脉冲半导体激光测距机的研制

1 　引 　言

       半导体激光器具有全固态、体积小、质量轻、寿命长、效率高、可靠性高、可调制、可稳定低压运转等特点。输出波长范围在 0. 325～34μm 内 ,波长为 850～905 nm 的近红外激光正好与硅光电探测器峰值响应相匹配。其脉冲重复频率可达几千赫甚至几兆赫 ,输出激光脉冲宽度可达纳秒级 ,波束角经光学系统可压缩到几个毫弧度 ,可以精确照射到目标点 ,是优良的中、近程激光测距光源。脉冲半导体激光测距仪机具有结构简单、体积小、质量轻、效率高、功耗低、可靠性高、价格低廉等特点。与其他测距方式相比 ,其测距精度要高得多 ,目前单脉冲的测距精度已达几厘米 ,对慢动或静止目标多次平均后 ,测距精度可提高到毫米量级。随着数百瓦甚至上千瓦高功率半导体阵列激光器及光束光学整形压缩技术水平的提高 ,作用距离可达 1 km。加上二维光学扫描机构后 ,可以对大视场范围进行扫描测距 ,实现对目标的三维测量。近些年来 ,随着激光器件、光学器件、微处理器及大规?？杀喑搪呒骷际醯姆⒄?,脉冲激光测距技术日趋成熟 ,在中、近程测距方面性能更加优越 ,可广泛应用于工业、农业、建筑、军事等领域。

2 　国内外研制情况

       脉冲半导体激光测距机的研究起始于 20 世纪 60年代末 ,到 80 年代中期陆续解决了激光器件、光学系统及信号处理电路中的关键技术 ,80 年代后期转入应用研究阶段 ,并研制出了各种不同用途的样机 ,90年代中期 ,各种成熟的产品不断出现 ,预计近期将是其应用产品大发展的阶段 ,在中、近程激光测距应用方面有取代 YAG激光的趋势。

       国外有许多大学、研究机构和公司也开展了这方面的研究工作。研究最早的是芬兰奥鲁大学电器工程系和芬兰技术研究中心 ,从 20 世纪 70 年代初至今持续了近 30 年 ,研究内容从各分系统到整机及其应用 ,并且与美国、俄罗斯几家著名公司联合开展了应用研究 ,其产品涉及工业、航天、海洋及机器人视觉等多方面。美国有多家著名公司开展了这方面的研究 , Schwartz Electro2Optics 公司为美国国家数据中心研制了激光海浪测量装置 ,用于无人看守的海浪测量站 ;为美国联邦政府高速公路管理局研制了激光自动传感系统 ,用于车辆速度和高度的测量 ,从而提高了交通效率 ;还为军方研制了直升机激光防撞告警装置。 EXXON 公司研制了脉冲半导体激光角度距离测量系统 ,用于海上石油勘测 ,并已有 8 家用户。1992 年美国亚特兰大激光公司为警方专门设计的手持式人眼安全激光二极管测距机 ,用于对车辆的测距和测速 ,激光重复频率 400 Hz ,探测角 4 mrad。近期又有几家美国公司开展这方面研究的报道 ,1996 年下半年 ,美国 Bushnell 公司推出了测距能力 400 m 的 400 型 LD激光测距机 Yaddaga400 ,1997 年被评为世界 100 项重要科技成果之一 ,同年又推出了测距能力 800 m 的800 型激光测距机。1998 年美国 Tasco 公司研制出测距能力 800 m 的摄像机型 Laser Site LD 激光测距机。美国 Leica 公司展出了实用的小型 LD 测距机 ,测量距离 0. 2～30 m。1995 年以来 ,国际上对人眼安全的半导体激光测距技术发展十分迅速 ,已开展了波长在800～900 nm 范围内、峰值功率为 10 W、脉冲宽度 20～50 ns、重复频率 1～10 kHz、测量距离 10 m～1 km无合作目标的激光测距机研究。

       国内样机的研究始于 20 世纪 80 年代 ,是在原固体、气体激光测距机基础上发展起来的。目前 ,基础技术已具备 ,主要是解决工程应用问题 ,开发各种应用产品。航天科工集团八三五八所研制出测程 200 m ,精度0. 5 m ,数据率 100 Hz 的激光测距机。中科院上海光机所研制出便携式激光测距机 ,对漫反射水泥墙的测距达 100 m ,采用 300 MHz 计数方式 ,测距精度0. 5 m ,重复频率 1 kHz。中国计量学院信息工程系光电子所与国外合作开发了低价、便携式半导体激光测距机 ,作用测距 1 km ,精度 < ±1 m ,采用 4 M 晶振 ,线性时间放大技术。常州莱赛公司研制了作用距离200 m、测 距 精 度 0. 5 m 的 半 导 体 激 光 测 距机。

3 　技术发展情况

       脉冲半导体激光测距技术研究的目标是增大作用距离 ,提高测距精度 ,并在解决二维光学扫描的基础上 ,实现对目标的三维测量。经过近 30 年发展 ,其中几项关键技术有了很大的进展。

(1) 半导体激光器技术

       半导体激光器是在 He2Ne 激光器和红宝石激光器问世两年后于 1962 年出现的 ,其波长覆盖范围很宽 ,从 0. 325～34μm。在激光测距机中 ,波长 0. 9μm的 GaAs 激光器是半导体激光器中最成熟、应用领域最广的一类器件。

       30 年来 ,半导体激光器的研究工作主要是针对提高输出功率、降低阈值电流、扩展工作温度、提高光电效率来进行的。随着基础理论研究、晶体生长技术、半导体器件制备工艺技术的发展 ,半导体激光器从同质结、单异质结发展到双异质结、量子阱器件。 20 世纪 70 年代以来半导体激光器在多层结构的基础上出现条形结构 ,使室温阈值电流密度进一步下降 ,80 年代 100 W量子阱脉冲激光器 ,其阈值电流已小于 1 A。目前国内半导体脉冲激光器产品的脉冲峰值功率稳定在 150 W 左右 ,且已有上千瓦的器件。国外已有千瓦级以上的产品 ,管芯效率达 70 % ,温度特性由单异质结的 70 %变化率提高到 10 %左右 ,阈值电流由单异质结 10 A 降低到 1 A(100 W 器件) ,这样的激光器可满足中、近距离脉冲激光测距机的要求。

(2) 激光发、收窄脉冲处理技术

       脉冲激光测距的基本过程是通过测量接收激光脉冲相对发射脉冲之间的延时 ,计算在该时间内激光传播的距离。为准确地产生发射及接收激光脉冲基准 ,要求激光发射脉冲尽可能窄。受激光器及调制器件阻容参数的限制 ,目前激光脉冲宽度可做到 10～20 ns。

       激光发射和接收脉冲呈钟形 ,波形通过比较器形成基准信号 ,随着电脉冲幅度的变化 ,基准信号前沿位置会发生微小变化 ,尤其是当接收信号幅度变化较大时 ,基准信号变化更大 ,造成测距误差大。为提高测距精度 ,必须在电路上采取措施 ,以减少幅度变化对时间基准的影响。目前主要有两种方法 :1) 半极大法 ,它将原电信号延时脉冲宽度的一半 ,与原信号相加 ,之后送入比较器。2) 幅度校正法 ,即利用同时采集到的脉冲幅度值对距离进行修正。采用这些方法 ,脉冲前沿处理精度可做到 1 ns 以下 ,测距精度为几厘米。

(3) 精密时间测量电路

        它是激光测距机的主要组成部分 ,也是精密时间测量仪器设备的核心。国外许多科研机构、公司和大学也开展了这方面的研究。通过大量实验研究 ,开发出很多实用电路 ,可广泛用于不同测量范围、不同精度、不同体积、质量和价格要求的军、民用激光测距机 ,同时也可用于其他精密时间测量装置。

       时间测量电路的实现形式可分为三类 :第一类是数字式测量电路 ,采用晶振产生振荡时钟 ,由 ECL 、 TTL 或 EPLD 电路组成的计数电路在测量时间范围内对时钟计数 ,实现时间测量 ,也可以采用级联精密延时电路实现。这类电路工作稳定 ,测量范围宽 ,但精度较差。第二类是模拟式测量电路 ,典型电路有两种 :一种是将时间转化成电压 ,简称 TAC 电路 ,然后通过模数转换实现时间测量。另一种是将时间线性放大 K 倍后 ,再经计数式测量电路实现时间测量 ,从而使用相同的晶振频率 , 测量精度提高 K 倍。这类电路测量精度高、稳定性较好 ,但线性范围小 ,测量范围窄 ,适用于近距离测距。第三类是模数混和测量电路 ,典型方法是模拟内插法。它首先采用计数电路对时间进行计数 ,完成粗测量 ,再将计数时间误差线性放大 K倍后以同样频率计数 ,完成精测量。这种电路综合了数字测量电路测量范围宽和模拟测量电路测量精度高的特点 ,是比较理想的测量电路 ,但实现难度较大。目前 ,精密时间测量电路的测量精度可达几百甚至几十匹秒。