【文章內(nèi)容簡介】 足測距概率要求的最小信噪比所對應(yīng)的探測功率。將代入激光測距儀接收系統(tǒng)輸出的信噪比方程得探測靈敏度為：(230)由式()可以看出，激光測距儀的探測靈敏度與一定的探測概率相對應(yīng)，系統(tǒng)所要求的探測概率越高，獲得高探測靈敏度的設(shè)計難度越大。要獲得高的探測靈敏度，必須對接收機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。21 距離誤差脈沖激光測距儀測得的目標(biāo)距離與目標(biāo)實際距離的偏差稱為測距誤差。它由和的測量誤差所決定。在不考慮大氣湍流的條件下，由于受大氣的氣壓、溫度、濕度的影響較小，對于測程為幾至幾十公里的脈沖激光測距儀來說，由的變化引入的測距誤差可以忽略。因此，測距誤差主要由的測量誤差造成，主要有以下三個誤差源：1)距離計數(shù)器中的量化誤差；2)激光脈沖寬度引起的探測誤差；3)距離計數(shù)器時鐘的頻率誤差。即： (231)1)距離計數(shù)器中的量化誤差量化誤差因激光發(fā)射脈沖、目標(biāo)回波脈沖與時鐘脈沖不同步，在數(shù)字電路中出現(xiàn)隨機(jī)概率變化的時間誤差。在理想情況下，計數(shù)器的計數(shù)誤差，則可計算出相應(yīng)的距離量化誤差為： (232)式中，為距離計數(shù)器的時鐘振蕩頻率。2)激光脈沖寬度引起的探測誤差簡單閾值探測電路中的探測誤差是由激光脈沖有限上升時間以及目標(biāo)對脈沖的展寬所引起的。有限上升時間使低幅度脈沖比高幅度脈沖遲后越過閾值，由此顯示的目標(biāo)距離較長。因此，由此造成的距離誤差是(或回波信號幅度)、閾值及激光脈沖波形的函數(shù)。假定目標(biāo)回波脈沖具有線性的時間特性并具有均勻越過閾值的概率，則由探測誤差引起的距離誤差為： (233)式中，Rt為激光回波脈沖的上升時間S。3)距離計數(shù)器時鐘的頻率誤差時鐘頻率誤差由數(shù)字時鐘振蕩電路的頻率漂移產(chǎn)生。因為時鐘頻率誤差導(dǎo)致的計時誤差隨時間線性增加，因此距離誤差是目標(biāo)距離的線性函數(shù)，它23由下式給出： (234)式中，測距儀最大測程，時鐘頻率誤差(幾分之一個時鐘頻率)。 時間間隔測量技術(shù)到目前為止，時間間隔的測量主要有三種方法：模擬法、數(shù)字法和數(shù)字插入法[15]。 1) 模擬法：即在待測時間間隔內(nèi)對一已知電容以大電流進(jìn)行充電， 然后對其以小電流放電()，則放電時間為，實際測得。此方法的優(yōu)點是測量精度非常高，可達(dá)皮秒量級。但由于電容充放電過程中，充放電時間之間的關(guān)系不是絕對線性的，存在非線性現(xiàn)象，其大小大致為測量范圍的萬分之一，這就限制了測量范圍，或者說隨著測量范圍的增加，精度會降低；另外，電容的充放電性能受溫度的影響非常大(達(dá)1030ps/c),對測量系統(tǒng)的溫度特性要求就非常苛刻。2) 數(shù)字法:即用同步時鐘脈沖對時間間隔進(jìn)行計時。其優(yōu)點是線性好， 并與測量范圍無關(guān)。由于其測量精度主要受時鐘頻率所限，即它的測量精度為正負(fù)一個時鐘周期。通常使用幾百兆赫茲的時鐘，精度為十納秒量級；即使頻率高達(dá)10GHz的時鐘，精度也只有百皮秒，與之對應(yīng)的距離為分米量級，測距精度顯然非常低?？梢酝ㄟ^采用多次測量取平均的方法來提高測量精度，但對于高速測量就無能為力了。3) 數(shù)字插入法：是通過采用數(shù)字法結(jié)合各種不同的插入方法來實現(xiàn)精確測量的，可以同時得到高單脈沖測量精度和高線性，能夠適應(yīng)高速、大測量范圍和高精度的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，已有的插入方法主要有三種:延遲線插入法、模擬插入法和差頻測相插入法。數(shù)字插入法是基于數(shù)字測量的方法，他繼承了數(shù)字法的測量范圍大和線性好的優(yōu)點，同時通過插入法提高測量精度。數(shù)字法的時間間隔測量誤差主要來源于時鐘脈沖的上升沿與測量開始和終止脈沖的上升沿之間的時間差和所導(dǎo)致的誤差大小為其中為時鐘脈沖周期，為測得時間間隔，為實際25時間間隔。運用插入法的目的就是通過在信號開始處與信號結(jié)束處使用各種插入法高精度測量與，從而求出，對測量結(jié)果進(jìn)行修正。由于激光脈沖在空中傳輸過程中的衰減和畸變，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稱為漂移誤差；另外，由輸入噪聲引起的時間抖動也給測量帶來誤差。如何設(shè)計時刻鑒別單元以達(dá)到消除或減小漂移誤差和時間抖動，是激光脈沖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、恒定比值鑒別和高通容阻鑒別。前沿鑒別是通過固定閾值方式來確定起止時刻，即以脈沖前沿當(dāng)中強度等于所設(shè)閾值的點到達(dá)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，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間。因此，前沿鑒別法的測量誤差是很大的。恒定比值鑒別法的原理，是將起止時刻取在脈沖高度一定比值的地方，例如恒定比值取50%，即取脈沖上升沿中半高點到達(dá)的時刻為起止時刻，如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，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。接收通道輸出的起止信號脈沖通過一高通容阻濾波線路，原來的極值點轉(zhuǎn)變?yōu)榱泓c，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。時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器的類型有關(guān)。激光回波脈沖是先經(jīng)接收通道的光電探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和前置放大后進(jìn)入時刻鑒別單元的，光電探測器的光電轉(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)常采用的光電探測器包括光電倍增管、PIN光電二極管和雪崩光電二極管等。光電倍增管是利用光電發(fā)射效應(yīng)工作的，其增益M可達(dá)；PIN是利用pn結(jié)的光生伏特效應(yīng)制成的，但無內(nèi)部增益；利用雪崩倍增效27應(yīng)制成的倍增管的增益可達(dá)，響應(yīng)時間非常短，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(jī)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(jié)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(chǎn)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(guān)。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[1618]。按照探測方法來分，激光接收機(jī)可分為兩類：(1)非相干或直接探測接收機(jī)；(2)相干探測或光混頻接收機(jī)。直接探測接收機(jī)廣泛用在各類激光測距儀中；相干探測接收機(jī)主要應(yīng)用于激光測距儀以及用于要求獲得目標(biāo)徑向速度的激光測距儀中。1) 直接探測這類探測方法由光電探測器接收從目標(biāo)返回的激光能量，并把它轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。光電探測器輸出的電信號正比于探測器接收到的光功率，不要求光信號具有相干性，因此這種探測方法又稱為非相干探測。激光測距儀的性能參數(shù)中，對測程起決定作用的是接收機(jī)的最小可探測信號功率，越小，接收機(jī)靈敏度越高，測程也就越遠(yuǎn)。對于直接探測來說，常見噪聲源有光電探測器的噪聲、背景噪聲和量子噪聲三種。若用光電倍增管接收，則探測器的噪聲主要來自光電陰極自發(fā)發(fā)射引起的散粒噪聲，即暗電流噪聲和輸出回路的熱噪聲，當(dāng)光電倍增管的放大倍數(shù)足夠大時，熱噪聲比暗電流噪聲小，可忽略；冷卻光電陰極可使暗電流降低12個數(shù)量級。若用硅光電二極管接收，則探測器的熱噪聲是主要的噪聲源。當(dāng)用雪崩光電二極管接收時，則背景噪聲是主要噪聲源，減小背景噪聲的主要措施是采用窄帶濾光片和盡量減小接收視場。即使在光電探測器噪聲和背景噪聲都不存在的理想情況下(例如己采取有關(guān)措施使它們降低到可以忽略不計的程度)，但由于信號輻射本身的量子性，仍然存在著量子噪聲。292) 外差探測由于激光的單色性很高，其譜線極窄，因而可以利用兩個激光信號在光頻段進(jìn)行混頻(和頻或差頻)實現(xiàn)光的相干探測。相應(yīng)的相干探測接收有兩種，即外差探測接收和零差接收。在激光測距和激光雷達(dá)應(yīng)用中主要用外差探測接收機(jī)，相干探測接收機(jī)的原理框圖如圖所示。來自目標(biāo)和本機(jī)振蕩器的兩束相干光入射到探測器上，并在探測器的表面混頻(此時探測器又作為混頻器)。產(chǎn)生差頻信號，同時探測器接收光信號，輸出光電流的電功率正比于入射在探測器上的光功率。從輸出信噪比的角度看，由于本振信號強，該強信號與一弱信號混頻后可以消除探測器的內(nèi)部噪聲。同時，因為中頻放大器的帶寬比光學(xué)濾光片窄很多，光混頻則適宜減小背景噪聲的影響。外差探測的信噪比公式為： (235) 式中的分子為二次檢波后的信號與本振功率混頻后獲得的均方根電流；B為探測器后面前置放大器的帶寬。分母中包括本機(jī)振蕩器的發(fā)射噪聲和熱噪聲項；對光電二極管F=2，對光導(dǎo)探測器F=4；M為增益系數(shù)，對光電二極管M=1，對光導(dǎo)探測器為光導(dǎo)增益；為光混頻器(探測器)的量子效率；和B分別為中頻放大器噪聲溫度和輸入阻抗；e為電子電荷；k為玻耳茲曼常數(shù)；h為普朗克常數(shù)；為輻射頻率。在滿足本振功率的情況下，與本振發(fā)射噪聲相比，熱噪聲可以忽略，故表達(dá)式可簡化為： (236)這是量子噪聲極限的情況。對于光混頻的系統(tǒng)有一下特殊要求：1)為了有效的進(jìn)行混頻，在探測器表面上本振信號和信號波之間的夾角要小，其中是光波長，是發(fā)生光混頻作用表面的長度，這個要求使31第3章 脈沖激光測距系統(tǒng)的設(shè)計接收視場角受到嚴(yán)格限制。在混頻器表面直徑為1cm、光波長為1μm時，視場角必須小rad。2)有高度穩(wěn)定的、單色的激光發(fā)射器和本機(jī)振蕩器。一些氣體激光器短期率穩(wěn)定性大多為幾千赫。然而它們的輸出功率太小，目前只有激光器的輸出功率和頻率穩(wěn)定性能同時滿足本機(jī)振蕩器和發(fā)射機(jī)的要求，使之成為相干探測雷達(dá)和激光測距儀的理想發(fā)射器件。3)光本地振蕩頻率的方法問題。由于激光信號的多普勒頻移的頻帶相當(dāng)寬，特別是在跟蹤空中目標(biāo)時更是如此。例如，目標(biāo)相對于lμm波長激光測距儀的徑向速度為5km/s，將產(chǎn)生10GHz的多普勒頻移。因此，為了獲得多普勒頻移信息，這一類運動目標(biāo)要求激光本地振蕩器能快速的調(diào)頻，改變激光器的頻率有幾種方法，但目前還沒有一種令人滿意。 本章小結(jié)本章重點闡述了本次脈沖激光測距系統(tǒng)的設(shè)計所涉及的相關(guān)基礎(chǔ)知識，如今，由于激光所具有的諸多優(yōu)越性而使其得到了廣泛地應(yīng)用，本章主要從脈沖激光測距的基本原理以及一些性能方程或參數(shù)等方面進(jìn)行探索，以求對脈沖激光測距有一個更為全面的了解，為后續(xù)的設(shè)計奠定基礎(chǔ)。 33 第3章脈沖激光測距系統(tǒng)的設(shè)計 脈沖激光測距系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 脈沖激光測距系統(tǒng)主要由單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、激光發(fā)射電路、激光接收電路和時間間隔計時部分組成。：本設(shè)計用按鍵開關(guān)K2來實現(xiàn)對單片機(jī)的復(fù)位以及K1對激光發(fā)射單元的控制，同時由參考光束和回波光束所轉(zhuǎn)換的電信號通過單片機(jī)控制TDCGP2計時部分開始計時與停止計時，并通過軟件計算控制LED顯示所測得的被測物的實際距離(單位為米)。 A 激光器 發(fā)射光束 參考信號取樣器 探測器 回波光束 B 干涉濾光片 放大器 TDCGP2計時 開始E 系統(tǒng) 計時 單 片 方波信號 結(jié)束 機(jī) VCC 40MHz 計時F 將計時系統(tǒng)測得的時間間隔送單片機(jī) K 圖31激光測距系統(tǒng)整體框圖 激光脈沖發(fā)射電路本設(shè)計以半導(dǎo)體激光器(LD)做為脈沖激光源，它的主要優(yōu)點在于體積小、效率高。作為近距離激光測距系統(tǒng)的激光光源。砷化銦鎵（InGaAs）21半導(dǎo)體激光器的輸出波長為905nm，位于大氣的紅外光第一穿透區(qū)邊緣，穿透率很高，是一種常用的高功率半導(dǎo)體激光器，： 圖32 脈沖激光發(fā)射電路 當(dāng)給TRIGER低電平時，Ql、Q3截止，高壓經(jīng)過RCDl和R1并聯(lián)電路向電容C2充電，使C2兩端的電壓達(dá)到150V左右。 當(dāng)給TRIGER高電平時，QQ3導(dǎo)通，電容C1經(jīng)QQ激光器放電，此時，激光器在一個很短時間內(nèi)可通過一個峰值電流大約為20mA左右的電流脈沖，使其發(fā)出相應(yīng)峰值功率大約為20w的激光脈沖。 晶體管Q3主要起加速作用，Dl、R3并聯(lián)電路是用來抑制激光器的反向脈沖，保護(hù)激光器不被損壞。晶體管QQ3的響應(yīng)速度、C1電容值大小及放電回路的等效電阻及電感共同決定了激光器發(fā)出的光脈沖上升沿和半脈寬。 脈沖激光測距系統(tǒng)的測距精度和光脈沖的上升沿有很大的關(guān)系，上升沿是直接控制系統(tǒng)計時開始的分界，因此應(yīng)選用快速的晶體管，C1的電容值也應(yīng)合適，過大會使光脈沖上升沿變大，影響測距精度，過小的取值會降低光脈沖的峰值功率的大小，縮短測距范圍。經(jīng)實驗，采用上圖電路可獲得大約上升時間