0 引言

    科技的進(jìn)步加快了測(cè)距技術(shù)的發(fā)展步伐，同時(shí)也對(duì)測(cè)距系統(tǒng)提出了更為苛刻的要求。其中，激光測(cè)距技術(shù)利用激光優(yōu)異的單色性以及極窄的脈沖寬度等特點(diǎn)，能夠有效降低地面雜波的影響和背景噪聲的干擾，在超低空或地面目標(biāo)探測(cè)等領(lǐng)域具有明顯的探測(cè)優(yōu)勢(shì)^[1]。對(duì)于地理勘測(cè)以及復(fù)雜地理環(huán)境下的工程測(cè)量，激光測(cè)距系統(tǒng)能夠提供較高的測(cè)距精度^[2]。近年來(lái)，無(wú)人汽車(chē)^[3]、無(wú)人機(jī)^[4]、機(jī)器人等新興技術(shù)的快速發(fā)展離不開(kāi)高性能的測(cè)距技術(shù)，越來(lái)越多的新型智能裝備將激光測(cè)距系統(tǒng)作為其探測(cè)模塊，因此，對(duì)激光測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)距性能(測(cè)距精度、動(dòng)態(tài)范圍和數(shù)據(jù)上傳速率等)、功耗以及體積等方面提出了更高的要求，同時(shí)也衍生出了新的測(cè)距指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)^[5]。目前，激光器技術(shù)的發(fā)展成熟以及高靈敏度探測(cè)器等光電器件性能的不斷提高給激光測(cè)距技術(shù)帶來(lái)了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，如何提高測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)距性能、如何有效降低系統(tǒng)成本、加快其實(shí)用化進(jìn)程是未來(lái)激光測(cè)距技術(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì)。

    激光測(cè)距系統(tǒng)是激光技術(shù)和現(xiàn)代信息處理技術(shù)的綜合產(chǎn)物，其以激光作為探測(cè)媒介，通過(guò)對(duì)回波信號(hào)光的相位、振幅或偏振態(tài)等特征量的處理，計(jì)算得到目標(biāo)的距離信息^[6-7]。根據(jù)激光測(cè)距的工作原理，可將激光測(cè)距技術(shù)分為三角測(cè)距、脈沖測(cè)距、相干測(cè)距和光子計(jì)數(shù)測(cè)距。根據(jù)測(cè)距范圍，可將激光測(cè)距技術(shù)分為近程、中程和遠(yuǎn)程測(cè)距^[8]。根據(jù)探測(cè)方式，可將激光測(cè)距技術(shù)分為相干探測(cè)方式和直接探測(cè)方式。相干探測(cè)時(shí)，光電探測(cè)器是對(duì)本振光和信號(hào)光的拍頻信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)，再通過(guò)鑒頻或鑒相處理得出距離信息^[9]。直接探測(cè)^[10]時(shí)，光電探測(cè)器直接對(duì)回波信號(hào)光進(jìn)行響應(yīng)。由于直接探測(cè)容易受到背景光的干擾^[11]且要求單個(gè)回波信號(hào)光的能量必須大于光電探測(cè)器的等效噪聲功率，因此，常采用響應(yīng)快、噪聲小、靈敏度高的雪崩光電二極管(Avalanche Photodiode，APD)探測(cè)微弱的回波信號(hào)光并對(duì)其進(jìn)行光電信號(hào)轉(zhuǎn)換，其次，在回波信號(hào)處理過(guò)程中也需要做消噪處理，以便提高測(cè)距的準(zhǔn)確度^[12]。

    目前技術(shù)最為成熟且應(yīng)用最為廣泛的測(cè)距方法是脈沖飛行時(shí)間測(cè)距法和單光子計(jì)數(shù)測(cè)距法。脈沖飛行時(shí)間測(cè)距法，是通過(guò)測(cè)量發(fā)射信號(hào)光和回波信號(hào)光之間的時(shí)間間隔而得到距離信息^[13]；單光子計(jì)數(shù)測(cè)距法，是采用光子計(jì)數(shù)和數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的思想從回波信號(hào)光中提取得到距離信息^[8，14]。

    在信號(hào)處理方面，應(yīng)用日益廣泛的無(wú)人智能裝備對(duì)其搭載的激光測(cè)距系統(tǒng)提出了新的要求，系統(tǒng)必須需要具備實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集能力。然而，DSP和ARM的時(shí)鐘頻率比較低，僅能在軟件層進(jìn)行編程，無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用時(shí)激光測(cè)距雷達(dá)的數(shù)據(jù)采集和處理要求[15]。相比而言，FPGA的時(shí)鐘頻率非常高且內(nèi)部延時(shí)短，可直接編程實(shí)現(xiàn)相關(guān)邏輯功能，因而可作為激光測(cè)距系統(tǒng)的主控芯片，以達(dá)到工作可靠、設(shè)計(jì)靈活、響應(yīng)迅速等要求。

    綜上所述，本文基于脈沖飛行時(shí)間測(cè)距原理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)，系統(tǒng)采用直接探測(cè)的工作方式，并利用APD實(shí)現(xiàn)回波信號(hào)光的光電轉(zhuǎn)換；在時(shí)序控制及距離信息提取方面，以FPGA作為主控芯片^[16]控制激光脈沖的發(fā)射并從回波信號(hào)光中提取得到待測(cè)目標(biāo)的距離信息。

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作者信息:

馬鴻斌1，尚建華1，潘世光1，羅  遠(yuǎn)2，賀  巖2

(1.東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海201620；

2.中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所 空間激光信息技術(shù)研究中心，上海201800)