張灝燁（四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川綿陽 621000）

提高脈沖激光測距能力的方法探討

張灝燁
（四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川綿陽 621000）

由于激光具有高亮度和方向性、單色性好等特點(diǎn)，因此激光測距技術(shù)在國防和民用領(lǐng)域中正發(fā)揮著越來越重的作用，如何有效提升測距能力已成為研究的熱點(diǎn)。本文根據(jù)影響測距能力的主要因素分析，結(jié)合機(jī)載遠(yuǎn)程激光測距系統(tǒng)面臨的技術(shù)難點(diǎn)，提出了提高激光測距系統(tǒng)測程的技術(shù)途徑，對(duì)機(jī)載激光測距機(jī)研制和性能提升具有一定的參考價(jià)值。

激光測距 單光子 多脈沖 相關(guān)檢測

激光測距具有方向性好、測距精度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，它能迅速、準(zhǔn)確地獲得目標(biāo)的距離數(shù)據(jù)，對(duì)提高防空、海上作戰(zhàn)，中近程精確打擊及攻擊武器的命中精度方面起關(guān)鍵作用。然而，由于大氣環(huán)境的制約和國內(nèi)激光測距技術(shù)發(fā)展水平的限制，對(duì)非合作目標(biāo)的作用距離一般為數(shù)百米至數(shù)十千米。因此，雖然激光測距技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)，但在國內(nèi)機(jī)載雷達(dá)裝備中仍處于輔助地位。這主要受限于目前作用距離較短，無法較好的滿足作戰(zhàn)使用要求。而隨著新一代防空、防天、反導(dǎo)武器系統(tǒng)和作戰(zhàn)體系的發(fā)展，作戰(zhàn)對(duì)象由對(duì)地攻擊戰(zhàn)斗機(jī)和近程導(dǎo)彈擴(kuò)展到對(duì)遠(yuǎn)程奔襲作戰(zhàn)飛機(jī)、巡航導(dǎo)彈、遠(yuǎn)程彈道導(dǎo)彈和空間軌道目標(biāo)。作為遠(yuǎn)程目標(biāo)預(yù)警探測、監(jiān)視、跟蹤、識(shí)別傳感器系統(tǒng)重要組成部分的激光測距機(jī)，其探測距離也需延伸至數(shù)百公里，這無疑對(duì)激光測距機(jī)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

因此，通過分析影響激光測距距離的因素來研究可有效提高激光測程的方法十分必要。

1　國內(nèi)外現(xiàn)狀

1961年美國就成功的研制了世界上最早的紅寶石激光測距系統(tǒng)，1969年美國又首次將激光測距系統(tǒng)應(yīng)用于坦克火控系統(tǒng)。自上世紀(jì)80年代以來，激光測距的發(fā)展趨勢為：①人眼安全；②小型化、標(biāo)準(zhǔn)化和固體組件化；③與其它光電儀器集成化；④研制遠(yuǎn)程激光測距機(jī)［1］，其中，提高測距距離是重要趨勢之一。美國在90年代開始大力研究由紅外搜索/跟蹤（IRST）和激光雷達(dá)組成的主動(dòng)/被動(dòng)相結(jié)臺(tái)的光電預(yù)警探測傳感器系統(tǒng)。其“眼鏡蛇球”（Cobra Ball）預(yù)警機(jī)（RC-135C）加裝了測距能力達(dá)400km以上的YAG激光測距機(jī)，并于1998年服役。由美國林肯實(shí)驗(yàn)室和海軍空戰(zhàn)中心為其戰(zhàn)區(qū)導(dǎo)彈防御系統(tǒng)研制的“門警”系統(tǒng)（Gatekeeper）也采用了IRST加激光測距系統(tǒng)的體制，其激光測距機(jī)采用Nd：YAG激光泵浦的KTP光參量振蕩器（OPO）作輻射源，工作波長1.57μm，脈沖能量600mJ，脈寬10ns，探測器為InGaAs APD，作用距離100～1000km。

圖1　多脈沖激光測距系統(tǒng)原理圖

國內(nèi)在激光測距技術(shù)上起步較晚，兵器209所、航天8358所等研究院所也已成功研制出應(yīng)用于各種裝備平臺(tái)的激光測距機(jī)，但在工程可靠性和遠(yuǎn)程測距方面與國外裝備仍有不小差距。

2　影響測程的主要因素分析

對(duì)遠(yuǎn)距離小目標(biāo)激光脈沖回波接收功率方程為：

式中：Pt—激光器脈沖功率；

As—目標(biāo)有效反射面積；

Ar—系統(tǒng)接收面積；

ρ—目標(biāo)半球反射率；

τa—雙程大氣透過率；

τs—光學(xué)系統(tǒng)效率；

θt—激光束散角；

R—目標(biāo)距離。

從測距方程可以看出，影響激光測距能力的主要因素有激光器性能（脈沖能量、脈寬等）、束散角、接收口徑、系統(tǒng)發(fā)射接收光學(xué)效率及回波信號(hào)處理能力等。

3　提高測程可采用的方法

從影響測距能力的因素來看，可提高測距距離的方法有：

（1）提高激光光源脈沖功率。隨著半導(dǎo)體泵浦固體激光器的日益成熟，由于其具有總效率高、壽命長、能量損耗較低、熱負(fù)載較少、頻率和輸出功率穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，已逐步取代了傳統(tǒng)的氙燈泵浦激光器，相同的尺寸和功耗下，脈沖輸出功率有了一定提高。雖然半導(dǎo)體泵浦固體激光器的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)20%以上（傳統(tǒng)燈泵激光轉(zhuǎn)換效率約5%左右），但受機(jī)載使用時(shí)空間尺寸及重量的限制，追求高能量高重頻激光輸出時(shí)，仍要面臨散熱問題，通過提高脈沖功率對(duì)測距提升作用有限。

（2）加大接收光學(xué)系統(tǒng)口徑。加大光學(xué)系統(tǒng)接收口徑無疑可以增加激光回波接收率，從而提高作用距離，但測距機(jī)的體積、重量也會(huì)隨之增加，而這往往會(huì)受到設(shè)備裝機(jī)條件的限制，所以只能根據(jù)實(shí)際應(yīng)用平臺(tái)條件適當(dāng)增大接收口徑，不能對(duì)測程提升帶來質(zhì)的飛躍。

（3）提高探測器靈敏度。通常測距系統(tǒng)采用工作于線性模式的雪崩光電二極管（APD）作為接收探測器。Si-APD和InGsAs-APD響應(yīng)度一般為0.5～0.7（μA·μW-1），APD暗噪聲水平隨溫度升高而增加［3］，因此采用制冷型APD可有效降低探測器暗噪聲，從而提高測距距離，但APD的最小可探測功率一般為nW量級(jí)，一般無法達(dá)到上百甚至數(shù)百公里測距距離的靈敏度要求。

近年來蓋革模式的單光子探測器發(fā)展迅速，因其具有單個(gè)光子級(jí)的探測靈敏度，是未來遠(yuǎn)程激光測距機(jī)傳感器應(yīng)用的重要方向。在蓋革模式下的雪崩光電二極管（SPAD）的工作電壓稍高于擊穿電壓，這時(shí)反向電壓的增大會(huì)導(dǎo)致反向電流的急劇增大。只有在蓋革模式下，雪崩因子M才能大到足以捕捉單個(gè)光子，這樣的靈敏度是線性探測器所難以達(dá)到的，因此可以獲得比線性測距系統(tǒng)更遠(yuǎn)的作用距離。但目前單光子激光測距技術(shù)仍處于研制階段，發(fā)展還不是很成熟。它對(duì)激光器的重頻、線寬等提出了更高的要求，同時(shí)由于其超高的靈敏度，在激光發(fā)射時(shí)光學(xué)器件上產(chǎn)生的散射光、閃爍效應(yīng)等，即使是很少量的光，其強(qiáng)度就足以使探測器致盲甚至損壞［2］，所以光學(xué)系統(tǒng)的雜散光處理以及實(shí)際使用中的溫度控制、偏置電壓的控制等工程化問題還有待進(jìn)一步發(fā)展和解決。

總之，通過使用制冷型APD器件或蓋革模式的單光子器件，提高接收探測器的靈敏度，是未來測距傳感器應(yīng)用的趨勢，也是提升測距距離的有效措施之一。

（4）壓縮激光脈沖束散角。作用距離R反比于（θt）1/2，因此采用激光擴(kuò)束光路壓縮束散角的措施效果突出，但束散角越小，對(duì)系統(tǒng)跟蹤瞄準(zhǔn)精度的要求隨之增加，因此受限于光電系統(tǒng)跟瞄精度。

（5）激光發(fā)射接收光學(xué)效率。一般機(jī)載測距機(jī)采用紅外、激光共孔徑設(shè)計(jì)，激光發(fā)射接收光學(xué)效率受限于系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)及目前光學(xué)元件的鍍膜水平，效率一般在0.5～0.7，改善的余地不大。

（6）回波信號(hào)處理提高信噪比，進(jìn)而降低最小可檢測信噪比。上述前五種方式受限于實(shí)際應(yīng)用中體積、重量要求、激光器研制水平、探測器性能及受系統(tǒng)跟瞄精度和準(zhǔn)測率的約束。

一般激光測距機(jī)使用極窄的激光脈沖，發(fā)射脈沖寬度僅為幾ns，經(jīng)大氣傳輸展寬后的回波脈沖的寬度也只有二、三十ns，而且激光回波信號(hào)很弱，容易淹沒在強(qiáng)噪聲中，因此， 激光回波信號(hào)的檢測成了一個(gè)關(guān)鍵的問題。

傳統(tǒng)閾值比較法檢測激光回波信號(hào)， 它將激光回波信號(hào)與閾值相比較，如果回波信號(hào)的幅值大于閾值，那么該信號(hào)為目標(biāo)，否則為噪聲。這種測距方法只能工作在大信噪比的條件下，一般信噪比在10以上，影響激光測距機(jī)的作用距離和測量精度。而通過信號(hào)疊加和波形匹配數(shù)字濾波，以及多幀目標(biāo)信號(hào)相關(guān)檢測等回波信號(hào)處理方式，從信噪比上提高信號(hào)提取能力，潛力大，可大幅度提高測距能力。

多脈沖累加能明顯提高信噪比，這種信號(hào)積累算法是應(yīng)用于雷達(dá)信號(hào)檢測和處理的經(jīng)典算法，在微波雷達(dá)領(lǐng)域該技術(shù)已經(jīng)成熟，并得到廣泛應(yīng)用。隨著高重頻半導(dǎo)體泵浦固體激光器和高速A/D采樣、DSP等數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，多脈沖技術(shù)已成功應(yīng)用于遠(yuǎn)程激光測距機(jī)中。如前文中提到的“門警”系統(tǒng)中，最早應(yīng)用了多脈沖激光測距技術(shù)，采用每組3個(gè)脈沖，脈沖間隔8 ms。

多脈沖測距技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)是激光器的發(fā)射方式，不同于常規(guī)單脈沖激光測距，它每次發(fā)射一串脈沖間隔為幾百μs的脈沖，并通過對(duì)接收的脈沖串激光回波信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理后得到目標(biāo)距離［4］。

目標(biāo)激光回波的時(shí)間相關(guān)性主要取決于相鄰脈沖的間隔，相鄰脈沖信號(hào)的時(shí)間相關(guān)性從相鄰兩個(gè)激光脈沖回波信號(hào)相對(duì)發(fā)射信號(hào)（主波）的時(shí)間差△t來確定：

式中，v為目標(biāo)相對(duì)測量點(diǎn)的視線距離變化速度；tp為相鄰兩激光脈沖時(shí)間間隔；c為光速。對(duì)于飛行速度為2Ma的目標(biāo)來說：tp取300μs，則由上式得出△t=1.36ns，遠(yuǎn)小于激光信號(hào)寬度（一般10ns以上），可有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)回波信號(hào)的相關(guān)處理，如對(duì)數(shù)字采樣信號(hào)進(jìn)行迭加和根據(jù)多次回波迭加后的波形特征進(jìn)行波形匹配濾波，可以將信噪比提高數(shù)倍。

1）信號(hào)迭加。把脈沖回波信號(hào)按照周期進(jìn)行同步迭加，利用信號(hào)的相關(guān)性和噪聲的不相關(guān)特性，抑制噪聲，提高信噪比。

2）波形匹配數(shù)字濾波。將信號(hào)迭加處理后，進(jìn)一步采用波形匹配濾波，將與標(biāo)準(zhǔn)波形差異大的噪聲濾掉。

根據(jù)隨機(jī)過程理論，濾波后的噪聲方差為：

運(yùn)算后得：

式中，Bk（iτ0）為自相關(guān)函數(shù)，σ為噪聲均方根噪聲值。

對(duì)于多脈沖測距系統(tǒng)，由于原始噪聲脈寬比多個(gè)回波信號(hào)迭加后的脈寬小得多，而采樣頻率周期與電路響應(yīng)時(shí)間相近，因此，上式第二項(xiàng)相對(duì)第一項(xiàng)小得多，可以忽略，所以濾波后的噪聲均方值可以認(rèn)為等于。

3）多幀目標(biāo)信號(hào)相關(guān)檢測。在對(duì)單幀（一個(gè)脈沖串目標(biāo)信號(hào)為一幀）脈沖串信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用多幀目標(biāo)信號(hào)相關(guān)處理來剔除假目標(biāo)，降低檢測閾值和提高檢測概率。多幀目標(biāo)信號(hào)相關(guān)檢測，是將當(dāng)前檢測出的目標(biāo)信號(hào)的特征參數(shù)與目標(biāo)鏈中存儲(chǔ)的潛在目標(biāo)的特征參數(shù)進(jìn)行比較的過程。若當(dāng)前預(yù)選目標(biāo)與目標(biāo)鏈中的某一潛在目標(biāo)特征參數(shù)之差小于允許門限，則認(rèn)為兩者是匹配的，屬于同一目標(biāo)。

通常以最小可探測功率來衡量激光測距機(jī)的探測能力，使用上述理論分析，多脈沖測距相比單脈沖測距，最小可探測功率可增加1個(gè)數(shù)量級(jí)以上，因此可在不增加系統(tǒng)體積重量等前提下，顯著提升測距距離。而高速AD和DSP器件發(fā)展，也為多脈沖測距技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供了硬件實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。

圖1為多脈沖激光測距系統(tǒng)原理圖，采用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）+現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（FPGA）的結(jié)構(gòu)，處理能力強(qiáng)大，可滿足多脈沖激光測距的實(shí)時(shí)要求。

4　結(jié)語

本文針對(duì)影響測距能力的主要因素進(jìn)行了分析，對(duì)各種提高測程的方法進(jìn)行了探討，重點(diǎn)對(duì)從提高回波信號(hào)處理能力方面提升測程的方法進(jìn)行了梳理。隨著電子技術(shù)不斷發(fā)展和工藝生產(chǎn)技術(shù)提升，遠(yuǎn)程激光測距技術(shù)將越來越成熟。在未來現(xiàn)代化戰(zhàn)爭或局部戰(zhàn)爭中，遠(yuǎn)程激光測距技術(shù)在精確制導(dǎo)、光電預(yù)警、綜合火控、目標(biāo)探測跟蹤等方面將發(fā)揮越來越重要的作用。

［1］許中園，孫勝利，陸衛(wèi).基于單光子技術(shù)的激光測距系統(tǒng)幾個(gè)問題的討論.激光與紅外，2008（38）：531-534.

［2］于彥梅.激光測距機(jī)及發(fā)展趨勢.情報(bào)指揮控制系統(tǒng)與仿真技術(shù)，2002（8）：19-21.

［3］譚顯裕.脈沖激光測距儀雪崩光電探測器最佳工作狀態(tài)和接收靈敏度研究.光電子技術(shù)， 2001，21（2）：129-137.

［4］鐘聲遠(yuǎn)，李松山.脈沖串激光測距技術(shù)研究.激光與紅外，2006（36）：797-799.

張灝燁（1982—），男，江蘇無錫人，漢族，碩士學(xué)歷，工程師，研究方向：激光雷達(dá)與光電探測技術(shù)。