāo)的情況下，脈沖激光測(cè)距可以達(dá)到極遠(yuǎn)的測(cè)程；在

6、進(jìn)行幾公里的近程 測(cè)距時(shí)，如果精度要求不高，即使不使用合作目標(biāo)，只是利用被測(cè)目標(biāo)對(duì)脈沖激光的 漫反射所取得反射信號(hào)，也可以進(jìn)行測(cè)距。圖1脈沖激光測(cè)距原理圖如圖1所示,一個(gè)典型的脈沖飛行時(shí)間激光測(cè)距系統(tǒng)通常由以下五個(gè)部分組成1 :激光發(fā)射單元、一個(gè)或兩個(gè)接收通道、時(shí)刻鑒別單元、時(shí)間間隔測(cè)量單元和處 理控制單元。激光發(fā)射單元在t時(shí)刻發(fā)射一激光脈沖，其中一小部分功率直接進(jìn)入 接收通道1,經(jīng)時(shí)刻鑒別單元產(chǎn)生起始（START信號(hào)，開(kāi)始時(shí)間間隔測(cè)量；其余功率 從發(fā)射天線向目標(biāo)發(fā)射出去，經(jīng)距離R到達(dá)目標(biāo)后被反射；接收通道2的作者簡(jiǎn)介：陳千頌（1974-,男，博士生，主要從事激光雷達(dá)測(cè)距技術(shù)方面的研究。光電探

7、測(cè)器接收到返回脈沖，經(jīng)放大后到達(dá)時(shí)刻鑒別單元，產(chǎn)生一終止（STOP 信號(hào),終止時(shí)間間隔測(cè)量；時(shí)間間隔測(cè)量單元把所測(cè)得的結(jié)果t輸出到處理控制單元 最后得到距離R （L =2R。測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)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(cè) 器的信噪比（峰值信號(hào)電流與噪聲電流均方根值之比和時(shí)間間隔測(cè)量精確度。以上主要是從激光飛行時(shí)間t出發(fā)來(lái)考慮距離R的精度,其中的關(guān)鍵是如何精確穩(wěn)定地 確定t的起止時(shí)刻和精確測(cè)量t ,它們各自對(duì)應(yīng)的是時(shí)刻鑒別單元和時(shí)間間隔測(cè)量 單元;另一方面就是大氣折射率的取值精度，它受環(huán)境溫度、氣壓及大氣湍流的影 響,精度一般可以達(dá)到10-6（1pp m。雙（多波長(zhǎng)激光測(cè)距

8、可以避免大氣對(duì)測(cè)量精度 的影響2。1.2時(shí)間間隔測(cè)量方法時(shí)間間隔測(cè)量單元是用來(lái)測(cè)量起止信號(hào)之間的時(shí)間間隔 t。到目前為止，測(cè)量 方法主要有三種：模擬法、數(shù)字法和數(shù)字插入法。文獻(xiàn)3對(duì)時(shí)間間隔的測(cè)量方法和 技術(shù)進(jìn)展作了詳細(xì)的介紹。1. 3時(shí)刻鑒別方法由于激光脈沖在空中傳輸過(guò)程中的衰減和畸變，導(dǎo)致接收到的脈沖與發(fā)射脈沖 在幅度和形狀上都有很大不同，給正確確定起止時(shí)刻帶來(lái)困難，由此引起的測(cè)量誤差 被稱之為漂移誤差（Walk Error ;另外，由輸入噪聲引起的時(shí)間抖動(dòng)也給測(cè)量帶來(lái)了 誤差。如何設(shè)計(jì)時(shí)刻鑒別單元以達(dá)到消除或減小漂移誤差和時(shí)間抖動(dòng)，是脈沖激光測(cè)距的重要研究課函2intensity圖4高通容

9、阻時(shí)刻鑒別目前時(shí)刻鑒別的方法主要有三種：前沿鑒別（Leading Edge Discrim inator/LED、 恒定比值鑒別（Constant Fraction Discriminator/CFD 和高通容阻鑒別（CR -H igh pass Discrim inator。前沿鑒別法是通過(guò)固定閾值方式來(lái)確定起止時(shí)刻4（圖2 ,即以脈沖前沿當(dāng)中強(qiáng)度等于所設(shè)閾值的點(diǎn)到達(dá)的時(shí)刻作為起止時(shí)刻。由脈沖幅度與形狀變 化引起的漂移誤差為v t,其大小還與閾值的大小有關(guān)，最大值可能接近脈沖上升時(shí) 間tr。因此，前沿鑒別法的測(cè)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

10、沿中半高點(diǎn)到達(dá)的時(shí)刻為起止時(shí)刻，如果不考慮波形畸變和噪聲等其它因數(shù)的影響，由幅度變化引起的誤差v t=0,由此可見(jiàn)，恒 定比值鑒別法能有效消除由脈沖幅度變化帶來(lái)的誤差。為了有效地克服波形畸變和 噪聲帶來(lái)的誤差，提出了高通容阻時(shí)刻鑒別方法5,如圖4所示,接收通道輸出的起止信號(hào)脈沖（左通過(guò)一高通容阻濾波線路，原 來(lái)的極值點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)榱泓c(diǎn)，以此作為起止時(shí)刻點(diǎn)，它的誤差主要受信號(hào)脈沖在極大值附 近斜率的影響。據(jù)報(bào)道采用此方法時(shí)，漂移誤差能控制在？ 3. 5ps相當(dāng)于0. 5mm的 測(cè)距精度。時(shí)刻鑒別的誤差除了跟所采用的鑒別類型有關(guān)外，還與激光回波脈沖波形和光 電探測(cè)器類型有關(guān)。激光回波脈沖是先經(jīng)接收通道的

11、光電探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和前 置放大后進(jìn)入時(shí)刻鑒別單元的，光電探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換機(jī)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(fù)。目前經(jīng)常采用的光電探測(cè)器包括 光電倍增管（PM T、PIN光電二極管和雪崩光電二極管（APD等。PM T是利用光電 發(fā)射效應(yīng)工作的，其增益M可達(dá)105107; PIN是利用p-n結(jié)的光生伏特效應(yīng)制成的 但無(wú)內(nèi)部增益；利用雪崩倍增效應(yīng)制成的 APD的增益M可達(dá)102104,響應(yīng)時(shí)間非 常短（0. 5ns ,是高精度微弱信號(hào)探測(cè)的首選探測(cè)器。正由于探測(cè)器的工作機(jī)理各不 相同,其對(duì)光信號(hào)波形的還原能力也不，8激光與紅外第32卷探測(cè)器和時(shí)刻鑒別類型，以及光信

12、號(hào)波形類型分別對(duì)待6除漂移誤差外，在時(shí)刻鑒別過(guò)程中還存在時(shí)間抖動(dòng)，它是由于輸入信號(hào)噪聲和來(lái) 自接收通道的附加噪聲產(chǎn)生的，抖動(dòng)幅度還與信號(hào)脈沖上升沿寬度、信號(hào)強(qiáng)度、時(shí) 刻鑒別單元的帶寬以及鑒別類型有關(guān)。輸入到時(shí)刻鑒別單元的噪聲分為白噪聲和相 干噪聲，它們對(duì)時(shí)間抖動(dòng)的作用是不同的7。2激光相位測(cè)距2. 1激光相位測(cè)距原理激光相位測(cè)距的方法是通過(guò)對(duì)激光的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制實(shí)現(xiàn)的。影響激光相位測(cè)距 精度除大氣溫度、氣壓和濕度等外在因素外，還包括測(cè)距儀自身的光發(fā)射功率、測(cè) 量平均次數(shù)和調(diào)制頻率及其穩(wěn)定性等參數(shù)。另外 ，電子噪聲特別是由大功率調(diào)制引 入的電子相干燥聲對(duì)探測(cè)精度影響很大。2. 2相位調(diào)制相位調(diào)制的

13、方法有直接調(diào)制、光調(diào)制（包括聲光調(diào)制AOM和電光調(diào)制EOM等 和九十年代發(fā)展起來(lái)的模間拍頻調(diào)制 （Intermode -beat modulation 8。用于LD的直 接電流調(diào)制具有簡(jiǎn)單易調(diào)制等優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)是調(diào)制波形會(huì)變形，且隨著調(diào)制頻率的 增加,調(diào)制深度會(huì)降低；光調(diào)制也會(huì)帶來(lái)波形變形，特別是在高頻（千兆赫茲 時(shí)就更 為嚴(yán)重。模間拍頻調(diào)制則具有高頻（幾百兆赫茲 和100%的調(diào)制深度等優(yōu)點(diǎn)，因此它 非常適合于高精度相位測(cè)距。以633nm He -Ne雙頻激光器為例9,若腔長(zhǎng)l介于 1530cm,經(jīng)計(jì)算可獲得500MHz1000MH z的調(diào)制頻率。其它如雙頻二極管泵浦 固體激光器（DPSSL1

14、0也可用于相位測(cè)距,而且DPSSL的腔長(zhǎng)可以做的更短,更易 得到更高的拍頻。如何得到穩(wěn)定的光頻和穩(wěn)定且更高的拍頻有待深入研究。2. 3EMPmfipz29100kHz BWlkHz271/MHz調(diào)制噪聲問(wèn)題圖5 272M Hz電流調(diào)制830mn LD(a發(fā)射光脈沖鏈的頻譜在激光相位測(cè)距儀中，如果光電信號(hào)與調(diào)制源具有相同 的頻率,就會(huì)限制測(cè)相精度。這是由于調(diào)制源存在與光電信號(hào)頻率相同的泄漏場(chǎng) (field leak -age ,它與光電信號(hào)發(fā)生相干作用，降低了信噪比,特別是在回波信號(hào)很弱 的時(shí)候。圖5就是用272MHz電流調(diào)制830nm的LD產(chǎn)生的光脈沖鏈和泄漏場(chǎng)的 頻譜11,在272MH z處

15、除信號(hào)功率和背景噪聲外,還有相當(dāng)功率的泄漏場(chǎng),它使信 噪比降低了 20dB.。要避免泄漏場(chǎng)對(duì)測(cè)量的影響，就得使泄漏場(chǎng)的頻率與光信號(hào)調(diào)制頻率錯(cuò)開(kāi)。對(duì) 于LD來(lái)講,當(dāng)把直流偏置和調(diào)制電流強(qiáng)度置于適當(dāng)?shù)闹禃r(shí),由于LD強(qiáng)烈的非線性 效應(yīng),可以獲得很強(qiáng)的諧波成份(相對(duì)于調(diào)制頻率f 1 ,如圖5所示,二次、三次和四 次諧波成份強(qiáng)度與基頻相當(dāng)，但由于在相應(yīng)頻率處不存在泄漏場(chǎng)，信噪比也就相對(duì)高了 20dB。因此，可以利用高次諧波分量作為調(diào)制頻率來(lái)設(shè)計(jì)測(cè)距儀11。另一避免泄漏場(chǎng)影響的方法是利用電光晶體的非線性效應(yīng)12,文獻(xiàn)13報(bào)道了一臺(tái)運(yùn)用此技術(shù)的高精度測(cè)距儀,其調(diào)制源頻率為14GHz,通 過(guò)光波導(dǎo)調(diào)制器得到2

16、8GHz的倍頻調(diào)制輸出,測(cè)距5m時(shí),分辨力達(dá)1. 1L m , 100m 時(shí)可達(dá)3L m ,可應(yīng)用于對(duì)地表張力的監(jiān)測(cè)。3調(diào)頻連續(xù)波（FMCW激光測(cè)距調(diào)頻連續(xù)波激光測(cè)距主要是通過(guò)發(fā)射一頻率連續(xù)可調(diào)的激光，測(cè)量接收到激光 的頻率來(lái)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(zhì)，增加頻率啁 啾的寬度,提高測(cè)距精度；另一方面,要加大測(cè)距范圍，就需減小頻率啁啾率，但同時(shí) 也要增加電子測(cè)量系統(tǒng)的帶寬和提高頻率測(cè)量精度 14,因此，在實(shí)際測(cè)量中通常要 尋求帶寬和頻率測(cè)量精度的平衡以及測(cè)距范圍和測(cè)距精度的平衡。據(jù)報(bào)道 15運(yùn)用 此FM CW激光測(cè)距方式，已同時(shí)獲得了 18. 5km的測(cè)距范圍和20mm

17、的測(cè)距精度， 其頻率啁啾率為100PHz/s（P=1015。FM CW激光測(cè)距采用的頻率調(diào)制方式主要有：激光腔長(zhǎng)調(diào)諧、開(kāi)關(guān)調(diào)制、聲光 調(diào)制、電光調(diào)制和電源直接調(diào)制16等;使用的激光介質(zhì)有氣體（如CO 2、固體（鈦 寶石和摻鉺光纖等和半導(dǎo)體；探測(cè)方式有直接探測(cè)（非相干探測(cè)和光外差干涉探測(cè) （相干探測(cè)。半導(dǎo)體激光自混合干涉測(cè)距技術(shù)是調(diào)頻激光測(cè)距的一個(gè)新的研究熱點(diǎn)，它是利用被測(cè)物體形成的9第1期激光與紅外性,實(shí)現(xiàn)絕對(duì)距離測(cè)量。由于其光學(xué)系統(tǒng)僅包含一個(gè)光源和一個(gè)準(zhǔn)直透鏡，結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)單、緊湊，系統(tǒng)易準(zhǔn)直，因此倍受關(guān)注。圖6為半導(dǎo)體激光自混合干涉絕對(duì)測(cè)距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖17。頻率調(diào)制半導(dǎo)體激光器前表面輻射光經(jīng)

18、準(zhǔn)直透鏡照射在被測(cè)物M （或反射鏡上，被散射（或反射后,一部分光又經(jīng)原路反饋回激光器諧振腔，同諧振腔的光相混合并調(diào)制激光器輸出光功 率,輸出一紋波信號(hào)如圖7,其頻率與被測(cè)物體到諧振腔前輻射面間距離R成正比。更深入的自混合機(jī)理研究可參照文獻(xiàn)17,文獻(xiàn)18報(bào)道了一臺(tái)運(yùn)用此方法設(shè)計(jì)的測(cè) 距系統(tǒng)。同時(shí)獲得了 55cm的測(cè)距長(zhǎng)度和0. 5m mhttp 7/wwwxn1994-2012Academic Journal P lectronk(?hina All rights reserved. Publishing I lou$c+激光器內(nèi)部PDLDGRIN Lens4 eft v_直游值骨的測(cè)距精度。h

19、ttp:/www. 1994-2012Academic Journal ElectronicChinaAJI rights reserved.Publishing House.自混合干涉測(cè)距儀系統(tǒng)示意圖圖7測(cè)距信號(hào)4結(jié)語(yǔ)激光飛行時(shí)間測(cè)距包括脈沖激光測(cè)距、激光相位測(cè)距和調(diào)頻連續(xù)波激光測(cè)距，本文簡(jiǎn)要介紹了它們的關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展：激光脈沖測(cè)距的時(shí)間間隔測(cè)量和時(shí)刻鑒 別技術(shù),激光相位測(cè)距的相位調(diào)制技術(shù)及其噪聲問(wèn)題，調(diào)頻連續(xù)波激光測(cè)距的關(guān)鍵問(wèn) 題和半導(dǎo)體激光自混合干涉測(cè)距技術(shù)。參考文獻(xiàn)：1 K M YYtt Y, J K ostamovaar a. A hig h -precision time -to

20、 -dig-itai co nverter for pulsed t ime -to -flight laser r adar applica -tionsJ1IEEE T rans. In str. and M eas. , 1998. 47(2 :521-536.2 鐘聲遠(yuǎn),程平.雙波長(zhǎng)激光測(cè)距系統(tǒng)及精度的研究J1 激光與紅外，1992, 22(6 :53-56.3 霍玉晶,陳千頌,潘志文.脈沖激光雷達(dá)的時(shí)間間隔測(cè)量綜述J.激光與紅外， 2001,31(3 :136-139.4T A raki. Optical dista nee meter using a short pulse wid

21、th laser diode and a fast avalanehe photodiodeJ1Rev. Sei. Instrum. , 1995, 66(1 :43-47.5P Paloj Yr vi, T Ruotsala inen, J K ostamovaara. A new ap -pr oaeh to avo id walk error in pulsed laser ran gefi nding J1IEEE In tern. Sympos. on Cireu. and Systems Pro. 1999, 1-258-1-261.6W A K ielek. Random err

22、or in timing using w eak light pulse, photomultiplier , and threshold erossing deteetion J1IEEE T rans. Inst. A nd M eas. , 1998, 47(2 :543-550.7M L Simps on, M J Paulus. Diser imin ator desig n eon sider -ati ons for time -in terv al measurement eireuits in eollider deteetor systems J1IEEE T rans.

23、N uel. Sei. , 1998, 45(1 :98-104.8T Araki, S Yokoyama, N Suzuki. Simple optieal dista nee meter using an in termode - beat modulati on of a He -N e laser and an eleetriea-l heterod yne teeh nique J1R ev. ofSei. I nstru. , 1994, 65(6 :1883-1888.9K Seta, T O . ishi. dista nee meter utilizi ng the in t

24、er mo de beat of a He -N e laser J. App. Opt. , 1990, 29(3 :354-359.10盧蔥蔥,趙長(zhǎng)明,吳克瑛.利用微失調(diào)扭轉(zhuǎn)模腔產(chǎn)生雙頻激光J.北京理工大學(xué) 學(xué)報(bào),1999, 343-347.11K Seta, T O h . ishi. Distanee measurement using a pulse train emitted from a laser diodeJ.J. A pp. Phy. , 1987, 26(10 :L1690-L 1692.12M L eseure, T Bosch, A Dziadow iee. An electro -optical fre -que ncy doubli ng method to remove electrical no ise in laser ran gefi nders J .I EEE T rans. on I n str u. and M eas. , 1991, IM -40(60 :1046-1047. 13I Fujima, S Iw asaki, K Seta. High -reso luti on dista nee me -ter using optical inten sity modu