摘 要：　高精度激光测距技术在现代社会生产中的应用非常的广泛，主要的介绍激光脉冲测距技术的原理，分析影响脉冲激光测距的主要原因，以及针对原因给出解决的措施，介绍提高测量精度的几个方法及其工作原理。

　　关键词：　高精度激光脉冲；测距；技术分析中图分类号：TN247 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2012）1110188－02脉冲式激光测距具有结构简单、无需目标合作、测量速度快和测量距离远等优点，这使其在航天和军事以及工业生产领域都得到了广泛的利用。提高激光脉冲测距技术的精度，是急需解决的问题。

　　1　高精度激光脉冲测距技术的原理第一台脉冲式激光测距仪诞生于上世纪60年代，现在，激光脉冲测距技术以得到迅速的发展并有了大量成熟的应用。其发展的趋势包括小型化测距仪和人眼安全激光测距仪等。脉冲激光测距技术是通过测量脉冲的飞行时间来测量其与目标之间的距离的。具体的说，就是激光测距仪向着目标发射一个激光脉冲，激光脉冲经目标反射后有测绘仪器的回波接收通道接收，并计算出激光脉冲从发射到返回测距仪所消耗的时间。这样，测距仪与目标之间的距离D就可以通过所得的数据来计算求得，即：

　　D=CT/2其中，C是激光在介质中的传播速度，T被称作飞行时间。

　　2　高精度激光脉冲测距技术的设计高精度脉冲激光测距系统主要是由信号发射模块、接收模块和信号处模块三大部分组成。

　　发射模块由驱动电路、调制电路以及激光管三部分组成，大多数的激光管选用是是具有内置驱动装置的脉冲激光二极管。发射模块实现根据需要对激光脉冲进行周期性的脉冲信号处理调制，然后利用激光二极管对其进行发射。

　　接收模块由前置的放大电路、光电探测仪和主放大电路三部分组成，光电探测仪器采用的是光电二极管APD。接收模块的主要作用是接收反射回的激光信号并将其转化为电信号，除去噪音的影响然后进行放大，最后计算出需要的激光回波脉冲。

　　信号处理模块是对仪器采集的数据进行计算和分析最后给出计算的结果的模块。信号处理模块主要包括采样模块、存储芯片和信号处理模块三个部分。信号处理芯片是处理模块的核心，它能够接受和迅速的处理大量数据，信号处理要求芯片有较高的质量，当下多采用的是DSP这款性能较好的芯片。

　　系统的工作流程是这样的：由发射模块产生固定频率的周期脉冲激光信号，触发激光脉冲二极管发射激光，脉冲激光信号到达测距目标后被测距目标被反射，返回的激光由接收系统进行接收，采集模块将接收到的信号转换为数字信号后储存到存储模块中，DSP读取存储模块中的数据然后对数据进行分析和处理，计算出回波信号到达时刻，最终计算出测试目标与测距仪之间的距离。

　　3　影响激光脉冲测距仪器精度的原因3.1　系统误差脉冲式激光测距仪的系统误差主要来自于固定延时器的误差和距离行走的误差。固定延时器的误差是指由于脉冲信号在系统中传播所消耗的时间对测距的精确的影响，它与测距的距离无关。距离行走误差则是指由于回波信号的幅度变化所引起的误差，测绘仪与目标之间距离和反射率上的变化往往会造成回路接收器接受到的回波的能量的变化，从而导致回波信号的幅度有所变化。在鉴别阀值一定的情况下，回波信号幅度的变化会引起其通过阀值的时间发生改变，从而导致测距结果的误差。系统误差可以通过地面标定的方式来进行调节，尽量的将系统误差调整为最小使其不影响激光脉冲测距的准确性。

　　3.2　随机误差激光脉冲测距仪的主要误差既是来自于随机误差，随机误差包括脉冲时刻鉴别误差和时间间隔测量误差和阀值鉴别芯片的输出抖动误差，是影响激光脉冲测距精度的主要原因。

　　3.2.1　脉冲时刻鉴别精度由脉冲激光测距技术的公式可知，计算式中只有T是一个变量，由时刻鉴别系统测定，所以，时刻鉴别系统是脉冲激光测距系统的极为重要的组成部分，因此其测量的精度直接决定了整个测距仪器的精度。如果难以保证时刻鉴别的精度，即不能精确的确定激光飞行开始和结束的时间，就无法进一步计算时间间隔和飞行时间，脉冲激光测距的结果难以保证。

　　回波幅度不稳定是对时刻鉴别精度影响较大的一个因素。在激光脉冲测距中，大气湍流、跟瞄抖动和目标姿态的变化都会引起回波信号在小范围内的幅度变化。以目标姿态变化带来的影响为例，当测距对象的倾角产生较大的变化时，就会引起回波幅度的变化。因为脉冲激光上升的时间是有限的，当激光脉冲测距仪器采用固定阀值来采集回波信号时，不稳定的回波的幅度导致回波到达固定阀值的时刻也不统一，从而产生△t误差，对测量的精度造成很大的影响。要减小这个误差，要进行连个方面的改进，一方面是减少采用固定的阀值来进行时刻的鉴别，一方面是是要尽量的稳定回波脉冲信号的幅度。

　　3.2.2　时间间隔精度因素时间间隔测量系统也是激光脉冲测距技术的一个重要的组成部分，当确定了激光发出和回收的两个时间，计算两个时间之间的T就决定了距离D的准确测试。在以确定时刻鉴别系统精度的情况下，时间间隔的精度就成为直接影响测距仪精度的因素。

　　时间间隔测量准确性的影响因素主要有三个，分别是数量化误差、计数器时钟误差、计晶体振荡器的频率误差。对于脉冲信号时间间隔的测量，测量系统采用的是直接计数法来进行的。提高计数时钟的频率是提高测量精度的有效方法，但测距系统电路的工作频率并不能无限提高，受到分布参数效应等因素的作用，电路一般只能达到纳秒级的精度，若追求更高的时钟频率，其精度就难以保证。

　　计数量化误差是指，当鉴别系统以发出和接收激光脉冲的时间来启动和结束计数器的计数时，由于发射脉冲和接收脉冲的时间不可能与计数时钟的时间完全同步，飞行时间的始末端计数器之间存在着随机的时间误差，我们称之为计数量化误差。晶体振荡器频率稳定性对时间间隔测量的影响，是由于计数器的时钟的疲劳是以晶体振荡器的频率为基准的，如果这个基准频率不稳定，就会导致计数结果的不准确，影响测量时间间隔的精度。 　　3.2.3　时刻鉴别抖动误差时刻鉴别抖动误差的产生是由于测试仪器在接收回波信号的时候，回波脉冲信号叠加了噪音引起的。当激光脉冲测距仪采用前沿鉴别的方式进行时刻的鉴别时，脉冲的上升以及噪音的叠加会使其穿过比较阀值的时刻发生变化，由此产生时间的抖动带来测量的误差。时刻鉴别抖动误差受到接收通道的信噪比和信号性、上升的时间的影响较大。

　　4　提高激光脉冲测距技术精度的方法4.1　提高脉冲激光测距时刻鉴别的精度的方法接收系统的线路改进：

　　接收系统主要包括光电探测器、前置的放大器、主放大器和整形电路。要提高接收系统的精度，主要需要对放大器和整形电路进行改进。

　　固定增益主放大器和可变阀值整形电路组合。当测距目标回波信号的幅度值偏小时，整形电路通过可变阀值把阀值自动调小；当回波信号的幅度值偏大时，固定增益的主放大器对信号进行放大后幅度依然偏大，整形电路可变阀值在这种情况下把阀值自动调大。结果就是相互作用使得鉴别的定时点保持基本不变，消除回波信号的幅度不稳定所引起的时刻鉴别系统的误差。

　　可变增益主放大器和固定阀值的整形回路整合。当回波信号的幅度偏大时，主放大器的可变增益功能把增益自动调小。当回波信号的幅度值偏小时，主放大器通过可变增益把增益自动调大。这样作用的结果使得主放大器输出的信号的幅度值基本保持不变，可以只需经过固定阀值的整形电路就可以准确的鉴别出回波的定时点，消除回波幅度变化对时刻鉴别的影响。

　　对数主放大器与固定阀值整形电路的组合。对数放大器的特殊作用可以实现对较弱的信号进行大倍数的放大以及对较强的信号进行小倍数放大，其结果是放大后的信号幅度值相对的保持稳定，由于它直接对信号幅度进行作用和控制，没有反馈过程，因此大大提高了处理速度和激光脉冲测距的精度。

　　4.2　DPSS系统回波信号的幅度不稳引起的时刻鉴别误差随着脉冲上升时间的增大而增大，两者是正比例的关系。所以，减小脉冲上升的时间可以有效的减小这项误差。当前，半导体激光器一般可发射宽度为几十纳秒的脉冲，脉冲上升时间一般为几十纳秒，这一时间所引起的时间鉴别误差还是很大的，可以进一步的减小。提高系统的发射驱动技术以减小脉冲上升的时间，目前较为准确的方法是采用DPSS技术。该技术可以通过将激光器的发射脉冲宽度控制在10纳秒以下来实现使脉冲上升的时间控制在几纳秒以内，最终大大减小由于回波信号的幅度变化大对测距带来的误差，有效的提高脉冲激光测距系统时刻鉴别的精度。

　　5　总结随着激光脉冲测距技术在军事、工业、工程建筑和大地测量等方面越来越广泛的运用，如何克服系统误差，提高测距的精度尤为重要。影响激光脉冲测距技术精度的因素众多，不断地改善技术提高精度，才能发挥激光测距在更多领域的作用。

　　参考文献：

　　[1]陈弈、郭颖、杨俊、黄庚华、舒嵘，脉冲式高精度激光测距技术研究[J].红外，2010（06）。

　　[2]黄钊，脉冲激光测距高精度关键技术研究[D].南京理工大学，2012.

　　[3]朱福、林一楠，　一种提高脉冲激光测距精度的方法[J].光电技术应用，2011（02）。