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基于高速脉冲调制和回波采样技术,构建了一套激光测距系统。该系统利用高灵敏度多像素光子计数器的多回波光子信号累加输出的特性实现光电信号转换,借助高速信号采集技术对回波信号进行全波形采集,通过回波波形的累加计算得到了回波信号的精确到达时刻,最终获得了高精度的距离信息。理论分析和实验验证的结果表明,该测距系统在实现远距离目标探测的同时,能够兼顾近距离目标的高精度测距,系统的测距动态范围可达10 7,测距精度为0.6 mm。
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第
卷
第
期
中
国
激
光
年
月
CHINESEJOURNALOFLASERS
Au
g
ust
基于高速脉冲调制和回波采样的激光测距系统
马 建 平
,
尚 建 华
,
孙 嘉 曈
,
贺 岩
,
罗 远
东华大学信息科学与技术学院
上海
中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息技术研究中心
上海
摘要
基于高速脉冲调制和回波采样技术
构建了一套激光测距系统
该系统利用 高灵 敏度多 像素 光子计 数器 的
多回波光子信号累加输出的特性实现光电信号转换
借 助高 速信 号 采集 技术 对 回波 信号 进 行全 波形 采 集
通 过回
波波形的累加计算得到了回波信号的精确到达时刻
最终获得了高精度的距离信 息
理论 分析 和实验 验证 的结果
表明
该测距系统在实现远距离目标探测 的 同 时
能 够 兼顾 近 距 离 目标 的 高 精 度测 距
系 统 的测 距 动 态 范围 可 达
测距精度为
关键词
激光测距
单光子探测器
多回波光子信号累加
大动态范围
中图分类号
文献标识码
doi
:
.
/
CJL.
LaserRan
g
in
g
S
y
stem BasedonHi
g
hGS
p
eedPulse
ModulationandEchoSam
p
lin
g
Schoolo
f
In
f
ormationScienceandTechnolo
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Shan
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Shan
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O
p
ticsandFineMechanics
ChineseAcadem
y
o
f
Sciences
Shan
g
hai
China
Abstract
Ke
y
words
OCIScodes
收稿日期
修回日期
录用日期
基金项目
国家自然科学基金
EGmail
引
言
激光测距技术是应用最广泛的激光传感技术之
一
广泛应用于 军 事
航 天 领 域 中 的 远 距 离 目 标 探
测
工业应用中近距离目标的高可靠性探测
以及民
用领域中的高速 高 精度目标 探 测等
近年来
自动
驾驶
无人机
智能移动机器人
智能仓储
安防
预警等行业的迅速 发展
对激光测 距 系统提出 了 更
高的要求
自动驾驶系统需具有高精度的激光测距
性能
且作用距离范围较广
对于执行避障及观测任
务的无人机而言
其对测距 系 统的体积 和 质量要求
较高
智能机器人对 测 距的动态 范 围和测距 系 统的
生产成本要求较 高
因此
降低激光 测 距系统的 制
造成本
减小系统的体积和质量
提升系统的测距性
能
已成为激光测距技术面对的关键挑战
激光 测距主要是 基于飞行时 间原理实现 的
根
中
国
激
光
据实现方式的不同
可分为直 接 飞行时间 测 距和间
接飞行时间测距
直接飞行 时 间测距
是通过测 量
激光脉冲往返目标的飞行时间而获取目标的距离信
息
根据实现方法的不同
可将间接飞行时间测距分
为线性调频式激光 测距
相位式激 光 测距和调 幅 式
激光测距
近期
有学者提 出 基于相位 差 测频的调
频连续波激光测距 方法
一定程度 上 提高了测 距 的
精度和稳定性
促进 了 激光测距 技 术在精密 制 造等
领域的应用和推 广
针对大范 围 测距应用
基 于
飞行时间原理的激光测距系统始终面临着动态探测
范围这一问题
通常
多通道探 测 的工作方 式 可以
实现大动态范 围 的测距
但这将造 成 系统结构 复
杂
体积大
成本高 等问题
不利于激 光 测距技术 的
推广
而飞秒光频 梳激光测 距 和相干激 光 测距
又
受限于制造成 本
很 难 在 民 用 领 域 得 到 广 泛 应 用
因此
基于飞行时间 原 理的脉冲 激 光测距技 术 是当
前民用测距应用中使用较为普遍的探测手段
目前
脉冲激光测 距技术出现 了许多新型 的测
距方式
包括基于高 速 伪随机码 调 制的脉冲 激 光测
距技术
多脉冲 激光测距 技 术
和基于时间至数
位转换器
的 激 光 测 距 技 术
基 于 高 速 伪 随
机码调制的脉冲 激 光测距技 术 利用信号 与 噪声
噪
声与噪声不相关
信号与信号完全相关的特性
通过
相关运算
提取出深埋于噪声中的周期信号
并通过
处理得到目标的距离信息
该技术可以在一定序
列编码内实现高精 度远距离 测 距
但编码序 列 的平
衡性和相关性都存 在一定的 不 足
且码型的 不 足也
将直接影响系统的测距性能
多脉冲激光测距技
术能够提升回波信号的 信 噪比
实现高精 度
距离测量
但后期 处理较复 杂
测距速率 显 著降低
基于精密时间间隔而实现测距 的
激光测距 系
统
一般需借助雪崩光电二 极管
探测器探 测
信号
因而难以实 现低功率 测 量
且测距范 围 有限
该测距系统的实际 工作环境 往 往较为复 杂
系统中
的电路常 会 受 到 外 界 高 频 信 号 的 干 扰
致 使
中产生噪声
严重影响了测距精度
为了 满足新型 测 距 应 用 中 大 动 态 范 围 探 测 的
要求
有效地解决 制 造 成 本
系 统 体 积 和 测 量 精 度
等问题
本 文 提 出 一 种 低 成 本
大 动 态 范 围
高 精
度的激光 测 距 方 法
借 助 新 型 高 灵 敏 度 光 子 计 数
装置多像素 光子计数器
并 基 于 高 速 信 号
采集的回 波 信 号 全 波 形 采 样 技 术
搭 建 了 一 套 激
光测距系 统
最 后 通 过 实 验 验 证 了 系 统 的 测 距 精
度和动态范 围
系统测距原理
图
所示为基于高速脉冲调制和回波采样的激
光测距系统的原理框图
激光光源在驱动信号的作
用下
按照驱动时序发射脉冲激光
经光学准直系统
作用后照射在地物目标上
目标反射的回波信号光
由接收系统接收
经光电探 测 器作用后 转 换为电信
号
该电信号依次 经放大电 路 和整形电 路
由高速
数据采集卡进行全 波形采样
最后由现 场 可编程门
阵列
处 理 电 路 对 其 进 行 处 理
获 取 激 光 脉
冲出射时刻与其回 波 信号到达 时 刻之间的 时 间差
进而得到目标的 距 离信息
其中
处 理 电 路
在对回波信号进行 高速处理 的 同时
还负责发 送 高
速脉冲调制所需的时序信号
图
基于高速脉冲调制和回波采样的激光测距系统原理框图
测 距 系 统 中 的 探 测 器 为 新 型 光 子 探 测 器
其具有工作 电压低
灵 敏 度 高
可 实 现 光 子
计数和 探 测 动 态 范 围 大 等 特 点
性 能 参 数 如 表
所示
是由多 个 具 备 单 光 子 探 测 能 力 的 像
元组 成的多像素 计 数 器
当
中 的 一 个 像 元
探测到一 个 入 射 光 子 时
会 输 出 一 个 幅 值 一 定 的
脉冲
如图
所示
若多个像元同时接收到入射
光子
则每 个 像 元 输 出 的 脉 冲 将 会 叠 加 并 由 一 个
公共输 出 端 输 出
进 而 获 得 高 增 益
不 同 光 子 数
时
的输出信号 波形如图
所 示
由 图
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