脉冲式激光测距系统设计.docx

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脉冲式激光测距系统设计

脉冲式激光测距系统设计

摘要本文通过对高精度脉冲式激光测距系统的研究，并在参照课题技术指标的基础上，旨在提供一种高精度脉冲式激光测距系统的解决方案，并对脉冲式激光测距仪系统设计中所涉及的脉冲读取与放大电路、时刻鉴别、时间间隔测量等关键技术进行了深入的研究和探讨。

本论文详细讨论了一种可实现高速激光测距的接收电路和计时电路。

实验系统采用APD作为光电传感器，将激光脉冲信号转变为微弱电流脉冲，经过两级放大后，信号变为幅度较大的电压脉冲，经过时点鉴别电路分别确定计时起点和终点后，由计时电路来精确测量两个时间点之间的时间间隔。

关键词:

脉冲激光测距，时刻鉴别，TDC-GP2，传递延时，APD

Pulselaserrangefindersystemdesign

Abstract：

Ahigh-precisionpulselaserrangefindersolutionisproposedinthispaperthroughtheresearchofhigh-precisionpulsedlaserrangefindersystemonthebasisofreferringtothesubjecttechnicalindexes.Besides,somekeytechnologyinvolvedinpulselaserrangefindersystemdesignsuchaspulsereading,amplifyingcircuit,timingdiscrimination,time-intervalmeasurement,etc,havebeenresearchedanddiscussedindepth.

Atypeofreceivercircuitandtimingcircuitwhichcanbeappliedinhigh-speedlaserrange-finderisdiscussedinthispaper.Aftertwo-levelamplificationwegotavoltagepulsethathadaenoughamplitudetobeapplied，thetimingpointwasdiscriminatedbytheconstant-fractiontimingdiscriminatorcircuit.

Keywords:

PulsedLaserRangefinder,TimingDiscrimination,TDC-GP2,Propagationdelay,APD

1绪论

1.1课题研究的背景意义

在当今这个科技发达的社会，激光测距的应用越来越普遍。

在很多领域，如电力，水利，通讯，环境，建筑，地质，警务，消防，爆破，航海，铁路，军事，农业，林业，房地产，休闲、户外运动等都可以用到激光测距仪。

当前激光测距仪的发展趋势是向测量更安全、测量精度高、系统能耗小、体积小型化方向发展。

激光测距仪一般采用两种方法来测量距离：

脉冲法和相位法。

而其中脉冲激光测距的应用领域也是越来越宽广，比如，地形测量、战术前沿测距、导弹运行轨道跟踪以及人造卫星、地球到月亮距离的测量等。

脉冲激光测距法是利用激光脉冲持续时间非常短，能量相对集中，瞬时功率很大（可达几兆瓦）的特点，在有合作目标的情况下，脉冲激光测距可以达到极远的测程；如果只是利用被测目标对脉冲激光的漫反射所取得的微弱反射信号，也是可以测距的。

因而脉冲激光测距法应用较多。

1.2激光测距机的发展状况

六十年代诞生后，首先被应用于测距定位。

经过长时间的不断发展，激光已产生了大量的测距产品。

激光测距按技术途径一般分为脉冲激光测距和相位激光测距。

脉冲测距主要应用于远距离目标定位，测距范围0-50km（常规军用测距机），而相位测距主要应用于高精度近距离测距，其测距范围在0-lkm。

脉冲型测距方式目前往往采用接收直接探测方式，直接探测方式与闪值检测仅适宜于强光信号探测，而对远程目标回波和强噪声背景下的弱目标回波很难探测。

目前随着雷达技术和信号处理技术的进步，对回波进行信号积累、滤波、相关检测、特征匹配、目标跟踪等数字信号处理，可以在一定的虚警概率和检测概率情况下，显著降低可检测信噪比，提高激光测距能力。

由于远程精确打击和导弹防御在现代化战争中所占据的主体地位，国外，特别是以美国为代表的发达国家加速了对激光远程测距仪的研制，开始投入使用。

美国海军九十年代为TMU研制的机载光电跟踪传感器系统—“门警”Gatekeeper）系统，计划装于大型预警机和侦察机上，其重要环节LR/T激光雷达的核心即为远程激光测距技术。

激光测距系统采用OPONd:

YAG激光器，激光波长1.57nm，激光脉冲能量500mJ脉冲宽度（半宽）20ns，光束角30arad,接收口径200mm，并且采用工nGaAs雪崩光电二极管探测器。

装在预警机上，对战区弹道导弹测量，预计能达到最大作用距离:

在目标高度32km时，可测距300km;高度53km时，可测距450km，测距精度为lm，该测距机采用的是三个脉冲为一串的多脉冲型激光测距方式。

由于远程测距体制对于激光测距有着至关重要的地位。

目前我国也在研制相应的测距体制己增加常规测距机的作用距离。

多脉冲测距体制是众多方案中较为现实可行的方法。

1.3本文研究的目的、内容

本文详细研究了激光测距的原理，采用脉冲串（多脉冲）测距体制，它与普通单脉冲测距体制不同之处在于:

由含有多个脉冲的脉冲串激光信号来获得被测目标距离；采用高功率脉冲串激光产生器和多脉冲激光信号相关处理器;脉冲串激光产生器的激光脉冲功率可做到与普通的脉冲激光测距机相同;信号处理方式是对脉冲串激光信号的时间和波形特征进行数字相关处理，与普通的激光测距相比，可将最小可探测功率降低数倍，从而使激光测距能力得到大幅度提高。

在对系统参数进行设计后，确定了系统设计的相关参数，然后对激光发射电路、接收电路、基于TDC-GP2的计时电路分别进行设计分析，并用仿真软件完成设计。

设计说明书的研究内容和各章节安排如下：

第1章为本文绪论部分，主要讨论激光测距的种类和应用、激光测距系统的国内外研究现状以及本论文所涉及的主要研究内容。

第2章主要对目前常见的激光测距方法进行阐述并，并对系统设计方案进行了设计。

第3章是本文的重点，主要介绍脉冲激光的驱动原理与驱动方法；设计激光接收系统，PD与APD光电二极管的驱动方法、信号放大原理以及脉冲信号的时刻鉴别系统。

第4章是本文的另一核心部分。

主要讨论高精度时间间隔测量原理以及进行了基于TDC-GP2的高精度时差测量系统的设计。

第5章是本文的结论部分，该部分对论文中的主要工作进行总结。

2脉冲激光测距及测距方程

2.1脉冲激光测距基本原理

脉冲激光测距系统的原理与微波脉冲雷达测距原理相似，在测距点向被测目标发射一束短而强的激光脉冲，光脉冲发射到目标后一小部分激光反射到测距点被光功能接收器接收。

设目标距离为R，激光脉冲往返经过的时间为t，光在空气中传播的速度为c，则测距公式如下：

R=ct/2。

实际脉冲激光测距机是利用时钟晶体振荡器和脉冲技术起来测定时间间隔t的。

时钟即晶体振荡器用于产生固定频率的电脉冲振荡（T=1/f），脉冲计数器的作用是对晶振产生的电脉冲个数进行计数[2]。

如在测距机和目标之间光往返的时间t内脉冲个数为N，能带测距离

。

相对测距精度为

。

如图2.1所示:

图2.1计时波形图

2.2脉冲激光测距性能方程

2.2.1脉冲激光测距的测距方程

一束激光以一定的辐射功率和发散角在大气中传播，在激光束传播的过程中，由于大气的存在，激光束的一部分光能被吸收，一部分光能被散射，最终到达目标的辐射能通量已减少了许多。

我们将目标看成二次光源，根据目标的漫反射性质，我们即可求出沿着探测器方向的激光辐射亮度，对目标的整个受照面积进行积分，同时考虑大气对回波信号的衰减作用，就可以得到进入探测器的回波光功率[6]。

图2.2脉冲激光测距原理示意图

脉冲激光测距原理图如图2.2所示,为了使激光发射系统发射的激光功率尽可能多的被激光接收系统所接收，同时又保证尽可能少的背景辐射进入接收系统，必须使激光接收系统的接收视场角Ωr，同激光发散角Ωt之间有良好的匹配关系。

在理论上，最简单的方法是使接收视场角等于光束发散角，即Ωr=Ωt，在这种情况下发射光束直径总是等于接收视场直径。

假定激光测距仪的发射系统和接收系统是非同轴的，并假定激光光强是均匀分布的（实际是按高斯分布的）。

设激光发射系统发射的激光峰值功率为TtPt，发射的激光束的立体角为假定激光测距仪的发射系统和接收系统是非同轴的，并假定激光光强是均匀分布的（实际是按高斯分布的）。

设激光发射系统发射的激光峰值功率为TtPt，发射的激光束的立体角为Ωt，则激光光源照射在被测目标上的辐射照度为:

（2.1）

式中，Ta是激光传输距离为R的大气透过率,

（2.2）

这里

为大气消光系数。

设目标为理想的漫反射体，则目标作为二次辐射源沿各方向的辐射亮度Lm为一常数，且辐射亮度与出射辐射度之间的关系为:

（2.3）

若设目标的漫反射率为

，则目标的辐射出射度为Mm=ρEt，于是可求出目标的辐射亮度:

=

（2.4）

设激光测距仪接收天线的面积为A,激光发射光束与距离R处的目标相交的截面积为S，任一面元ds与激光测距仪光轴的夹角为φ，则根据亮度的定义，可求出目标作为二次辐射面光源沿激光测距仪光轴方向辐射到典立体角内的辐射功率为:

（2.5）

设激光测距仪的接收视场

，接收光学系统的透过率为Tγ，考虑到大气透过率Ta可以计算出被探测器接收到的光功率Pr为:

（2.6）

设目标的有效反射截面

=

，则激光测距仪对小目标测距时的测距方程可改写为:

（2.7）

为使上式适用于对大目标测距的情况，引入比例因子

。

众所周知激光测距仪的信噪比是一个很重要的指标，因此为了减小进入到光电探测器中的外部噪声，在对小目标测距时通常使激光测距仪的接收视场角Ωr略小于激光束的发散角Ωt这种条件下，目标后向反射的激光功率中，只有在接收视场内的才能被光电探测器所接收，该功率与目标后向反射光功率之比

。

令

=

，并将比例因子，γ代入上式，则脉冲激光测距的测距方程可表述为:

（2.8）

其中：

Pt——激光测距仪的发射峰值功率；

Pγ——激光测距仪的接收峰值功率；

Tt——发射光学系统的透过率；

Tγ——接收光学系统的透过率；

Aγ——接收光学系统面积；

ρ——目标漫反射系数；

Ta——大气或其他介质的单程透过率；

R——目标距离；

ε，γ——定义如下:

（2.9）

式中,Am为目标有效反射面积。

它由目标表面上任一面元ds与激光发射光束之间的夹角;以及目标被激光照射的表面积S确定，即

=

，Ωt为激光发射光束的发散角,Ωr为激光接收视场角。

由以上推导过程可知，测距方程成立的条件是:

（1）目标为理想的漫反射体；

（2）目标距离与激光测距仪横向尺寸相比足够大；

（3）接收视场

；

（4）忽略大气湍流对回波光功率的影响；

（5）忽略目标及大气对激光回波光束时域特性的影响；

（6）仅考虑了目标后向反射的回波激光功率。

激光测距方程描述了到达激光接收机光电探测器的回波功率与激光测距仪发射功率、光束发散角、光学系统透过率、接收视场等性能参数，传输介质（大气或水）的衰减，以及目标有效反射界面、反射率等目标特性之间的关系。

该方程虽然是简化方程式，但实验结果表明，它可以用于估算激光测距仪的最大探测距离及其影响测距性能的相关因素，是激光测距仪设计的理论基础。

然而大量研究结果表明，当激光测距仪的接收视场角较大时，由于大气对经目标反射的激光束有多次散射的作用，因此激光测距仪接收到的回波光功率有所增大。

2.2.2脉冲激光测距的信噪比方程

要探知一个客观事物的存在及其特性，一般都是通过测量它对探测者所引起的某种效应来完成的，对光辐射量的测量也是这样。

在光电子技术的实际应用中，必然涉及到如何将光信号转变为可观测信号并进行探测的问题。

从这个意义讲，凡是把光辐射量转换为电量（电流或电压）的光探测器，都称为光电探测器。

所以光电探测器及其光电探测技术在激光测距技术中是非常重要的。

1、脉冲激光测距的光探测原理

光电探测器的基本功能就是把入射到探测器上的光功率P（t）转换为相应的光电流i（t），即:

（2.10）

式中，e-电子电荷；ηq-探测器的量子效率，它由探测器的物理性质所决定；h-普朗克常数;Ѵ-入射光频率。

因此，只要待传递的信息表现为光功率的变化，利用光电探测器的这种直接光电转换就能实现信息的解调，这种探测方式通常称为直接探测。

因为光电流实际上是相应于光功率的包络变化，所以直接探测方式也常常叫做包络探测。

由于直接探测实现比较简单，可靠性又好，所以在脉冲激光测距仪等许多光电设备中都采用了直接探测技术。

现设输入光电探测器的信号光功率为st,噪声光功率为nl,光电探测器的输出电功率为s0,输出噪声电功率为n0,则总的输入光功率为st+nl,总的输出电功率为s0+n0,。

根据光电探测器的平方律特性，有

+

（2.11）

考虑到信号和噪声的独立性，应有：

（2.12）

所以输出信噪比为：

（2.13）

由上式可见,若

则有

即输出信噪比近似等于输入信噪比平方。

这说明，直接探测方式不适用于输入信噪比小于1或微弱光信号的探测。

如果

则

这时输出信噪比等于输入信噪比之半,光电信噪比损失不大，所以直接探测方式适用于强光探测在激光测距仪的系统设计中，必须确保输入光信号远大于总的噪声信号。

2、信噪比方程

直接探测光电系统大多从信号频谱与噪声频谱上的差别来抑制各种噪声的，因此，主动光电探测系统的发射信号必须是经过模拟或脉冲调制以后的调制信号，它的重要特性是它的频谱。

设脉冲激光测距仪发射的周期矩形脉冲的光功率如图2.3所示,可表示为:

（2.14）

图2.3周期性矩形光脉冲功率

式中，Pt0为激光脉冲的平均功率，m（t）为功率调制系数，其定义如下:

（2.15）

忽略大气及被测目标对激光脉冲调制特性的影响，则激光测距仪接收到的由其发射并经目标反射回来的脉冲回波光波功率为：

（2.16）

式中，Ps0为接收到的平均光功率，Ps0m（t）为接收到的信号光功率。

经光电探测器转换以后，Ps0变成直流电流，被交流放大器过滤掉。

Ps0m（t）变成电信号。

对于脉冲激光测距仪有

，则对Ps0m（t）进行傅氏积分得：

（2.17）

P（ω）是P（t）的频谱函数，或称频谱密度。

由图2.4可以看出：

（1）信号能量主要集中在一定的频带范围内；

（2）当脉冲持续时间减小时，频谱中通过零点的频率也随之增高，频谱宽度也增大。

对于其他形状的非周期性脉冲也有同样的性质。

因此，在探测较窄的脉冲信号时，应采用较宽的放大器。

若激光脉冲的主要能量集中于带宽△f以内,则放大器带宽取为△f，就能使信号能量得到放大输出、噪声得到抑制。

图2.4光功率谱密度

若以雪崩光电二极管（APD）接收来考虑，则回波信号功率

转换成的电信号电流为：

（2.18）

目标回波光功率Ps0和背景光功率Pb引入的散粒噪声电流分别为：

（2.19）

=

（2.20）

管子暗电流id也将引入散粒噪声，考虑到探测器负载电阻和放大器引入的折合到光电探测器输出端的热噪声，接收系统输出的噪声电流的有效值为：

（2.21）

探测器负载电阻和放大器热噪声之和可以等效于温度升高后用一项来表示。

由上面两式可得，激光测距仪接收系统输出的信噪比为：

（2.22）

式中，M-电流的倍增因子，Pγ-探测器接收的信号功率，ηq-探测器的量子效率，h-普朗克常数，Ѵ-光波频率，K-玻尔兹曼常数，T-绝对温度，△f-接收系统带宽，Rεq-等效负载电阻，Fn-APD管后面视频放大器的噪声系数，Fm与倍增过程相关的噪声系数，Ps0-探测器接收到的目标回波平均光功率，Pb-探测器接收到的背景光功率，id-APD管的体漏电流。

对于APD管在白天工作时，典型的情况是背景噪声为主要项，则式可简化为：

（2.23）

由以上式可知，影响脉冲激光测距仪性能的主要因素有激光测距仪的本身性能、激光的大气传输特性、背景辐射特性、被测目标特性等。

2.2.3脉冲激光测距仪的测距性能指标

从使用角度来看，脉冲激光测距仪的性能指标可以归纳为满足一定的测距范围、测距精度及工作频率等。

2.2.3.1最大测程

由测距方程式可知，随着目标距离R的增大，激光测距仪接收到的目标回波功率迅速减小。

当R=Rmax时，测距仪接收到的回波功率Pγ达到其最小可探测功率Pmin。

如果在测距方程中用最小可探测功率Pmin代替接收功率Pγ，则由测距方程可得到最大探测距离:

（2.24）

由上式可以看出，激光测距仪的最大测程不仅取决于测距仪自身性能，还取决于外部测距条件：

（1）获得大的最大测程，在激光测距仪的系统设计中，必须提高激光测距仪的发射功率Pγ，增大接收孔径面积Aγ，增大发射光学系统和接收光学系统的透射率Tt和Tγ,减小发射光束的发散角θγ,提高接收灵敏度即减小接收机的最小可探测功率Pmin的数值。

同时，系统设计还应考虑接收视场和光束发散角的匹配。

（2）激光测距仪的最大测程还与外部测距条件密切相关，大气透过率Ta越高、被测目标的有效反射截面Am及漫反射率ρ越大，激光测距仪的最大测程会大大增加。

因此，对激光测距仪测程的拟定与测试，必须要在一定外部约束条件下进行。

2.2.3.2探测灵敏度

激光测距仪的探测灵敏度即最小可探测功率Pmin定义为，满足测距概率要求的最小信噪比SNRmin所对应的探测功率。

将SNRmin代入激光测距仪接收系统输出的信噪比方程得探测灵敏度为:

（2.25）

由上式可以看出，激光测距仪的探测灵敏度与一定的探测概率相对应，系统所要求的探测概率越高，获得高探测灵敏度的设计难度越大。

要获得高的探测灵敏度，必须对接收机进行优化设计。

2.2.3.3距离误差

脉冲激光测距仪测得的目标距离与目标实际距离的偏差称为测距误差。

它由n和t的测量误差所决定。

在不考虑大气湍流的条件下，由于n受大气的气压、温度、湿度的影响较小，对于测程为几至几十公里的脉冲激光测距仪来说，由n的变化引入的测距误差可以忽略。

因此，测距误差ΔR主要由t的测量误差造成，主要有以下三个误差源:

（1）距离计数器中的量化误差△RQ；

（2）激光脉冲宽度引起的探测误差△RD；（3）距离计数器时钟的频率误差△RC。

即:

（2.26）

（1）距离计数器中的量化误差

量化误差△RQ因激光发射脉冲、目标回波脉冲与时钟脉冲不同步，在数字电路中出现随机概率变化的时间误差。

在理想情况下，计数器的计数误差Δm=±1，则可计算出相应的距离量化误差为:

=

（2.27）

式中，

为距离计数器的时钟振荡频率。

（2）激光脉冲宽度引起的探测误差

简单阈值探测电路中的探测误差是由激光脉冲有限上升时间以及目标对脉冲的展宽所引起的。

有限上升时间使低幅度脉冲比高幅度脉冲迟后越过阈值，由此显示的目标距离较长，如图2.5所示。

因此，由此造成的距离误差是SNR（或回波信号幅度）、阈值及激光脉冲波形的函数。

假定目标回波脉冲具有线性的时间特性并具有均匀越过阈值的概率，则由探测误差引起的距离误差为:

（2.28）

式中，tR为激光回波脉冲的上升时间S。

（3）距离计数器时钟的频率误差

时钟频率误差由数字时钟振荡电路的频率漂移产生。

因为时钟频率误差导致的计时误差随时间线性增加，因此距离误差是目标距离的线性函数，它由下式给出：

（2.29）

式中，R：

测距仪最大测程，bc：

时钟频率误差（几分之一个时钟频率）。

图2.5激光脉宽引起的测距误差

2.3激光脉冲飞行时间法的关键技术

2.3.1时间间隔的测量

到目前为止，时间间隔的测量主要有三种方法：

模拟法、数字法和数字插入法。

模拟法:

即在待测时间间隔tm内对一已知电容以大电流i1进行充电，然后对其以小电流i2放电（

=k），则放电时间为ktm，实际测得nT。

此方法的优点是测量精度非常高，可达皮秒量级;但由于电容充放电过程中，充放电时间之间的关系不是绝对线性的，存在非线性现象，其大小大致为测量范围的万分之一，这就限制了测量范围，或者说随着测量范围的增加，精度会降低；另外，电容的充放电性能受温度的影响非常大（达

）,对测量系统的温度特性要求就非常苛刻。

数字法:

即用同步时钟脉冲对时间间隔进行计时。

其优点是线性好，并与测量范围无关。

由于其测量精度主要受时钟频率所限，即它的测量精度为正负一个时钟周期。

通常使用几百兆赫兹的时钟，精度为十纳秒量级；即使频率高达10GHz的时钟，精度也只有百皮秒，与之对应的距离为分米量级，测距精度显然非常低。

可以通过采用多次测量取平均的方法来提高测量精度，但对于高速测量就无能为力了。

数字插入法:

是通过采用数字法结合各种不同的插入方法来实现精确测量的，可以同时得到高单脉冲测量精度和高线性，能够适应高速、大测量范围和高精度的应用领域。

目前，已有的插入方法主要有三种:

延迟线插入法、模拟插入法和差频测相插入法。

数字插入法是基于数字测量的方法，他继承了数字法的测量范围大和线性好的优点，同时通过插入法提高测量精度。

数字法的时间间隔测量误差主要来源于时钟脉冲的上升沿与测量开始和终止脉冲的上升沿之间的时间差ta和tb所导致的误差大小为

其中T为时钟脉冲周期，nT为测得时间间隔，tm为实际时间间隔。

运用插入法的目的就是通过在信号开始处与信号结束处使用各种插入法高精度测量ta与tb，从而求出ΔT，对测量结果进行修正

。

2.3.2起止时刻时间鉴别技术

由于激光脉冲在空中传输过程中的衰减和畸变，导致接收到的脉冲与发射脉冲在幅度和形状上有很大不同，给正确确定起止时刻带来困难，由此引起的测量误差称为漂移误差；另外，由输入噪声引起的时间抖动也给测量带来误差。

如何设计时刻鉴别单元以达到消除或减小漂移误差和时间抖动，是激光脉冲测距的重要研究课题之一。

目前时刻鉴别的方法主要有三种：

前沿鉴别、恒定比值鉴别和高通容阻鉴别。

前沿鉴别是通过固定阈值方式来确定起止时刻，即以脉冲前沿当中强度等于所设阈值的点到达的时刻作为起止时刻。

由脉冲幅度与形状变化引起的漂移误差为△t，其大小还与阈值的大小有关，最大值可能接近脉冲上升时间tγ。

因此，前沿鉴别法的测量误差是很大的。

恒定比值鉴别法的原理，是将起止时刻取在脉冲高度一定比值的地方，例如恒定比值取50%，即取脉冲上升沿中半高点到达的时刻为起止时刻，如不考虑波形畸变和噪声等其它因数的影响，由幅度变化引起的误差Δt=0，由此可见，恒定比值鉴别法能有效消除由脉冲幅度变化带来的误差。

为了有效地克服波形畸变和噪声带来的误差，提出了高通容阻时刻鉴别方法。

接收通道输出的起止信号脉冲通过一高通容阻滤波线路，原来的极值点转变为零点，以此作为起止时刻点，它的误差主要受信号脉冲在极大值附近斜率的影响。

据报道采用此方法时，漂移误差能控制在±3.5ps（相当0.5mm的测距精度）。

时刻鉴别的误