激光测距系统对测距精度的影响

引言

脉冲式激光测距仪是利用脉冲激光器向目标发射单个激光脉冲，计数器测量激光脉冲到达目标并由目标返回到接收机的往返时间，由所进入的钟频脉冲个数来计算距离，再经处理器在显示器上显示出来。

由于大气的不均匀和非稳态特性，在工程上常把光束路径上大气的折射率用平均值n来近似，则有：R=Cm/2nf

式中：R为目标距离，C为真空中的光速（2.998×108m/s），m是时标振荡器在光往返过程的脉冲个数，n值由大气实况决定， f为振荡频率（每秒产生f个电脉冲）。

一、下面将从两个方面对测距精度进行分析

（1）晶体振荡器频率稳定度的外界影响

激光在空气中传播时，由于受介质、气压、温度、湿度的影响，晶体振荡器频率会有一定的变化，若f=30×106Hz,在测距500m时，实验中用数字频率计可测得，晶体稳定度引

起计数误差为Δm=±0.15，由此项引起的测距误差为：

ΔS振=±cΔm/2f=3×108×Δm/2×30×106=±5Δm=±0.75(m)

（2） 激光脉冲宽度的影响

激光光源及雪崩光电二极管一定，放大器的带宽也是一定的，但是由于大气衰减、目标反射等影响，激光回波的光脉冲的相位、幅度就会随距离、气候条件、目标反射特性的变化而变化，即脉冲宽度随之变化，因此测距精度也会随之变化[3]。

如图1所示，曲线1为取样电脉冲，曲线2为回波电脉冲，曲线3为大目标回波电脉冲，Vi为成形单稳态电路的阈值。由图可见曲线3中的tp1要增大3ns左右，由此引起的测距误差为：

ΔS脉=1（m）

对于大目标，由图可见曲线3中的tp2测距误差要比tp1大两倍。即相当于测距误差为：

所以要提高精度，就得从减小脉冲宽度入手，要减小脉宽，理论上有很多方法可以实现，比如增加电路的工作频率、采用光学调Q技术、电光调制技术等等，如果增加电路的工作频率，会使设计成本大幅增加，并且对电路的可靠性、元件的选择都很费时间，其余二者都是大成本投入项目。因此这些思路成本很高，但采用电容充放电及快速开关技术，在精度和成本方面是一个择中方案。

二、脉冲式激光测距仪的误差消除方法

由前面误差分析可见：仪器本身的系统误差是脉冲式激光测距仪的主要误差。因此，我们从发射和接收两个方面对脉宽进行控制。

（一）发射方面采用电容充放电技术和高速开关技术对LD驱动脉冲进行脉宽控制。

（1）在脉冲激光电源中，储能电容器十分重要，它必须是漏电很小的无极性耐高压电容器。在重复频率的每一个周期里，储能电容器两端电压UC是变化的,如图2所示：

其中，再t0-t1时间内给电容器充电，再t1-t2时间内要求电容器两端电压保持不变（等于UC），而在t2-t3时间内电容器的能量迅速向负载释放。能否在短时间内将电容器充到所希望的UC值，充到UC值后又能否保持住，这是由充电电路的性能决定的。激光器电源采用恒功率充电，以保证激光器稳定可靠地以一定重复频率工作如图3所示。

通过以上分析，恒功率充电：PPO=PC，从充电开始到充电结束，吸取相同的功率，至始至终等于电容器上获得的功率。可见，恒功率充电方式是最有利的。

对放电电路的要求是在存储在储能器中的电荷如何高效率的转换成电能。放电电路的负载是LD，而放电灯的电流i和电压U遵守下述关系：U=k0|i|1/2

式中 k0――LD的电阻系数。 LD的电阻可表示为：R=k0|i|-1/2 ，放电电路由储能电容器或储能电感器一级放电开关和成形电感组成。

（2）采用高速、大电流的FET开关管作为充电电容的充放电开关，用以控制充电电容的充放电控制。通过控制电容的充放电时间，和电容所含能量相配合，来控制电流脉冲的脉宽和幅值，从而减小测距误差，但是要充分降低成本，保持精度，这就对电子器件的高可靠性和高精度提出了严峻的要求[6]。故提出了以下解决方案：

1.采用高速、大电流、高可靠性的FET,2SK2141作为开关管。

2.采用高速MOS管驱动器作为驱动FET栅极的驱动转换器，它能将CPU输出的控制

信号迅速的转换成MOS管的大电压驱动信号，从而建立起CPU与MOS管的控制的桥梁。

VMOS管驱动电路如图4所示，

该电路设计使用MMH0026作为驱动电路，其工作原理是其供电电压为12到20V，但计算机给2、4脚控制信号，该驱动芯片将把较低电平的TTL逻辑信号转换成VMOS器件所需的高电平（这和所提供的供电电压和MOS管所需驱动电压相关），从而在7、5脚上输出频率相等，幅值为12-20V的驱动控制信号。其中VMOS管是多载流子器件，当VMOS管作为闭合的开关使用时，其漏源极间的压降与电流成正比，这时的VMOS管很像一个电阻元件。另外，VMOS管是它没有二次击穿。在一定的漏源电压范围内，器件的直流安全工作区仅仅由它们的额定功耗来确定。所以，VMOS管有极好的开关特性。

（二）接收方面的时间测量主要是采取计数的方法，这里对激光主波和回波利用的是它们的前沿，而实际激光脉冲在振幅和时间上存在着两种影响测时结果的误差因素。

一是由于回波幅度不同而引起的触发不稳，不同目标所反射的回波强弱不一样，回波脉冲又不是严格的方波，其前沿有一定的倾斜，即使后面有非常精确的测时电路也不能改善测时精度，减少这种误差影响的方法有恒比定时触发技术。

另一种因素是计数量化误差。要减小计时量化误差，最直接的办法就是提高计数脉冲频率，但它的提高也受到各种因素的限制，如，若需要计数量化误差所限制的测距精度是0.1米，就要求计数脉冲频率达1500兆赫兹。所以，通过一定的方法实时的测量出每一轮计数过程中的计数量化误差，再用它对计数结果进行修正即可得到比较精确的测时结果。

采用模数转换技术来减少计数量化误差是一种有效的方法。采用模数转换技术实现时间测量的原理框图5所示。

如图6所示为发射主波、接受主波和计数时钟的关系图，主波较第一个计数脉冲早到T1时间,为了实时地测量计数量化误差T1，必须将时间间隔T1变换为电信号。让主波前沿作为起始触发，启动一阶跃恒流源I给电容C充电，恒流源内阻为R，则电容C上的电压:

然后，由第一个有效计数脉冲的前沿控制停止对电容充电，电容充电就停止增加，假设此时的电压为VC，这一刻相对于VC=0时的时延是T1，在以下的分析中将以T代表T1或T2，则电压：

结论:在发射系统中采用电容充放电技术和高速开关技术对LD驱动脉冲进行脉宽控制，在接收系统中采用模数转换技术，能够大大提高测距精度。

参考文献：

[1]张以谨，应用光学，机械工业出版社，1983.

[2]王化祥等，传感器原理及应用，天津大学出版社，2002.

[3]戴炳明等，脉冲激光测距机的测距误差分析，激光技术，1999.2，

[4]胡以华，魏庆农，“采用模数转换技术提高脉冲激光测距的测时精度”，激光技术，Vol.21,No.3,pp.189-192,June,1997.

[5]王永仲，“现在军用光学技术”，科技出版社，2003年3月。

[6] 戴永江，“激光雷达原理”，国防工业出版社，2002年1月。

[7]黄德修，刘雪峰，“半导体激光器及其应用”，国防工业出版社，1999年5月。

（周晶，长春大学理学院，副教授，硕士研究生。主要从事物理教育学及激光工作。）

责编／张新兴

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