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激光測(cè)距技術(shù)簡(jiǎn)介及濱松光電探測(cè)解決方案

激光測(cè)距（Laser ranging）是最早在軍事上得到運(yùn)用的激光技術(shù)，并且已經(jīng)成為國(guó)防科研的重要課題之一。同時(shí)，激光測(cè)距也是激光測(cè)速、激光跟蹤、激光三維成像、激光雷達(dá)等高端技術(shù)的前提。

世界上第一臺(tái)激光器，是由美國(guó)休斯飛機(jī)（Hughes Aircraft）公司的科學(xué)家梅曼于1960年首先研制成功的，美國(guó)軍方很快就在此基礎(chǔ)上開展了對(duì)軍用激光裝置的研究。1961年，第一臺(tái)軍用激光測(cè)距儀通過(guò)了美國(guó)軍方論證試驗(yàn)，此后激光測(cè)距儀很快就進(jìn)入了實(shí)用環(huán)境中。20世紀(jì)七十年代，美國(guó)軍方的阿波羅計(jì)劃中，曾經(jīng)使用激光測(cè)距技術(shù)測(cè)量地球與月球的距離，接收端使用的是雪崩光電二極管（APD）單光子探測(cè)器。

根據(jù)基本原理，實(shí)現(xiàn)激光測(cè)距的方法有兩大類：飛行時(shí)間（time of flight，TOF）測(cè)距和非飛行時(shí)間測(cè)距。其中，具體的常用方法有脈沖式激光測(cè)距法、三角激光測(cè)距法和相位式激光測(cè)距法。

一，相位式激光測(cè)距法

相位式激光測(cè)距通常適應(yīng)于中短距離的測(cè)量，測(cè)量精度可達(dá)毫米、微米級(jí)，也是目前測(cè)距精度最高的一種方式，大部分短程測(cè)距儀都采用這種工作方式。

相位式測(cè)距則是將調(diào)制信號(hào)對(duì)發(fā)射光波的光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制，通過(guò)測(cè)量相位差來(lái)間接測(cè)量時(shí)間，較直接測(cè)量往返時(shí)間的處理難度降低了許多。

此時(shí)距離的計(jì)算公式可表示為：

式中—信號(hào)往返測(cè)距儀與目標(biāo)之間一次所產(chǎn)生相位差為φ，λ為調(diào)制信號(hào)的波長(zhǎng)。λ/2稱為測(cè)尺，即當(dāng)相位變化為2π時(shí)所對(duì)應(yīng)的距離。可以看出當(dāng)選擇的調(diào)制頻率不同時(shí)，所能測(cè)到的最大距離是不同的。

在實(shí)際的單一頻率測(cè)量中，只能分辨出不足2π的部分而無(wú)法得到超過(guò)一個(gè)周期的測(cè)距值。對(duì)于采用單一調(diào)制頻率的測(cè)距儀，當(dāng)選擇調(diào)制信號(hào)的頻率為100KHz時(shí)，所對(duì)應(yīng)的測(cè)尺就為1500m，也即當(dāng)測(cè)量的實(shí)際距離值在1500m之內(nèi)時(shí)，得到的結(jié)果就是正確的，而當(dāng)測(cè)量距離大于即比測(cè)尺大時(shí)，所測(cè)得的結(jié)果只會(huì)在1500m之內(nèi)，此時(shí)就出現(xiàn)了錯(cuò)誤。

所以，在測(cè)量時(shí)需要根據(jù)最大測(cè)程來(lái)選擇調(diào)制頻率。當(dāng)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)測(cè)相分辨率一定時(shí)，選擇的測(cè)尺越小，所得到的距離分辨率越高，測(cè)量精度也越高。即在單一測(cè)尺的情況下，大測(cè)程與高精度是不能同時(shí)滿足的。

二，三角測(cè)距法

三角測(cè)距法即光源、被測(cè)物面、光接收系統(tǒng)三點(diǎn)共同構(gòu)成一個(gè)三角形光路，由激光器發(fā)出的光線，經(jīng)過(guò)匯聚透鏡聚焦后入射到被測(cè)物體表面上，光接收系統(tǒng)接收來(lái)自入射點(diǎn)處的散射光，并將其成像在光電位置探測(cè)器敏感面上，通過(guò)光點(diǎn)在成像面上的位移來(lái)測(cè)量被測(cè)物面移動(dòng)距離的一種測(cè)量方法。

激光三角測(cè)距法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)試速度快、使用靈活方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，但由于激光三角測(cè)距系統(tǒng)中，光接收器件接收的是待測(cè)目標(biāo)面的散射光，所以對(duì)器件靈敏度要求很高。另外，如激光亮度高、單色性好、方向性強(qiáng)，在近距離的測(cè)量中較為容易測(cè)量出光斑的位置。因此三角法應(yīng)用范圍主要是微位移的測(cè)量，測(cè)量范圍主要在微米、毫米、厘米數(shù)量級(jí)，已經(jīng)研發(fā)的具有相應(yīng)功能的測(cè)距儀，廣泛應(yīng)用于物體表面輪廓、寬度、厚度等量值的測(cè)量，例如汽車工業(yè)中車身模型曲面設(shè)計(jì)等。

三，脈沖式飛行時(shí)間測(cè)距

脈沖式飛行時(shí)間測(cè)距是激光技術(shù)最早應(yīng)用于測(cè)繪領(lǐng)域中的一種測(cè)量方式。由于激光發(fā)散角小，激光脈沖持續(xù)時(shí)間極短，瞬時(shí)功率極大可達(dá)兆瓦以上，因而可以達(dá)到極遠(yuǎn)的測(cè)程。一般情況下不使用合作目標(biāo)，而是利用被測(cè)目標(biāo)對(duì)光信號(hào)的漫反射來(lái)測(cè)距。測(cè)量距離可表示為：

式中D為所測(cè)量的距離，c為光在空氣中傳播的速度，Δt為光波信號(hào)在測(cè)距儀與目標(biāo)往返的時(shí)間。

一般在非精密測(cè)量中，光在空氣中的傳播速度取真空中的3×108m/s（現(xiàn)代物理學(xué)通過(guò)對(duì)光頻率和波長(zhǎng)的測(cè)量導(dǎo)出的精確值為2.99792458×108 m/s），若在精密測(cè)量中可參考空氣的狀態(tài)進(jìn)行修正得到精確值。所以只要測(cè)得Δt的值就可以得到距離D。

脈沖激光的發(fā)射角小，能量在空間相對(duì)集中，瞬時(shí)功率大，利用這些特性可制成各種中遠(yuǎn)距離激光測(cè)距儀、激光雷達(dá)等。目前，脈沖式激光測(cè)距廣泛應(yīng)用在地形地貌測(cè)量、地質(zhì)勘探、工程施工測(cè)量、飛行器高度測(cè)量、人造地球衛(wèi)星相關(guān)測(cè)距、天體之間距離測(cè)量等方面。

另外，脈沖測(cè)距方法也可通過(guò)與其他手段結(jié)合，更好的提高測(cè)量范圍和測(cè)距精度，如：脈沖測(cè)距法與TCSPC技術(shù)相結(jié)合、脈沖啁啾調(diào)制、多頻率脈沖測(cè)距等。

四，探測(cè)器和光源

適用于激光測(cè)距的半導(dǎo)體光電探測(cè)器主要有以下幾種常見器件：

1，激光光源

測(cè)距時(shí)所采用的光源大都是近在紅外波段，因此采用的光源大都為870nm和905nm的脈沖激光器。

2，Hybrid device

Hybrid device將APD與TIA（跨阻放大器）集成到一起，保證了高頻率要求下的小型集成化需要，也是半導(dǎo)體集成化器件的發(fā)展方向。而光源主要是適應(yīng)不同應(yīng)用的環(huán)境的激光光源產(chǎn)品。

3，距離傳感器

距離傳感器（Distance sensor）是基于CMOS技術(shù)的新型測(cè)距器件，利用調(diào)制后的激光脈沖的脈寬確定最大量程，且通過(guò)一定時(shí)間的回波光電荷積累，該器件可以用相位測(cè)距的方法得到很高的測(cè)距精度，是一種新型的測(cè)距器件。線陣的距離傳感器可以同時(shí)測(cè)得一行目標(biāo)的距離信息，而面陣的距離傳感器可以直接得到整個(gè)目標(biāo)面的距離。這種新型器件在無(wú)人駕駛、機(jī)器人等需要近距離測(cè)距定位等應(yīng)用方面有很高的使用價(jià)值。

4，MPPC（SiPM）

我們?cè)谶x擇探測(cè)器時(shí)，高增益、大動(dòng)態(tài)范圍以及快速時(shí)間響應(yīng)為我們需要考慮的重要因素。APD與MPPC（硅光電倍增管，SiPM）的高增益決定了他們適合于中遠(yuǎn)距離的測(cè)距用途，表面貼裝形式也可以更好的降低器件的成本。

同時(shí)MPPC具有更大的動(dòng)態(tài)范圍，其中擁有小有效面積、多像素的MPPC結(jié)構(gòu)有則更為凸顯，不僅可以對(duì)入射光子數(shù)進(jìn)行分辨，同時(shí)也有較快的時(shí)間特性。MPPC用于測(cè)距，既可以利用它低工作電壓下即可達(dá)到的高增益特性，也可以利用它獨(dú)有的光子分辨能力，將不同表面反射率的物體識(shí)別出來(lái)，從而達(dá)到測(cè)距同時(shí)分辨物體表面特性的目的。