半导体激光测距机关键技术

摘要： 早期的半导体激光器存在着诸如闭值电流过高、光电转换效率低以及无法连续工作等缺点，致使半导体激光测距技术的研究进展很慢。直至20世纪80年代中期才陆续解决其中的关键技术，90年代中期，各种成熟的产品不断出现，至今，激光器件、光学系统、窄脉冲接收、精确时间测量等关键技术又获得进一步完善，在中、短程激光测距方面有取代YAG激光的趋势。就半导体激光测距机关键技术做详细的介绍，并在此基础上介绍如何选择激光测距方法。

关键词： 激光测距机；关键技术；测距方法

中图分类号：TN24 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0310039－01

1 半导体激光测距机关键技术总述

1.1 窄脉冲发射技术

在激光测距技术中，无论采用哪种测距原理，首先一点都要求能在测距机处能收到足够强度的激光回波信号，从而才能从中提取出距离信息。但是由于激光在大气传输过程中的损耗以及目标的漫反射特性等，往往使得回波信号十分微弱，尤其在室外复杂条件下的远距离探测情况，回波信号的接收都是一个大问题（实际测量中经常会在目标物体处放置一块反射镜，以增加回波信号的强度）。这就要求激光器的出射光的功率必须足够大，才能满足远距离探测情况下回波信号的强度，而一般的小型半导体激光器，其连续输出功率较小，往往都在mw级，根本无法满足测距的需求。因此，采用窄脉冲发射技术来获取较高的峰值功率可以解决这一问题。现在采用的隧道再生祸合大光腔结构脉冲半导体激光器的功率已可以达到千瓦级别，完全可以满足中远距离的激光测距需要。

1.2 高精度接收技术

半导体激光测距的接收系统直接利用光电探测器直接把接收到的光强度变化转换为电信号变化，然后用解调电路检测出所携带的距离信息。在一般的实际清况下，尽管在光电探测器的前端一般都会放置一块大尺度的会聚透镜（受测距机小型化的趋势，其尺寸会受到很大的限制）以搜集更多的回光，但是由于目标的漫反射或者传输中的距离损耗过大，入射到光探测器上的信号光功率是非常小的，通常，在直接探测中光探测器输出的电信号是极其微弱的，经常会湮没在噪声信号中，它只有被充分放大和各种处理后才能被记录和显示，因此，高灵敏度的光电探测器以及信号放大与提取电路是光电探测系统中的重要组成部分，其主要目的是最大限度地抑制噪声，提取回波信号中携带的有用信息。

1.3 精密时间测量技术

精密时间测量技术是飞行时间（TOF）物理学中的核心技术，也是很多瞬态过程研究的核心技术。国外许多公司和大学都开展过这方面的研究。目前已经成型了一些不同精度、不同体积质量、不同成本的精密时间测量装置。主要方法有高频振荡脉冲计数法、时幅转换法、时间放大脉冲计数法、模拟内插法及基于CMOS集成电路的时数转换 （TDC）芯片测量法。国内主要倾向于使用模拟内插的方法，而国外则主要使用TDC芯片进行精密时间测量，这种方法稳定可靠，且精度较高，可达250ps。

2 激光测距方法的选择

2.1 需求分析

以军用的光电检测系统中的测距模块设计为例。由于整体的功耗以及使用方式的限制，决定了此测距系统必须具备体积小、功耗低（可使用蓄电池供电）、测距速度快（可达到每秒一万次的重复测距要求）且精确、测程远、使用安全等特点。因此，所选用的激光器类型以及测距方式尤为重要，必须在体积和能耗都较小的前提下实现较高水平的距离测量。

2.2 测距方案优缺性对比选择

相位调制测距多采用He一Ne双频激光器和以二氧化碳和固体（钦宝石、掺饵光纤）为工作介质的激光器。这些激光器要消耗很大的电能，并且在体积上非常巨大，这对于使用电池供电的系统来说无疑是不行的。而且相位测距需要对相位进行调制，需要较复杂的电路，并且功耗会随之增加。况且相位调制测距机也很难在体积上做的很小，不符合小型化和功耗低的的要求。而且由于相位法所测量的是两个“连续信号”间的相对相位差，因此在测量时间上也相对比较费时，这对于需要高频测距的场合来说是很不利的因素。而且大部分的连续波激光测距系统通常需要在目标处放置反射镜等装置来提高回波功率，这在军事测距应用中是很不现实的一点。

对于采用干涉法的激光测距机，由于其自身需要一套特别复杂的光学系统，如，分光器、偏振分光器、转向棱镜、检偏器等高精度光学元件，首先从成本上考虑，会相对增加很多的投入，而且体积很难做得很小，虽然在测距精度上干涉法激光测距机可以达到毫米量级，但是鉴于其较长的频率搜索时间以及系统复杂程度，还是不符合本系统的要求。

脉冲激光测距技术主要应用体积和能耗都非常小的激光二极管作为光源进行测距，而且由于激光二极管自身的特性，可以进行多达每秒一万次的快速重复测量。而且采用脉冲激光测距只需要收到回拨脉冲就可以结束计时，所以其单次测量时间非常短。最重要的一点，尤其是在军事应用中，待测目标一般都为非合作性物体，而脉冲激光不需要合作目标，再加上脉冲波激光测距是瞬时发射激光脉冲来实现测距，所以其隐蔽性和安全性能相对于另外两种方式要更好。

最后，三种测距方法在保证充足功率的前提下都有十分远的测程，但是各自的精度不同。在相同的总平均光功率输出的条件下，脉冲光波型激光测距仪可测量的距离远比连续光波型激光测距仪要长。主要是因为脉冲激光通常可以有很高的瞬间输出光功率，使较远处的目标物仍能反射回足够被检测到的光信号强度。综合各种激光测距方法的特点并结合具体要求，脉冲激光测距法的“性能——系统复杂度”之比是最高的，因为是最合适的一种选择。

参考文献：

[1]朱林泉、牛晋传，《现代激光工程应用技术》[M].北京：国防工业出版社，2008.7，26-89.

[2]黄震，脉冲激光测距接收电路与计时方法研究：[D].浙江：浙江大学，2004.

作者简介：

王彬（1987-），男，天津人，天津工业大学。

推荐访问： 测距 半导体 激光 机关 技术

---