【正文】 低了信噪比特別是在回波信號很弱的時候。另外，電子噪聲特別是由 大功率調制引入的電子相干噪聲對探測精度影響很大。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。雙 (多 )波長激光測距可以避免大氣對測量精度的影 響。 (1)對于脈沖激光測距測量系統(tǒng)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。由于其光學系統(tǒng)僅包含一個光源和一個準直透鏡，結構極其簡單、緊湊，系統(tǒng)易準直，因此倍受關注。 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）。 調頻連續(xù)波（ FMCW）激光測距 調頻連續(xù)波激光測距主要是通過發(fā)射一頻率連續(xù)可調的激光，測量接收到激光的頻率來推算距離。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7 的拍頻。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(yōu)點，因此它非常適合于高精度相位測距。 (2)相位調制 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）和九十年代發(fā)展起來的模間拍頻調制。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。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。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。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。據報道采用此方法時，漂移誤差能控制在177。圖 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。由脈沖幅度與形狀變化引起的漂移誤差為Δ 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 。 (2)時刻鑒別 對于目前 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。激光發(fā)射單元在 t時刻發(fā)射一激光脈沖，其中一小部分功率直接進入回波接收單元，觸發(fā)開始信號（ START），開始時間間隔測量；其余功率通過發(fā)射通道向目標發(fā)射出去，經距離 L 到達目標后被反射 。 脈沖激光測距 (1)脈沖激光測距機的測距原理 脈沖激光測距是利用激光脈沖持續(xù)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）的特點進行測距，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。 4 2 半導體脈沖激光測距機的方案設計 激光測距原理概述 激光測距主要有三種方法：脈沖激光測距、相位激光測距和調頻連續(xù)波測距。最后的系統(tǒng)級仿真，主要是通過制作的原理樣機進行實際測距試驗，獲得大量的數據并且進行了分析。分析并行口和串行口在數據傳輸上的特性和優(yōu) 缺點，選擇合適的數據采集形式。 10ppm）的時鐘基準，然后是利用這個時鐘基準作為計數器和控制電路的基準信號，設計高時間分辨率計數電路，使電路時間分辨率達到 2ns，并且有穩(wěn)定的重復測距率（ 10KHz）和抗干擾性能。 3. 高精度計數模塊 它是決定測距精度的核心部分，也是超小型脈沖激光雷達的核心部分。 2. 光信號的接收和放大及整形模塊 這一部分是決定高精度技術模塊是否能工作的前提。 1. 脈沖激光的發(fā)射電路模塊的設計及研制 這一模塊主要是設計一個驅動電路，用來驅動 850nm 波長的高性能半導體激光二極管 SPLLL85 發(fā)射脈沖激光（結合光學系統(tǒng)）。其具體內容包括脈沖激光的發(fā)射和接收的硬件電路模塊、高精度計數模塊、控制模塊及數據采集。 1m。 國內在微型化 LD 激光測距儀方面的研究尚處于發(fā)展階段，有些單位有該項研究的報道。 50mm，距離分辨率為177。上述 LD 激光測距儀經過改進后，是可以滿足末敏彈的測程和定位要求。 由于國外自九十年代就已經開始大力發(fā)展 LD激光雷達，目前 LD激光雷達在中、遠程激光雷達應用方面有取代 YAG 激光雷達的趨勢，近年又發(fā)展了一種便攜式、對 人眼安全、無合作目標、低價的適用家庭的 LD 激光測距儀，既能作為望遠鏡又具有測距功能，如： 1996 年下半年美國 Bushnell 公司推出了測距能力為400 碼的 400 型小型、輕便、省電、對人眼安全、低價的 LD 激光測距機 Yardage400（ 800），已被評為 1997 年世界一百項重要科技成果之一； 1997 年 Bushnell 公司在網上又推出測距能力為 800 碼的 800 型激光測距儀； 1998 年美國 Tasco 公2 司又推出測距能力為 800 碼的攝像機型 Lasersite LD 激光測距儀 [3]。此外美國科學應用國際公司與美國海軍研究室還開展了雙模式成像激光雷達的研究；美國 Sandia 國家實驗室還提出了將合成孔徑雷達和激光雷達融合為一體的末端制導概念。八十年代半導體激光二極管（ LD）技術日趨成熟，隨著半導體激光二極管在提高輸出功率、改進光束方向性和提高探測器靈敏度等方面不斷取得重大進展， LD 或 LDA（激光二極管陣列）開始應用于中、短程測距，它具有體積小、重量輕、結構簡單、使用方便，對人眼安全、性價比高等一系列優(yōu) 點。由于激光的頻率比微波高三四個數量級，并且波束窄、方向性好和相干性強，因此與微波雷達相比，激光雷達具有測量精度高、分辨率高、抗干擾能力 強和隱蔽性好、體積小、重量輕等獨特優(yōu)點，其發(fā)展受到許多國家的重視，應用也日益廣泛。1 1 引 言 國內外研究狀況及發(fā)展趨勢 激光技術自六十年代以來，已經進入了許多軍事技術領域，提供了大量的裝備，顯著的提高了偵測、識別、導航、指揮、控制、通訊、訓練和光電對抗等軍事技術，大大的加強了軍事打擊和防御能力，成為軍事“力量倍增器”。它可準確的獲得目標的有關特征信息，如目標位置（距離、方位和高度）、運動狀態(tài)和形狀等，從而實現對目標的探測、跟蹤、定位和識別。 七十年代， YAG 激光器技術日益成熟并開始大量應用于激光測距，八十年代，遠程、中程、近程的激光測距主要采用的是 YAG 激光器，如：坦克、炮隊激光測距、大地測量。八十年代，美國 Sandia 國家實驗室研制成半導體激光主動成像雷達導引頭試驗系統(tǒng)及其信號處理裝置；九十年代，該實驗室又研制成功非掃描半導體激光主動成像雷達?？傊?，激光雷達在國外己經進入實用化階段。顯然，從測程、測頻和小型化等方面來看 。值得注意的是，美國報道的采用脈沖測距原理的高重復率激光雷達演示系統(tǒng)已實現 10KHz 的測頻，測程 2公里，測距精度為177。 14mm，可以對建筑物等景物成清晰的距離象。其中中國計量大學光電子所與國內外合作開發(fā)了 LD 兩種型號（一種光學三分離式的；一種接收與瞄準結合的光學望遠鏡式的）低價、省電、便攜式的激光測距機，測距能力達 1 Km，測距精度為177。 本文的主要內容 本文主要是關于超小型脈沖激光測距電路部分的設計和研制。其中高精度計數和控制模塊是超小型脈沖激光測距機的核心部分，是關鍵之所在。其中所要解決的問題是如何產生頻率重復率高達 10KHz 的脈沖激光信號，該脈沖信號脈沖寬度必須小于25ns，由測距的 范圍（ 300m）決定，單次光脈沖信號的能量不能小于 10W。其中首要解決的問題是如何利用高性能的光電轉換器件（ SiAPD）接收到能量達到 109W 量級的微弱回波信號（結合光學系統(tǒng)）；然后是利用合適帶寬放大器對接收到的脈沖寬度約為25ns 脈沖電信號進行放大（放大器的帶寬不能小于 80MHz，否則會導致放大后的波形失真，脈沖被展寬），如何提取出利用告訴比較器對信號進行濾波，濾除背景光和電路引起的噪聲，來獲得獲得“高純度”的脈沖觸發(fā) 信號供后續(xù)電路使用。由于特殊的使用場合，首先主要解決使用低頻晶振來產生高頻率（ 125MHz）、高穩(wěn)定3 度（小于177。 4. 計數結果輸出模塊 這一部分主要解決的問題是如何對 15 Mb/s 計數的結果進行高速采集。 5. 電路功能的驗證和系統(tǒng)的聯調 對每個電路或程序都進行了功能模擬仿真，以驗證其設計的正確性。分析結果用于評價電路系統(tǒng)的性能并指導系統(tǒng)總體和子模塊的改進工作。 測 距 技術主要包括：脈沖激光測距的時間間隔測量技術和時刻鑒別技術； 激光相位測距的相位調制技術及 其調 制噪聲問題； 調頻連續(xù)波測距技術和半導體激光自混合干涉測距技術等。 圖 脈沖激光測距的基本原理圖 如圖 所示，一個典型的脈沖飛行時間激光測距系 統(tǒng)通常由以下五個部分組成：激光發(fā)射 單元 、接收 單元 、時刻鑒別部件、高精度時間間隔測量部件和處理控制 單元 。接收通道的光電探測器接收到返回脈沖，經放大后到達信號的放大及整形單元，產生一終止（ STOP）信5 號，終止時間間隔測量；高精度計數單元把所測得的時間間隔結果 t輸出到處理控制單元，最后得到距離 R（ L=2R）。前沿鑒別法是通過固定閾值方式來確定起止時刻（如圖 所示），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。因此，前沿鑒別法的測量誤差比較大。 圖 前沿時刻鑒定 圖 恒定比值時刻鑒定 圖 高通容阻時刻鑒定 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 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6 線路，原來的極值點轉變?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的斜率的影響。 （相當于 的測距精度）。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。 PMT 是利用光電發(fā)射效應工作的，其增益 M可達 105107， PIN是利用 PN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 增益 M可達 102104，響應時間 非常短（ ），是高精度微弱信號探測的首選探測器。 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。 激光相位測距 (1)激光相位測距 的原理 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。用于 LD 的直接電流調制具有簡單易調制等優(yōu)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。以波長為 633nm HeNe雙頻激光器為例，若腔長 L介 于 1530cm，經計算可獲得 500MHz1000MHz 的調制頻率。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。據報道：運用此 FMCW 激光測距方式，已同時獲得了 的測距范圍和 20 mm 的測距精度，其頻率惆啾率為 100pHz/s 。 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。 三種測距方法的比較 三種測距方法是針對各種不同 的工作場合和不同的精度要求都有各自的優(yōu)缺點。以上主要是從激光飛行時間 t 出發(fā)來考慮距離的精度，其中的關鍵是如何精確穩(wěn)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(huán)境溫度、氣壓及大氣湍流的影響，精度一般可以達到 106（ 1ppm）。 而且時刻鑒別中，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(fā)射脈沖在幅度和形狀上都有很大不同，給正確確定起止時刻帶來困難，由此引起的測量誤差被稱之為漂移誤差（ walk error）；另外，由輸入噪聲引起的時間抖動也給測量帶來了誤差。 （ 2）對于相位調制影響激光測距精度的除大氣溫度、氣壓和濕度等外在因8 素外，還包括測距儀自身的光發(fā)射功率、測量平均次數和調制頻率及其穩(wěn)定性等參數。而且，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。 （ 3）而對于調頻連續(xù)波激光測距其主要研究的課題是，選擇增益帶寬寬的激光介質，增加頻率惆啾的寬度，提高測距精度 。 項目的部分要求 由于論文討論的 是用于手持式單兵或 末端制導小型脈沖激光測距，這就決定了我們在體積上必須做的小， 盡量使用集成器件；其次，由于系統(tǒng)較小，并沒 備有充足的電能 ，因此電路的設計應當盡可能的降低功耗，盡量避免使用大功率的器件；再次，由于特殊的應用場合，所有的硬件設備，包括電路和光學部分等等，都必須有良好的抗過載能力，這對選用 器件 具有較好 的機械性能又提出了要求。 ≤ 5瓦 10KHz 半導