激光测距在云高仪中的应用

摘要 本文介绍了激光测距的方法与原理，分别阐述了当前几种主要的激光测距技术，包括相位激光测距技术和脉冲激光测距技术，较详细的分析了脉冲激光测距的系统构造及其在云高仪中的具体应用。

关键词 激光测距；相位法；脉冲法；云高仪

中图分类号TH76 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）64-0149-02

0 引言

激光测距技术诞生于20世纪60年代初，是激光应用领域里最早最成熟的技术之一，它具有测量精确度准、分辨率高、抗干扰能力强等优点。在有测距需求的航空航天、气象、军事、交通管制等各行业中，各类激光测距仪的研制得到了很大的发展，测距性能日趋提高，测距技术日益成熟与完善。

1 激光测距原理

激光测距方法[3，4]根据测距系统是否需要加载光源可分为被动测距方法和主动测距方法。被动测距系统不需要加载光源，它是靠目标物的环境光束来确定距离信息，现主要应用在军事探测领域。主动测距系统必须要有一个光源来照亮目标物，这种测距方法是当今主要应用的测距方法，它包括TOF（Time-of-Flight）法、三角法、干涉法等。TOF测距法根据所发的激光状态不同，又可分为连续波激光测距（包括相位和调频两种方式）与脉冲激光测距。目前，市场上应用的激光测距设备大都采用相位测距和脉冲激光测距。

1.1 相位激光测距技术

相位激光测距技术，是将发射激光进行幅度调制，然后根据测定这个已调激光信号往返测距仪与被测目标物之间所产生的相位差，间接计算出待测距离。相位激光测距是一种有合作目标要求的测距方式，它一般要求在仪器的测距量程内安装反射镜，用以原路反射回激光光束，并由接收模块进行接收处理。相位激光测距仪的原理图如图1所示。

由图1可知，若调制信号的角频率为ω，待测距离为D，在D内往返一次的时间为t、相位移为φ，则有如下关系公式。

N为待测距离D中半波长的个数；

为激光信号往返一次产生相位延迟中不足半波长的部分；

c为光速；

f为调制信号的频率。

由于在此种测距方法中，N的值在激光信号发出并接收后不能确定，所以这种测距方式的最大缺陷是所测最长距离受限，由调制波的波长决定。然而，相位激光测距能准确测出半个波长内的相位差，这也成就了这种测距仪器的最大的优点：测量精度高，常用于精密测量。

1.2 脉冲激光测距技术

脉冲激光测距的技术，是利用激光发射器向被测目标发射窄带激光脉冲，同时触发计时模块，当激光脉冲到达目标并经其表面反射被接收探测器接收后，停止计时，通过测量从发射到接收激光脉冲的时间间隔，来计算出目标物的距离。

脉冲激光测距公式表达为，（3）

式（3）中，

D为探测距离；

c为光速；

t为激光脉冲飞行的时间。

由此可知，在脉冲法激光测距中，在光速既定的情况下，脉冲激光测距将转化为对激光脉冲飞行时间的测量。

1.3 脉冲激光测距系统构成

脉冲激光测距系统主要包括激光发射模块、激光接收模块、数字控制处理部分和光学系统。

激光发射系统主要是发射峰值功率高、发散角小的窄带激光脉冲，在经过光系统进一步优化后射向探测目标。现在常用的激光测距仪的发射部分主要由激光发生器、激光电源和光学系统组成，这里的核心部分是激光发生器。

激光接收系统是接收被测目标物后向散射回来的微弱脉冲信号，经过光学系统处理后，被光敏器件接收转换成电信号，并经放大处理，送到时间测量单元。一般的接收装置主要由光学处理单元、光电二极管和低噪放大器组成。

数字处理控制部分主要包括时间测量单元和信息处理单元。时间测量单元，其主要作用是测量激光脉冲从测距机到被测目标往返一次的时间，并计算出的距离，这里得到精确的时间间隔至关重要，可通过多种方法进行测量精度的提高。信息处理单元的任务是把具有一定时间间隔的主回波信号经过搜索、跟踪，形成主回波延时信号，并对其进行测量、计算转化为距离信息。

2 激光测距在云高仪中的实现

2.1 测云原理

在现代气象测距仪器中主要使用脉冲激光测距技术，当激光在低空大气中传播时，与大气气溶胶粒子相比较，大气分子对激光束的散射是相当弱的，因此，应主要考虑气溶胶粒子对激光光速的散射作用。云是由小水滴或冰晶凝结而成的粒子，它是一种特殊的气溶胶粒子，对激光光束的散射更加强烈，激光云高仪就是利用云的这种散射特性来测量云高的。

当激光从大气进入云层时，在云的边界处发生强烈的散射作用，一些后向散射信号将被测云仪器的接收系统所探测到，并转化为电信号，经过信息处理系统计算，即可得出包括云底高度在内的各种云层的特性信息。后向散射信号的强弱与发射激光的功率、云底高、云状和接收系统的性能相关。通常情况下，探测较高的云层，激光飞行的距离就远，接收机收到的后向散射信号就越弱，这样，通过计算得出的云底高度就越大。反之亦然。

后向散射信号的强度可从下面方程得出（激光雷达方程）。

为从距离z 处接收到的瞬时信号强度；

Eo 为有效的激光能量(考虑所有的光学衰减后) ；

c 为光的速度；

A 为接收机孔径；

z 为所探测的距离；

为在距离z 处被测气溶胶粒子的体积后向散射系数；

为激光传输途中大气分子和气溶胶粒子的衰减率，在透明的大气中，该表达式等于1(也就是没有衰减)。

2.2 半导体激光云高仪

半导体激光云高仪是近年发展起来的，它的发射单元采用固态的近红外激光二极管，接收单元一般采用量子效率很高的雪崩二极管，信息处理模块采用数字信号处理技术，光学单元设计独特，因而成为当前研究的一个热点领域。芬兰Vaisala公司生产的云高仪CL31 就是典型的半导体激光云高仪，它采用In-GaAs半导体脉冲激光二极管作为激光光源，激光波长为905nm，接收探测器采用雪崩光电二极管（APD），先进的增强型单镜头设计，确保了从地面零米起的极佳测量性能。

3 结论

激光测距技术的应用领域日益广泛，技术不断成熟与完善，新的应用产品层出不穷，这在气象测距仪器中也越来越能体现出来，包括航空、航海等常用的各种测能见度仪、云高仪等。采用固态的近红外激光二极管和DSP技术结合，再加上独特的光学镜头设计，促使激光云高仪朝着小型化、分辨率高、监测连续性好的方向发展，可以相信激光测距技术在气象探测仪器中应用会越来越广泛。

参考文献

[1]岱饮，宋文武，王希军.高频半导体激光器的驱动设计及稳定性分析[J].光学精密工程，2006，14(5)：745-748．

[2]李松，周辉，石岩，等.激光测高仪的回波信号理论模型[J].光学精密工程，2007，15(1)：33-39．

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