第32卷第1期激光与红外V ol. 32, No. 1
2002年2月 L ASER & IN FRARED
February, 2002
文章编号:1001-5078(2002 01-0007-04
激光飞行时间测距关键技术进展
陈千颂1, 杨成伟1, 潘志文2, 霍玉晶1
(11清华大学电子工程系, 北京100084; 2. 深圳大学师范学院物理教育系, 广东深圳518060
摘要:文中扼要介绍了激光飞行时间测距的若干关键技术研究进展。主要包括:脉冲激光测
距的时间间隔测量技术和时刻鉴别技术, 激光相位测距的相位调制技术及其调制噪声问题, 调频连续波测距技术和半导体激光自混合干涉测距技术等。关键词:激光测距; 飞行时间; 技术进展
中图分类号:TN958. 98; TM 935. 15 文献标识码:A
A Brief Introduction on the Development of Laser Time -of -flight Distance Measurement Technology
CHEN 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 100084, 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 timing 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 dev elopment
根据所发射激光状态的不同, 激光飞行时间测距分为激光脉冲测距和连续波激光测距, 后者根据起止时刻标识的不同又分为相位激光测距和调频激光测距。本文将介绍上述激光飞行时间测距方法的
关键技术进展。1 脉冲激光测距1. 1 脉冲激光测距原理
目前, 脉冲激光测距已获得了广泛的应用, 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、地球到月球距离的测量等。脉冲激光测距是利用激光脉冲持续时间极短, 能量在时间上相对集中, 瞬时功率很大(一般可达兆瓦的特点, 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; 在进行几公里的近程测距时, 如果精度要求不高, 即使不使用合作目标, 只是利用被测目标对脉冲激光的漫反射所取得反射信号, 也可以进行测距。
图1 脉冲激光测距原理图
如图1所示, 一个典型的脉冲飞行时间激光测距系统通常由以下五个部分组成[1]:激光发射单元、一个或两个接收通道、时刻鉴别单元、时间间隔测量单元和处理控制单元。激光发射单元在t 时刻发射一激光脉冲, 其中一小部分功率直接进入接收通道1, 经时刻鉴别单元产生起始(START 信号, 开始时间间隔测量; 其余功率从发射天线向目标发射出去, 经距离R 到达目标后被反射; 接收通道2的
作者简介:陈千颂(1974- , 男, 博士生, 主要从事激光雷达测距技术方面的研究。
:
光电探测器接收到返回脉冲, 经放大后到达时刻鉴别单元, 产生一终止(STOP
信号, 终止时间间隔测量; 时间间隔测量单元把所测得的结果t 输出到处理控制单元, 最后得到距离R (L =2R 。
测量系统的测量精确度主要依赖于接收通道的带宽、激光脉冲的上升沿、探测器的信噪比(峰值信号电流与噪声电流均方根值之比和时间间隔测量精确度。以上主要是从激光飞行时间t 出发来考虑距离R 的精度, 其中的关键是如何精确稳定地确定t 的起止时刻和精确测量t , 它们各自对应的是时刻鉴别单元和时间间隔测量
单元; 另一方面就是大气折射率的取值精度, 它受环境温度、气压及大气湍流的影响, 精度一般可以达到10-6(1pp m 。双(多波长激光测距可以避免大气对测量精度
的影响[2]。1. 2 时间间隔测量方法
时间间隔测量单元是用来测量起止信号之间的时间间隔t 。到目前为止, 测量
方法主要有三种:模拟法、数字法和数字插入法。文献[3]对时间间隔的测量方法和技术进展作了详细的介绍。1. 3 时刻鉴别方法
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都有很大不同, 给正确确定起止时刻带来困难, 由此引起的测量误差被称之为漂移误差(Walk Error ; 另外, 由输入噪声引起的时间抖动也给测量带来了
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, 是脉冲激光测距的重要研究课
题之一。图2
前沿时刻鉴别
图4 高通容阻时刻鉴别
目前时刻鉴别的方法主要有三种:前沿鉴别(Leading Edge Discrim inator/LED 、恒定比值鉴别(Constant Fraction Discriminator/CFD 和高通容阻鉴别(CR -H igh pass Discrim inator 。前沿鉴别法是通过固定阈值方式来确定起止时刻[4](图2 , 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v 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t r 。因此, 前沿鉴别法的测量误差是很大的。图3是恒定比值鉴别法的原理图解, 恒定比值F 此处取50%, 即取脉冲上升沿中半高点到达的时刻为起止时刻, 如果不
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v t=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[5]
, 如图4所示, 接收通道输出的起止信号脉冲(左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(相当于0. 5mm 的测距精度。
时刻鉴别的误差除了跟所采用的鉴别类型有关外, 还与激光回波脉冲波形和光电探测器类型有关。激光回波脉冲是先经接收通道的光电探测器进行光电转换和前置放大后进入时刻鉴别单元的, 光电探测器的光电转换机制以及接收通道引入的噪声和带宽限制都将影响回波脉冲波形的完整恢复。目前经常采用的光电探测器包括光电倍增管(PM T 、PIN 光电二极管和雪崩光电二极管(APD 等。PM T 是利用光电发射效应工作的, 其增益M 可达105~107; PIN 是利用p-n 结的光生伏特效应制成的, 但无内部增益; 利用雪崩倍增效应制成的APD 的增益M 可达102~104, 响应时间非常短(0. 5ns , 是高精度微弱信号探测的首选探测器。正由于探测器的工作机理各不相同, 其对光信号波形的还原能力也不, 8
激光与红外第32卷
探测器和时刻鉴别类型, 以及光信号波形类型分别对待[6]。
除漂移误差外, 在时刻鉴别过程中还存在时间抖动, 它是由于输入信号噪声和来自接收通道的附加噪声产生的, 抖动幅度还与信号脉冲上升沿宽度、信号强度、时刻鉴别单元的带宽以及鉴别类型有关。输入到时刻鉴别单元的噪声分为白噪声和相干噪声, 它们对时间抖动的作用是不同的[7]。2 激光相位测距
2. 1 激光相位测距原理
激光相位测距的方法是通过对激光的强度进行调制实现的。影响激光相位测距精度除大气温度、气压和湿度等外在因素外, 还包括测距仪自身的光发射功率、测量平均次数和调制频率及其稳定性等参数。另外, 电子噪声特别是由大功率调制引入的电子相干燥声对探测精度影响很大。2. 2 相位调制
相位调制的方法有直接调制、光调制(包括声光调制AOM 和电光调制EOM 等和九十年代发展起来的模间拍频调制(Intermode -beat modulation [8]。用于LD 的直接电流调制具有简单易调制等优点, 但其缺点是调制波形会变形, 且随着调制频率的增加, 调制深度会降低; 光调制也会带来波形变形, 特别是在高频(千兆赫兹时就更为严重。模间拍频调制则具有高频(几百兆赫兹和100%的调制深度等优点, 因此它非常适合于高精度相位测距。以633nm He -Ne 双频激光器为例[9], 若腔长l 介于15~30cm, 经计算可获得500MHz~1000MH z 的调制频率。其它如双频二极管泵浦固体激光器(DPSSL[10]也可用于相位测距, 而且DPSSL 的腔长可以做的更短, 更易得到更高的拍频。如何得到稳定的光频和稳定且更高的拍频有待深入研究。2. 3
调制噪声问题
图5 272M Hz 电流调制830mn LD
(a 发射光脉冲链的频谱在激光相位测距仪中, 如果光电信号与调制源具有相同的频率, 就会限制测相精度。这是由于调制源存在与光电信号频率相同的泄漏场(field leak -age , 它与光电信号发生相干作用, 降低了信噪比, 特别是在回波信号很弱的时候。图5就是用272MHz 电流调制830nm 的LD 产生的光脉冲链和泄漏场的频谱[11], 在272MH z 处除信号功率和背景噪声外, 还有相当功率的泄漏场, 它使信噪比降低了20dB. 。
要避免泄漏场对测量的影响, 就得使泄漏场的频率与光信号调制频率错开。对于LD 来讲, 当把直流偏置和调制电流强度置于适当的值时, 由于LD 强烈的非线性效应, 可以获得很强的谐波成份(相对于调制频率f 1 , 如图5所示, 二次、三次和四次谐波成份强度与基频相当, 但由于在相应频率处不存在泄漏场, 信噪比也就相对高
了20dB 。因此, 可以利用高次谐波分量作为调制频率来设计测距仪[11]。另一避免泄漏场影响的方法是利用电光晶体的非线性效应[12]
, 文献[13]报道了一台运用此技术的高精度测距仪, 其调制源频率为14GHz, 通过光波导调制器得到28GHz 的倍频调制输出, 测距5m 时, 分辨力达1. 1L m , 100m 时可达3L m , 可应用于对地表张力的监测。
3 调频连续波(FMCW 激光测距
调频连续波激光测距主要是通过发射一频率连续可调的激光, 测量接收到激光的频率来推算距离。其主要研究的课题是, 选择增益带宽宽的激光介质, 增加频率啁啾的宽度, 提高测距精度; 另一方面, 要加大测距范围, 就需减小频率啁啾率, 但同时也要增加电子测量系统的带宽和提高频率测量精度[14], 因此, 在实际测量中通常要寻求带宽和频率测量精度的平衡以及测距范围和测距精度的平衡。据报道[15]运用此FM CW 激光测距方式, 已同时获得了18. 5km 的测距范围和20mm 的测距精度, 其频率啁啾率为100PHz/s(P=1015 。
FM CW 激光测距采用的频率调制方式主要有:激光腔长调谐、开关调制、声光调制、电光调制和电源直接调制[16]等; 使用的激光介质有气体(如CO 2 、固体(钛宝石和掺铒光纤等和半导体; 探测方式有直接探测(非相干探测和光外差干涉探测(相干探测。
半导体激光自混合干涉测距技术是调频激光测距的一个新的研究热点, 它是利用被测物体形成的9
第1期激光与红外
性, 实现绝对距离测量。由于其光学系统仅包含一个光源和一个准直透镜, 结构极其简单、紧凑, 系统易准直, 因此倍受关注。
图6为半导体激光自混合干涉绝对测距系统结构框图[17]。频率调制半导体激光器前表面辐射光经准直透镜照射在被测物M (或反射镜上, 被散射(或反射后, 一
部分光又经原路反馈回激光器谐振腔, 同谐振腔的光相混合并调制激光器输出光功率, 输出一纹波信号如图7, 其频率与被测物体到谐振腔前辐射面间距离R 成正比。更深入的自混合机理研究可参照文献[17], 文献[18]报道了一台运用此方法设计的测距系统。同时获得了55cm 的测距长度和0. 5m m
的测距精度。
图6
自混合干涉测距仪系统示意图
图7 测距信号
4 结语
激光飞行时间测距包括脉冲激光测距、激光相位测距和调频连续波激光测距, 本文简要介绍了它们的关键技术研究进展:激光脉冲测距的时间间隔测量和时刻鉴别技术, 激光相位测距的相位调制技术及其噪声问题, 调频连续波激光测距的关键问题和半导体激光自混合干涉测距技术。参考文献:
[1] K M YYtt Y, J K ostamovaar a. A hig h -precision time -to -dig-i
tal co nverter for pulsed t ime -to -flight laser r adar applica -tions[J]1IEEE T rans. Instr. and M eas. , 1998. 47(2 :521-536.
[2] 钟声远, 程平. 双波长激光测距系统及精度的研究
[J]1激光与红外, 1992, 22(6 :53-56.
[3] 霍玉晶, 陈千颂, 潘志文. 脉冲激光雷达的时间间隔测量综述[J]. 激光与红外, 2001, 31(3 :136-139.
[4]
T A raki. Optical distance meter using a short pulse width laser diode and a fast avalanche photodiode[J]1Rev. Sci. Instrum. , 1995, 66(1 :43-47.
[5]
P Paloj Yr vi, T Ruotsalainen, J K ostamovaara. A new ap -pr oach to avo id walk error in pulsed laser rangefinding [J]1IEEE Intern. Sympos. on Circu. and Systems Pro. 1999, I-258-I-261.
[6]
W A K ielek. Random error in timing using w eak light pulse, photomultiplier , and threshold crossing detection [J]1IEEE T rans. Inst. A nd M eas. , 1998, 47(2 :543-550.
[7]
M L Simpson, M J Paulus. Discr iminator design consider -ations for time -interv al measurement circuits in collider detector systems [J]1IEEE T rans. N ucl. Sci. , 1998,
45(1 :98-104.
[8]
T Araki, S Yokoyama, N Suzuki. Simple optical distance meter using an intermode -beat modulation of a He -N e laser and an electrica-l heterodyne technique [J]1R ev. of
Sci. I nstru. , 1994, 65(6 :1883-1888.
[9]
K Seta, T O . ishi. distance meter utilizing the inter mo de beat of a He -N e laser [J]. App. Opt. , 1990, 29(3 :354-359.
[10]
卢葱葱, 赵长明, 吴克瑛. 利用微失调扭转模腔产生双频激光[J]. 北京理工大学
学报, 1999, 343-347.
[11]
K Seta, T O h . ishi. Distance measurement using a pulse train emitted from a laser diode[J].J. A pp. Phy. , 1987, 26(10 :L1690-L 1692.
[12]
M L escure, T Bosch, A Dziadow iec. An electro -optical fre -quency doubling method to remove electrical noise in laser rangefinders [J ].IEEE T rans. on I nstr u. and M eas. , 1991, IM -40(60 :1046-1047. [13]
I Fujima, S Iw asaki, K Seta. High -reso lution distance me -ter using optical intensity modulation at 28GHz [J ].M eas. Sci. T echnol. , 1998, 9:1049-1052.
[14]
K Nakamura, T Hara, M Yoshida, et al. Optical frequency domain ranging by a frequency -shifted feedback laser[J].IEEE J. o f Q uantu. Elec. , 2000, 36(3 :305-316.
[15]
K Nakamura, T Hara, M Yoshida, et al. Optical frequency domain ranging by a frequency -shifted feedback laser[J].IEEE J. o f Q uantu. Elec. , 2000, 36(3 :305-316.
[16]S F Collins, M M Murphy, K T V Grattan, et al. A simple laser diode ranging scheme using an intensity modulated FM CW approach[J]. M eas. and T ech. , 1993, 4:1437-1439.
[17]孙晓明, 马军山, 强锡富. 半导体激光器自混合干涉绝对测距理论研究, 仪器仪表学报, 1998, 19(3 :274-278.
[18]
G M ourat, N Serv ag ent, T Bosch. distance measurement using t he sel-f mix ing effect in a three -electrode distribut -ed bragg reflector laser diode [J]. Opt. Eng. , 2000, 39
(3 :738-743.
10
激光与红外第32卷