激光測距在云高儀中的應(yīng)用

鄭迎賓

民航貴州空管分局，貴州貴陽 550012

0 引言

激光測距技術(shù)誕生于20世紀60年代初，是激光應(yīng)用領(lǐng)域里最早最成熟的技術(shù)之一，它具有測量精確度準、分辨率高、抗干擾能力強等優(yōu)點。在有測距需求的航空航天、氣象、軍事、交通管制等各行業(yè)中，各類激光測距儀的研制得到了很大的發(fā)展，測距性能日趨提高，測距技術(shù)日益成熟與完善。

1 激光測距原理

激光測距方法[3，4]根據(jù)測距系統(tǒng)是否需要加載光源可分為被動測距方法和主動測距方法。被動測距系統(tǒng)不需要加載光源，它是靠目標物的環(huán)境光束來確定距離信息，現(xiàn)主要應(yīng)用在軍事探測領(lǐng)域。主動測距系統(tǒng)必須要有一個光源來照亮目標物，這種測距方法是當今主要應(yīng)用的測距方法，它包括TOF（Time-of-Flight）法、三角法、干涉法等。TOF測距法根據(jù)所發(fā)的激光狀態(tài)不同，又可分為連續(xù)波激光測距（包括相位和調(diào)頻兩種方式）與脈沖激光測距。目前，市場上應(yīng)用的激光測距設(shè)備大都采用相位測距和脈沖激光測距。

1.1 相位激光測距技術(shù)

相位激光測距技術(shù)，是將發(fā)射激光進行幅度調(diào)制，然后根據(jù)測定這個已調(diào)激光信號往返測距儀與被測目標物之間所產(chǎn)生的相位差，間接計算出待測距離。相位激光測距是一種有合作目標要求的測距方式，它一般要求在儀器的測距量程內(nèi)安裝反射鏡，用以原路反射回激光光束，并由接收模塊進行接收處理。相位激光測距儀的原理圖如圖1所示。

圖1 相位激光測距原理圖

由圖1可知，若調(diào)制信號的角頻率為ω，待測距離為D，在D內(nèi)往返一次的時間為t、相位移為φ，則有如下關(guān)系公式。

又 有 ω= 2π f , φ = Nπ +Δφ ， 帶 入 公 式（1） 得 ，D = (N π +Δφ ) ? c / 4πf（2）

式（2）中，

N為待測距離D中半波長的個數(shù)；

Δ? 為激光信號往返一次產(chǎn)生相位延遲中不足半波長的部分；

c為光速；

f為調(diào)制信號的頻率。

由于在此種測距方法中，N的值在激光信號發(fā)出并接收后不能確定，所以這種測距方式的最大缺陷是所測最長距離受限，由調(diào)制波的波長決定。然而，相位激光測距能準確測出半個波長內(nèi)的相位差，這也成就了這種測距儀器的最大的優(yōu)點：測量精度高，常用于精密測量。

1.2 脈沖激光測距技術(shù)

脈沖激光測距的技術(shù)，是利用激光發(fā)射器向被測目標發(fā)射窄帶激光脈沖，同時觸發(fā)計時模塊，當激光脈沖到達目標并經(jīng)其表面反射被接收探測器接收后，停止計時，通過測量從發(fā)射到接收激光脈沖的時間間隔，來計算出目標物的距離。

式（3）中，

D為探測距離；

c為光速；

t為激光脈沖飛行的時間。

由此可知，在脈沖法激光測距中，在光速既定的情況下，脈沖激光測距將轉(zhuǎn)化為對激光脈沖飛行時間的測量。

1.3 脈沖激光測距系統(tǒng)構(gòu)成

脈沖激光測距系統(tǒng)主要包括激光發(fā)射模塊、激光接收模塊、數(shù)字控制處理部分和光學(xué)系統(tǒng)。

激光發(fā)射系統(tǒng)主要是發(fā)射峰值功率高、發(fā)散角小的窄帶激光脈沖，在經(jīng)過光系統(tǒng)進一步優(yōu)化后射向探測目標。現(xiàn)在常用的激光測距儀的發(fā)射部分主要由激光發(fā)生器、激光電源和光學(xué)系統(tǒng)組成，這里的核心部分是激光發(fā)生器。

激光接收系統(tǒng)是接收被測目標物后向散射回來的微弱脈沖信號，經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)處理后，被光敏器件接收轉(zhuǎn)換成電信號，并經(jīng)放大處理，送到時間測量單元。一般的接收裝置主要由光學(xué)處理單元、光電二極管和低噪放大器組成。

數(shù)字處理控制部分主要包括時間測量單元和信息處理單元。時間測量單元，其主要作用是測量激光脈沖從測距機到被測目標往返一次的時間，并計算出的距離，這里得到精確的時間間隔至關(guān)重要，可通過多種方法進行測量精度的提高。信息處理單元的任務(wù)是把具有一定時間間隔的主回波信號經(jīng)過搜索、跟蹤，形成主回波延時信號，并對其進行測量、計算轉(zhuǎn)化為距離信息。

2 激光測距在云高儀中的實現(xiàn)

2.1 測云原理

在現(xiàn)代氣象測距儀器中主要使用脈沖激光測距技術(shù)，當激光在低空大氣中傳播時，與大氣氣溶膠粒子相比較，大氣分子對激光束的散射是相當弱的，因此，應(yīng)主要考慮氣溶膠粒子對激光光速的散射作用。云是由小水滴或冰晶凝結(jié)而成的粒子，它是一種特殊的氣溶膠粒子，對激光光束的散射更加強烈，激光云高儀就是利用云的這種散射特性來測量云高的。

當激光從大氣進入云層時，在云的邊界處發(fā)生強烈的散射作用，一些后向散射信號將被測云儀器的接收系統(tǒng)所探測到，并轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過信息處理系統(tǒng)計算，即可得出包括云底高度在內(nèi)的各種云層的特性信息。后向散射信號的強弱與發(fā)射激光的功率、云底高、云狀和接收系統(tǒng)的性能相關(guān)。通常情況下，探測較高的云層，激光飛行的距離就遠，接收機收到的后向散射信號就越弱，這樣，通過計算得出的云底高度就越大。反之亦然。

后向散射信號的強度可從下面方程得出（激光雷達方程）。

式（4）中，

Pr(z)為從距離z 處接收到的瞬時信號強度；

Eo 為有效的激光能量(考慮所有的光學(xué)衰減后) ；

c 為光的速度；

A 為接收機孔徑；

z 為所探測的距離；

β( z)為在距離z 處被測氣溶膠粒子的體積后向散射系數(shù)；

2.2 半導(dǎo)體激光云高儀

半導(dǎo)體激光云高儀是近年發(fā)展起來的，它的發(fā)射單元采用固態(tài)的近紅外激光二極管，接收單元一般采用量子效率很高的雪崩二極管，信息處理模塊采用數(shù)字信號處理技術(shù)，光學(xué)單元設(shè)計獨特，因而成為當前研究的一個熱點領(lǐng)域。芬蘭Vaisala公司生產(chǎn)的云高儀CL31 就是典型的半導(dǎo)體激光云高儀，它采用In-GaAs半導(dǎo)體脈沖激光二極管作為激光光源，激光波長為905nm，接收探測器采用雪崩光電二極管（APD），先進的增強型單鏡頭設(shè)計，確保了從地面零米起的極佳測量性能。

3 結(jié)論

激光測距技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛，技術(shù)不斷成熟與完善，新的應(yīng)用產(chǎn)品層出不窮，這在氣象測距儀器中也越來越能體現(xiàn)出來，包括航空、航海等常用的各種測能見度儀、云高儀等。采用固態(tài)的近紅外激光二極管和DSP技術(shù)結(jié)合，再加上獨特的光學(xué)鏡頭設(shè)計，促使激光云高儀朝著小型化、分辨率高、監(jiān)測連續(xù)性好的方向發(fā)展，可以相信激光測距技術(shù)在氣象探測儀器中應(yīng)用會越來越廣泛。

[1]岱飲，宋文武，王希軍.高頻半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動設(shè)計及穩(wěn)定性分析[J].光學(xué)精密工程，2006，14(5)：745-748.

[2]李松，周輝，石巖，等.激光測高儀的回波信號理論模型[J].光學(xué)精密工程，2007，15(1)：33-39.