提高脉冲激光测距精度的方法

提高脉冲激光测距精度的方法

郭英伟  孙丽光

220802198001251519

230106197606242513

摘要：脉冲激光测距技术以其高精度、快速响应和远距离测量等优点，在军事、航天、交通等领域得到了广泛应用。然而，在实际应用中，脉冲激光测距的精度常常受到各种因素的影响，如大气干扰、目标反射特性、仪器误差等。这些因素的存在可能导致测距结果出现偏差，从而影响实际应用的效果。因此，如何提高脉冲激光测距的精度，成为当前亟待解决的问题之一。本文提出几点提高脉冲激光测距精度的方法，以供参考。

关键词：脉冲激光测距；精度；方法

1. 提高脉冲激光测距精度的重要性

1.1军事应用的需求

在军事领域，脉冲激光测距技术被广泛应用于目标探测、火炮定位、导弹制导等方面。在这些应用中，测距精度直接关系到武器系统的命中率和作战效能。因此，提高脉冲激光测距精度对于提升军事装备的性能和作战能力具有重要意义。

1.2民用领域的应用

除了军事应用外，脉冲激光测距技术还广泛应用于民用领域，如建筑测量、地形测绘、无人驾驶等。在这些应用中，测距精度同样至关重要。例如，在建筑测量中，精确的测距数据可以为建筑物的设计和施工提供可靠的依据；在无人驾驶中，精确的测距技术可以帮助车辆实现精准导航和避障。

1.3科技发展的推动

随着科技的不断发展，脉冲激光测距技术也在不断进步。提高脉冲激光测距精度不仅可以推动相关领域的技术发展，还可以为其他领域的技术创新提供有力支持。例如，在激光通信、激光雷达等领域，高精度的脉冲激光测距技术是实现高速、稳定通信和探测的关键之一。

2. 提高脉冲激光测距精度的方法

2.1优化时间间隔测量技术

时间间隔测量是脉冲激光测距中的核心环节，其精度直接影响到最终的测距结果。为了提高时间间隔测量的精度，可以采取以下方法：

①采用高分辨率计时器

高分辨率计时器能够提供更加精确的时间测量，从而提高脉冲激光测距的精度。例如，采用高速光电器件和数字信号处理技术，可以实现纳秒甚至亚纳秒级别的时间分辨率，进而显著提高测距精度。

②优化计时电路设计

计时电路的设计对于时间间隔测量的精度也有重要影响。通过优化计时电路的设计，可以减小电路噪声和漂移，提高计时稳定性，从而提高测距精度。

2.2回波信号检测

目标特性、气象条件和背景噪音是影响脉冲激光测距技术精度的重要因素。如果在测量时环境中存在水汽和雾气,激光传播媒质会使回波的振幅大大减小,并且会使脉冲波形发生畸变和加宽,而噪音的振幅和频段特性基本不会发生改变,从而掩盖了目标的回波。为克服背景噪声、脉宽展宽等原因对脉冲激光测距的影响,穆嘉星等设计了一种双光路差分的脉冲激光测距实验系统,即将回波信号分成两束,并分别进入两个通道,该方法较传统的峰值时刻鉴别法更容易提取截止时间。在存在背景噪声的情况下进行对比实验,差分方法将测距误差降至70mm。在分析总结了系统噪声、幅度游动效应、上升时间游动效应带来时间晃动误差的基础上,设计双阈值差分信号时刻鉴别电路。脉冲回波信号经过光电转换器件以及放大电路的处理后经过差分放大器,分成两个除极性相反其他特征完全一致的差分信号。接收端获得的信号是传统单端信号的二倍,在相同的回波信号持续时间以及电压比较阈值下,差分信号比传统单端信号更能准确地测量出脉冲激光飞行的截止时刻,两种信号鉴别示意图,如图1所示。搭载实验系统进行测试后发现：差分信号时刻鉴别电路实际测距误差保证在9mm以内,有效地减少了时间晃动误差,提高了测距精度。

图1：回波信号时刻鉴别示意图

2.3回波信号处理算法优化

回波信号处理是脉冲激光测距中的另一个关键环节，其算法的优化对于提高测距精度具有重要意义。以下是一些建议的方法：

①自适应滤波算法

回波信号在传输过程中会受到各种干扰和噪声的影响，导致信号质量下降。为了提取出有用的回波信号，可以采用自适应滤波算法，如最小均方误差算法（LMS）或递归最小二乘算法（RLS）等，对回波信号进行滤波处理，减小噪声和干扰的影响，从而提高测距精度。

②峰值检测算法

峰值检测是提取回波信号中目标距离信息的关键步骤。为了提高峰值检测的准确性，可以采用基于阈值判断、斜率判断或曲线拟合等方法的峰值检测算法，以准确识别回波信号的峰值位置，从而提高测距精度。

③回波信号匹配算法

在复杂的环境中，回波信号可能会受到多径效应、散射等因素的影响，导致回波信号与发射信号之间的匹配度降低。为了提高回波信号与发射信号之间的匹配度，可以采用基于相关函数、波形匹配或机器学习等方法的回波信号匹配算法，以提高测距精度。

2.4硬件设备的升级与改进

在脉冲激光测距技术中，硬件设备的性能对于确保测量精度的重要性不言而喻。为了进一步提升测距的精确度，对硬件设备进行升级和改进显得尤为关键。这不仅涉及到激光器的选择，还涵盖了光电探测器和信号处理芯片等多个方面。

首先，激光器的性能直接关系到脉冲激光的质量和稳定性。更高性能的激光器能够提供更为纯净、稳定的激光输出，从而减少在传输过程中的衰减和干扰。例如，通过采用波长更短、能量更高的激光器，可以显著提高激光的穿透力，使其在复杂环境中依然能够保持较高的测量精度。其次，光电探测器的性能同样对测距精度产生重要影响。优秀的光电探测器能够更快速、更准确地响应激光脉冲信号，从而减小信号传输延迟和误差。此外，先进的光电探测器还具备更高的灵敏度和更宽的动态范围，这使得在弱光或强光条件下都能保持稳定的测量性能。最后，信号处理芯片的性能也不可忽视。高性能的信号处理芯片能够更快速、更准确地处理接收到的激光脉冲信号，从而提取出更精确的距离信息。通过采用先进的算法和更强大的计算能力，信号处理芯片可以实现对信号的优化处理，进一步提高测距的准确性和稳定性。

2.5增强环境适应性

①防水防尘设计

对于需要在户外或恶劣环境下使用的脉冲激光测距设备，应进行防水防尘设计，以确保设备在各种环境下都能稳定运行，避免因水雾、尘埃等导致测量精度下降。

②抗震动设计

在一些特殊应用场景中，如车载、船载等，脉冲激光测距设备可能会受到震动的影响。为了提高设备的抗震动性能，可以采用减震材料、加固结构等措施，确保设备在震动环境下依然能够保持测量精度。

③自动校准与补偿技术

在实际应用中，由于环境因素的影响，如温度、湿度等，可能导致设备性能发生变化。为了减小这些影响，可以采用自动校准与补偿技术，定期对设备进行校准，并根据环境变化自动调整设备参数，以保持测量精度。

结语：

脉冲激光测距技术以其高精度和快速性在多个领域得到广泛应用。然而，在实际应用中仍面临诸多挑战。通过优化测距算法、改进回波信号处理算法、升级硬件设备、增强环境适应性和优化软件等方面，可以进一步提高脉冲激光测距技术的精度和性能。随着科技的不断发展，相信脉冲激光测距技术将在未来发挥更大的作用，为各个领域的发展提供有力支持。

参考文献：

[1]田海军,杨婷,赵杨辉.脉冲激光测距中高精度时间间隔系统设计[J].现代电子技术,2017,40(4):155-158.

[2]潘其锋,唐伟华.高精度时间间隔测量技术与方法探讨[J].低碳世界,2015(32):160-161.

[3]陈瑞强,江月松.脉冲激光测距的时间间隔测量方法[J].光学学报,2013,33(2):99-104.