0 引言

    科技的進步加快了測距技術的發展步伐，同時也對測距系統提出了更為苛刻的要求。其中，激光測距技術利用激光優異的單色性以及極窄的脈沖寬度等特點，能夠有效降低地面雜波的影響和背景噪聲的干擾，在超低空或地面目標探測等領域具有明顯的探測優勢^[1]。對于地理勘測以及復雜地理環境下的工程測量，激光測距系統能夠提供較高的測距精度^[2]。近年來，無人汽車^[3]、無人機^[4]、機器人等新興技術的快速發展離不開高性能的測距技術，越來越多的新型智能裝備將激光測距系統作為其探測模塊，因此，對激光測距系統的測距性能(測距精度、動態范圍和數據上傳速率等)、功耗以及體積等方面提出了更高的要求，同時也衍生出了新的測距指標標準^[5]。目前，激光器技術的發展成熟以及高靈敏度探測器等光電器件性能的不斷提高給激光測距技術帶來了新的機遇與挑戰，如何提高測距系統的測距性能、如何有效降低系統成本、加快其實用化進程是未來激光測距技術的重要發展趨勢。

    激光測距系統是激光技術和現代信息處理技術的綜合產物，其以激光作為探測媒介，通過對回波信號光的相位、振幅或偏振態等特征量的處理，計算得到目標的距離信息^[6-7]。根據激光測距的工作原理，可將激光測距技術分為三角測距、脈沖測距、相干測距和光子計數測距。根據測距范圍，可將激光測距技術分為近程、中程和遠程測距^[8]。根據探測方式，可將激光測距技術分為相干探測方式和直接探測方式。相干探測時，光電探測器是對本振光和信號光的拍頻信號進行響應，再通過鑒頻或鑒相處理得出距離信息^[9]。直接探測^[10]時，光電探測器直接對回波信號光進行響應。由于直接探測容易受到背景光的干擾^[11]且要求單個回波信號光的能量必須大于光電探測器的等效噪聲功率，因此，常采用響應快、噪聲小、靈敏度高的雪崩光電二極管(Avalanche Photodiode，APD)探測微弱的回波信號光并對其進行光電信號轉換，其次，在回波信號處理過程中也需要做消噪處理，以便提高測距的準確度^[12]。

    目前技術最為成熟且應用最為廣泛的測距方法是脈沖飛行時間測距法和單光子計數測距法。脈沖飛行時間測距法，是通過測量發射信號光和回波信號光之間的時間間隔而得到距離信息^[13]；單光子計數測距法，是采用光子計數和數學統計的思想從回波信號光中提取得到距離信息^[8，14]。

    在信號處理方面，應用日益廣泛的無人智能裝備對其搭載的激光測距系統提出了新的要求，系統必須需要具備實時、準確的數據采集能力。然而，DSP和ARM的時鐘頻率比較低，僅能在軟件層進行編程，無法滿足實際應用時激光測距雷達的數據采集和處理要求[15]。相比而言，FPGA的時鐘頻率非常高且內部延時短，可直接編程實現相關邏輯功能，因而可作為激光測距系統的主控芯片，以達到工作可靠、設計靈活、響應迅速等要求。

    綜上所述，本文基于脈沖飛行時間測距原理設計實現了一套脈沖激光測距系統，系統采用直接探測的工作方式，并利用APD實現回波信號光的光電轉換；在時序控制及距離信息提取方面，以FPGA作為主控芯片^[16]控制激光脈沖的發射并從回波信號光中提取得到待測目標的距離信息。

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作者信息:

馬鴻斌1，尚建華1，潘世光1，羅  遠2，賀  巖2

(1.東華大學 信息科學與技術學院，上海201620；

2.中國科學院上海光學精密機械研究所 空間激光信息技術研究中心，上海201800)