提高脉冲LD测距系统测距能力的一种方法

　　引 言

　　以激光测距为基础的产业仍然是光电子行业重要产业之一，目前它的最主要应用依然是在军事方面。脉冲 LD 测距技术随着LD 技术的发展而逐渐发展并成熟起来，由于它在低于人眼安全极限的激光辐照功率下(一级激光安全)仍能保持相当的测距能力(1Km 以上)，并能在一定范围内保证相当的测距精度(厘米级)[1~2]，所以也逐渐被应用到民用领域中来。

　　LD 辐射的功率很低，其输出信号的幅度十分有限的。LD 测距一般是从噪声中通过适当的处理提取信号。信噪比(Signal-Noise Ratio, SNR)一直是影响 LD 测距测程的最主要因素。在发射接收口径、发射功率及接收器一定的情况下，其信号的幅度是一定的;在确保信号幅度不变的情况下，如何降低探测器的输出噪声，提高系统的信噪比，成为增大测距机测程的最关键技术之一。

　　1 LD 测距系统的噪声构成及对系统的影响

　　光电系统的噪声主要由两部分组成[3]：一是来自系统外部，由外部的电、磁、机械、杂散光(含背景光)等因素引起的。这部分噪声，除背景光外，都可通过适当的措施来消除;二是来自系统内部，主要由系统的材料、器件或固有物理过程的自然扰动引起的。这里把背景噪声与系统内部噪声放在一起来讨论，且不考虑噪声的相关性。脉冲LD 测距机目前多采用直接探测技术，探测系统的噪声主要由如下几种构成，分别是热噪声、散粒噪声、背景噪声、暗电流噪声及放大器噪声。该类测距机的测距能力与信噪比密切相关，表达式为[4]

式中ρ 为探测器的响应度，M 为探测器倍增因子，PP为探测器接收到的光功率，e 为电子电量，B 为系统噪声等效带宽，Pdc为探测器接收到的背景光功率，Id为探测器的暗电流，na为放大器等效输入噪声，x 为探测器附加噪声指数。式(1)中，分母中第一项为散粒噪声，第二项为背景噪声，第三项为暗电流噪声，第四项为与放大器及热噪声有关的噪声。从(1)式可以看出，分母中的第一、第二项与光电有关，第三项与温度有关。另外，SNR 的分子项(信号)随 M 的2 次方增加，同时分母项(噪声)随M 的(x+2)次方增加;所以，应该存在一个使SNR 最大的M，

　　从(2)式可看出，最佳倍增因子Mopt除与探测器本身的性能na(含探测器的面漏电流和放大器的等效热噪声电流)及x, ρ, Id有关外，还与发射光功率(或接收到的光功率 Pp)、背景光功率 Pdc以及放大器的带宽 B 有关;特别是背景光，对 LD 测距系统的信噪比有很大的影响，这一点与传统的固体激光测距有很大的不同。这主要是由如下几个因素造成的。首先，如果采用合适的谐振腔结构，固体激光的光谱特性相对 LD 而言，其温度性能要稳定一些。一般来讲，在整个温度范围内，脉冲 LD 的光谱要宽得多。这样，固体激光更有利于光学滤波来抑制背景噪声;其次，固体激光测距相对 LD 测距而言，其测距精度要求要低一些，有利于压缩放大器的带宽而抑制噪声;再者，固体激光测距相对 LD 测距而言，属于大信号测距的范畴，其对噪声抑制的要求要低一些。把(2)式通过适当处理代入(1)式，可得到在一定情况下的最大探测灵敏度。另外，倍增因子可以表示为