0 引言

    科技的进步加快了测距技术的发展步伐，同时也对测距系统提出了更为苛刻的要求。其中，激光测距技术利用激光优异的单色性以及极窄的脉冲宽度等特点，能够有效降低地面杂波的影响和背景噪声的干扰，在超低空或地面目标探测等领域具有明显的探测优势^[1]。对于地理勘测以及复杂地理环境下的工程测量，激光测距系统能够提供较高的测距精度^[2]。近年来，无人汽车^[3]、无人机^[4]、机器人等新兴技术的快速发展离不开高性能的测距技术，越来越多的新型智能装备将激光测距系统作为其探测模块，因此，对激光测距系统的测距性能(测距精度、动态范围和数据上传速率等)、功耗以及体积等方面提出了更高的要求，同时也衍生出了新的测距指标标准^[5]。目前，激光器技术的发展成熟以及高灵敏度探测器等光电器件性能的不断提高给激光测距技术带来了新的机遇与挑战，如何提高测距系统的测距性能、如何有效降低系统成本、加快其实用化进程是未来激光测距技术的重要发展趋势。

    激光测距系统是激光技术和现代信息处理技术的综合产物，其以激光作为探测媒介，通过对回波信号光的相位、振幅或偏振态等特征量的处理，计算得到目标的距离信息^[6-7]。根据激光测距的工作原理，可将激光测距技术分为三角测距、脉冲测距、相干测距和光子计数测距。根据测距范围，可将激光测距技术分为近程、中程和远程测距^[8]。根据探测方式，可将激光测距技术分为相干探测方式和直接探测方式。相干探测时，光电探测器是对本振光和信号光的拍频信号进行响应，再通过鉴频或鉴相处理得出距离信息^[9]。直接探测^[10]时，光电探测器直接对回波信号光进行响应。由于直接探测容易受到背景光的干扰^[11]且要求单个回波信号光的能量必须大于光电探测器的等效噪声功率，因此，常采用响应快、噪声小、灵敏度高的雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode，APD)探测微弱的回波信号光并对其进行光电信号转换，其次，在回波信号处理过程中也需要做消噪处理，以便提高测距的准确度^[12]。

    目前技术最为成熟且应用最为广泛的测距方法是脉冲飞行时间测距法和单光子计数测距法。脉冲飞行时间测距法，是通过测量发射信号光和回波信号光之间的时间间隔而得到距离信息^[13]；单光子计数测距法，是采用光子计数和数学统计的思想从回波信号光中提取得到距离信息^[8，14]。

    在信号处理方面，应用日益广泛的无人智能装备对其搭载的激光测距系统提出了新的要求，系统必须需要具备实时、准确的数据采集能力。然而，DSP和ARM的时钟频率比较低，仅能在软件层进行编程，无法满足实际应用时激光测距雷达的数据采集和处理要求[15]。相比而言，FPGA的时钟频率非常高且内部延时短，可直接编程实现相关逻辑功能，因而可作为激光测距系统的主控芯片，以达到工作可靠、设计灵活、响应迅速等要求。

    综上所述，本文基于脉冲飞行时间测距原理设计实现了一套脉冲激光测距系统，系统采用直接探测的工作方式，并利用APD实现回波信号光的光电转换；在时序控制及距离信息提取方面，以FPGA作为主控芯片^[16]控制激光脉冲的发射并从回波信号光中提取得到待测目标的距离信息。

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作者信息:

马鸿斌1，尚建华1，潘世光1，罗  远2，贺  岩2

(1.东华大学 信息科学与技术学院，上海201620；

2.中国科学院上海光学精密机械研究所 空间激光信息技术研究中心，上海201800)