激光测距仪的设计

陈嘉琦 焦泽京

摘要：激光因为方向性好、亮度高、相干性好等优点，被广泛应用在各种领域中，激光测距即是激光的一种应用。本文依据脉冲法测距原理进行了激光测距仪的设计。给出了脉冲式激光测距仪的光学结构和原理分析，并选择了光电传感器作为转换元件，其中发射源选用激光二极管，接收元件选用雪崩二极管（APD）。而且对激光测距仪进行了测量精度分析，并对如何提高测量精度，减小测量误差提出了时间扩展法等解决方案。

关键词：激光测距;脉冲式;光电传感器

一、激光测距仪的系统概述

一般一个典型的激光测距系统应具备以下四个模块：激光发射模块;激光接收模块;距离计算与显示模块;激光准直与聚焦模块。系统工作时，首先由激光发射单元发出一束激光，激光信号将以光速在空间飞行，到达待测目标物后漫反射回来，经激光接收单元接收、放大、整形后，再有距离计算于显示单元将采集到的数据计算出来并显示出目标物距离。

二、脉冲式激光测距仪的系统结构及原理

如图2-1所示的脉冲激光测距仪。它主要由脉冲激光发射系统、光电接收系统、门控电路、时钟脉冲振荡器以及计数显示电路组成。

图2-1脉冲式激光测距系统原理图

其工作过程大致如下：

首先接通电源，复原电路给出复原信号，使整机复原，准备进行测量;同时触发脉冲激光发生器，产生激光脉冲。该激光脉冲有一小部分能量由参考信号取样器直接送到接收系统，作为计时的起始点。大部分光脉冲能量射向待测目标，由目标反射回测距仪的光脉冲能量被接收系统接收，这就是回波信号。参考信号和回波信号先后由光电探测器转换成为电脉冲，并加以放大和整形。整形后的参考信号能触发器翻转，控制计数器开始对晶格振荡器发出的时钟脉冲进行计数。整形后的回波信号使触发器的输出翻转无效，从而使计数器停止工作。这样，根据计数器的输出即可计算出待测目标的距离。

三、器件选择

1.传感器选择

本文是基于光电式传感器所设计的激光测距系统。光电式传感器是将被测量的变化转化为光信号的变化，再通过光电器件将光信号的变化转化为电信号的一种传感器，一般由光源、光学电路、光学器件三部分组成。

选用激光二极管作为发射光源，雪崩二极管作为接受光信号的光电器件。

2.光源（一般采用激光二极管）

半导体激光二极管（LD）是实用中最重要的一类激光器，它体积小、寿命长、并可以采用简单的电流注入的方式来泵浦。因此，半导体激光二极管在激光通信、光存储、激光测距以及激光雷达等都有广泛的应用。 半导体激光器工作原理和其他激光器一样，即都是基于受激发射。

3.光电器件（采用雪崩光电二极管 APD）

光电探测器是一种把光信号转换成电信号的器件， 是系统接收部分的核心组成部分。 雪崩二极管是借助反向偏执的强电场作用而产生载流子倍增效应的一种高速光电子器件。这种管子的灵敏度高，响应速度快，响应时间短，噪声等效功率低。

四、误差分析及解决

脉冲测距的精度可由下表示：

由于光在大气中的传播速度C受大气折射率变化的影响，误差大约为1×10-6，可忽略不计。因此脉冲测距的精度基本上只取决于测距系统总的时间分辨率Δt。

而时间分辨率主要与以下因素有关：激光器的脉冲宽度（持续时间）;大气传输引起的衰变和畸变;反射器（或反射目标）和光接收系统对脉冲的展宽;计数器的频率上限或者計时电路的精确度。在短距离测距时，选用窄脉宽激光和合适的脉冲时刻鉴别单元以达到消除或减小漂移误差和时间抖动，基于边沿鉴别的测距误差取决于信噪比以及信号前沿上升时间。

脉冲前沿越小，信噪比越高，测量精度就越高，如何获得更窄的脉冲 前沿是获得较高精度的关键之一。影响系统误差的另一个方面是计数器的频率上限或计时电路的分辨率，选用高精度的计时电路在很大程度上影响着测距精度。

故为提高测量精度，减小测量误差，可以通过时间间隔扩展法、时间振幅转换法、传递延迟法提高测量精度。

下面举一例时间间隔扩展法的原理：时间间隔扩展法是在待测的部分时间范围中，对电容器做恒定电流充电，让电容器的端电压随着待测时间的长短做线性的增减，但是在待测时间结束时，则利用另外一个比充电电流要小得多的恒流源使电容器开始线性放电，直到电容器的端电压回到充电的起始值为止。在放电的过程中，利用计数器对较长的放电时间做一计数。在得到放电时间之后，就可以反推得到充电时间（即待测部分时间）的大小。时间间隔扩展法也可以得到很高的分辨率，受充电电流与放电电流的比值影响较大。由于它把待测时间放大了，因此两次测量之间的时间间隔长。

总结

本次关于脉冲式激光测距仪的设计，主要对脉冲式测距仪的结构原理进行了分析，并对选取了几种元器件，还具体分析了测量精度，并提出了具体减少误差提高精度的方法时间扩展法。尤其感谢论文写作过程中几位同伴的帮助，以及指导教师的提点。

参考文献：

[1] 陈弈， 郭颖， 杨俊， 等. 脉冲式高精度激光测距技术研究[J]. 红外， 2010， 31（6）：1-4.

[2] 苏炜， 龚壁建， 潘笑. 超声波测距误差分析[J]. 传感器与微系统， 2004， 23（6）：8-11.

[3]张燕，曾光宇，洪志刚.硅PIN光电二极管探测系统的研究[J]电脑开发与应用，2007，77（2）：7-8