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

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。

2、關(guān)鍵詞:激光測(cè)距; 飛行時(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 Introduction on the Development of Laser Time -of -flight Distance Measurement TechnologyCHEN Qian -song 1, YANG Cheng -w ei 1, PAN Zh-i w en 2, H UO Yu -jing 1(1. Department of Electronics Eng ineering, T sing hua U niversity, Beijing 1

3、00084, China; 2. Department of P hysics Education, T eachers College, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China Abstract:T he development of L aser T ime -o-f F light(T OF distance measurement technolo gy is introduced briefly in the paper. T he techniques include time -inter val measurement and t

4、iming discrimination techniques in pulsed laser dis -tance measurement, phase modulation technique and its noise in laser AM CW di stance measurement, F M CW and laser diode sel-f mixing interference distance measurement technique.Key words:laser distance measur ement; time -o-f flight; technology d

5、ev elopment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

6、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。:光電探測(cè)器接收到返回脈沖, 經(jīng)放大

7、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 題之一。圖2 前沿時(shí)刻

9、鑒別 圖4 高通容阻時(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 。前沿鑒別法是通過固定閾值方式來確定起止時(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t r 。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

10、比值F 此處取50%, 即取脈沖上升沿中半高點(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, 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(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 通過一高通容阻濾波線路, 原來的極值點(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

11、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

12、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)刻鑒別過程中還存在時(shí)間抖動(dòng), 它是由于輸入信號(hào)噪聲和來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

13、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,

14、 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(DPSSL10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. 3 調(diào)制噪聲問題圖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

15、LD 產(chǎn)生的光脈沖鏈和泄漏場(chǎng)的頻譜11, 在272MH z 處除信號(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。對(duì)于LD 來講, 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

16、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, 通過光波導(dǎo)調(diào)制器得到28GHz 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

17、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 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)

18、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)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 m 的測(cè)距精度。圖6 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

19、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)及其噪聲問題, 調(diào)頻連續(xù)波激光測(cè)距的關(guān)鍵問題和半導(dǎo)體激光自混合干涉測(cè)距技術(shù)。參考文獻(xiàn):1 K M ÝÝtt Ý, J K ostamovaar a. A hig h -precision time -to -dig-ital co nverter for pulsed t ime -to -flight laser r adar applica -tionsJ1IEEE T rans. Instr. and M eas. , 1998.

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