一种应用于高精度脉冲激光测距的自动增益控制方法

　　1　引　言

　　脉冲激光测距仪通过测量激光脉冲往返时间来测定目标相对距离,在近程(几十米)测量中,其单次测量精度已经达到毫米级。作为一种可以快速获取目标精确距离信息的有效手段,高精度脉冲激光测距在诸如工业现场非接触测量、激光三维扫描、航天器交会对接等领域都获得了广泛应用。

　　脉冲激光测距仪一般用于测量非合作目标。在近程测距应用中,由于目标距离、反射特性等在大动态范围内变动,激光回波脉冲功率会发生剧烈变化。而为了保证高精度的距离测量,回波探测放大系统必须严格工作在线性区避免探测到的回波脉冲饱和失真,同时,其输出的信号脉冲幅度需要稳定在一定范围内以减小时刻鉴别带来的距离行走误差[1]。

　　在回波功率大幅度变化的情况下,实现高精度测距需要在回波接收系统中引入自动增益控制技术。传统上通常采用时变增益法补偿距离改变造成的回波功率变化[2],这种方法对增益控制响应速度要求较高,此外还缺乏对目标和背景的适应能力。芬兰奥鲁大学研究人员采用衰减器结合幅度探测手段对接收机进行自动增益控制,有效提高了近程测距精度[3],但是该方法缺乏对背景光噪声变化的适应能力。本文首先分析了脉冲激光测距回波接收系统增益控制手段及范围,在此基础上提出了一种基于回波幅度和噪声探测的自动增益控制方法,给出了实现该方法所需要的关键技术解决方案,最后进行了实验验证。

　　2　回波接收系统自动增益控制原理分析

　　激光测距仪回波接收系统的增益由光增益和电增益两部分组成。相对于光增益,电增益的调整一般通过改变电路放大倍数实现,具有调整速度快、易集成等优点,便于进行自动增益控制。因此,本文针对接收电路增益的调整,讨论高精度激光测距仪的自动增益控制方法。

　　针对高精度脉冲激光测距所探测的光脉冲较窄,信号较弱的特点,经常选用雪崩光电二极管(APD)作为光电探测器,它具有内增益高、响应速度快等优点。回波接收电路应具有与所探测光信号相匹配的带宽,一方面保证探测到的信号脉冲不失真,另一方面尽可能的抑制系统噪声。为了同时满足接收带宽和放大增益的要求,接收放大电路通常由一级跨阻前置放大器和一级主放大器组成。图1是基于雪崩光电二极管(APD)的测距仪回波接收电路框图。APD将光脉冲信号转化为电流信号,通过跨阻前放放大为电压信号,再经过可变增益主放大器调整到可以进行时刻鉴别的幅度。

　　由图1可见,回波接收电路是一个多级探测放大系统。在带宽匹配及信号未饱和的条件下,系统输出的信号脉冲的幅度可以表示为: