多脈沖激光測(cè)距模塊體積小、重量輕、工作距離長(zhǎng)，在便攜式光電設(shè)備中的應(yīng)用前景廣闊。本文介紹了其工作原理、技術(shù)特點(diǎn)、國(guó)內(nèi)外最新研究進(jìn)展，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。
一、多脈沖激光測(cè)距模塊的工作原理
激光測(cè)距模塊通常由激光發(fā)射器、發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)、接收光學(xué)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路、接收電路和集成控制電路組成。單脈沖激光測(cè)距模塊發(fā)射一個(gè)激光脈沖并輸出一個(gè)距離測(cè)量值。相反，多脈沖激光測(cè)距模塊發(fā)射多個(gè)激光脈沖，采樣多次，將采樣結(jié)果處理為數(shù)字信號(hào)，提取回波信號(hào)，然后輸出一個(gè)距離測(cè)量值。
二、多脈沖激光測(cè)距模塊的優(yōu)點(diǎn)
多脈沖激光測(cè)距模塊具有以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：
在相同體積和重量條件下，工作距離更長(zhǎng)：與單脈沖激光測(cè)距模塊相比，多脈沖激光測(cè)距模組的檢測(cè)靈敏度提高了2到3個(gè)數(shù)量級(jí)，允許在相同的體積和重量情況下工作距離更長(zhǎng)。
穩(wěn)定的回波和最小的距離數(shù)據(jù)抖動(dòng)：由于使用了多脈沖信號(hào)處理技術(shù)，回波信號(hào)更加穩(wěn)定，從而減少了數(shù)據(jù)抖動(dòng)；在能見度低的情況下，這一優(yōu)勢(shì)更為更為明顯。
更好的隱蔽性：與單脈沖激光測(cè)距模塊相比，多脈沖激光測(cè)距模組由于其更高的探測(cè)靈敏度，通常輸出低1到2個(gè)數(shù)量級(jí)的單脈沖能量，使其不太可能被敵方預(yù)警系統(tǒng)探測(cè)到，并提供更好的隱蔽效果。
三、 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展
從事多脈沖激光測(cè)距技術(shù)研究的國(guó)際實(shí)體包括Vectronix（瑞士）、Jenoptik（德國(guó)）和Noptel（芬蘭）。
圖1:Vectronix系列測(cè)距模塊
圖1顯示了瑞士Vectronix公司的幾種典型的1550nm半導(dǎo)體多脈沖激光測(cè)距模塊產(chǎn)品。5020和5042系列產(chǎn)品的工作距離分別為2.5km和4.5km，重量分別為120g和325g。在5000系列產(chǎn)品中，使用“光束整形器”元件來增加操作距離并減小激光發(fā)散角[1]，如圖2所示。
圖2:Beamshaper工作原理
圖3:Noptel公司系列測(cè)距模塊
圖3顯示了芬蘭Noptel公司的半導(dǎo)體多脈沖激光測(cè)距模塊系列。其典型產(chǎn)品包括LRF-200、LRF-240和LRF-500。坦克的有效射程分別為1.8km、2.5km和4.5km，重量分別為66g、200g和470g。
圖4:Jenoptik系列測(cè)距模塊
圖4顯示了業(yè)納的半導(dǎo)體多脈沖激光測(cè)距模塊系列。他們的典型產(chǎn)品包括DLEM-20、DLEM-30和DLEM-45，工作距離分別為3公里、4.5公里和6公里，重量分別為33克、95克和160克。業(yè)納自主研發(fā)半導(dǎo)體激光器，并利用自身優(yōu)勢(shì)完成了第二代產(chǎn)品升級(jí)，從而提高了性能。
鉺迪科技近10年來一直致力于眼睛安全多脈沖激光測(cè)距模塊的研發(fā)。通過這一積累，他們形成了半導(dǎo)體、鉺玻璃和光纖三大系列等多型號(hào)的眼睛安全多脈沖激光測(cè)距模塊產(chǎn)品系列。這些產(chǎn)品已安裝在艦載、機(jī)載、車載和單兵光電系統(tǒng)等各種平臺(tái)上，累計(jì)產(chǎn)量近100000多臺(tái)，得到了客戶的積極反饋。
1.1535nm鉺玻璃多脈沖激光測(cè)距模塊
型號(hào) | LRF0105C | LRF0308C | LRF0405C | LRF0612C | LRF0816C | LRF0815C | LRF1017C | LRF1221C | LRF1525C | LRF1830C | LRF2535C |
激光波長(zhǎng) | 1535±5nm | ||||||||||
測(cè)距能力 (2.3mX2.3m 北約目標(biāo)) | ≥3000m | ≥3000m | ≥4000m | ≥6000m | ≥8000m | ≥8000m | ≥10000m | ≥12000m | ≥15000m | ≥18000m | ≥25000m |
擴(kuò)散角 | Class Ⅰ | ||||||||||
人眼安全等級(jí) | ≤1mrad | ≤0.6 mrad | ≤4.21 mrad | ≤0.35 mrad | ≤0.3mrad | ||||||
發(fā)射鏡直徑 | Φ8 mm | Φ8 mm | Φ12mm | Φ12mm | Φ15mm | Φ15mm | Φ18mm | ||||
接收鏡直徑 | Φ20 mm | Φ16 mm | Φ25mm | Φ40mm | Φ45mm | Φ50mm | Φ60mm | ||||
最小R范圍 | ≤15 m | ≤30 m | 50 m | ||||||||
測(cè)距頻率 | Single, 1Hz~10Hz | ||||||||||
測(cè)距精度 | ±2 m | ±1 m | ±1 m | ||||||||
分辨率 | ≤20 m | ≤30 m | ≤30 m | ||||||||
測(cè)距準(zhǔn)確率 | ≥98% | ≥98% | ≥98% | ||||||||
誤差率 | ≤1% | ≤1% | ≤1% | ||||||||
供電電壓 | DC 3~5 V | DC4.5~16V | DC12 V | ||||||||
重量 | ≤29±1 g | ≤32±1 g | ≤ 58±1g | ≤175g | ≤285g | ≤380g | ≤380g | 400g | |||
尺寸 （mm) | Φ34×47.5 | 48×30.5×21 | 65×48×32 | 65×46×86 | 107×72×60 | 125×85×58 | 125×100×70 | ||||
工作溫度 | -40～+70 ℃ | ||||||||||
儲(chǔ)存溫度 | -55～+75 ℃ | ||||||||||
2. 905nm 半導(dǎo)體多脈沖激光測(cè)距模塊
型號(hào) | LRF1200A1 | LRF1200A | LRF2000A | LRF4000A |
激光波長(zhǎng) | 905nm | |||
人眼安全等級(jí) | Class 3R（IEC 60825-1） | |||
發(fā)散角 | ≤10mrad | ≤20mrad | ≤5mrad | |
測(cè)量范圍（3m x 3m 目標(biāo)) | ≥10~1200m | ≥5~1200m | ≥5~2000m | ≥5~4000m |
測(cè)量精度 | :±1m | |||
顯示的準(zhǔn)確性 | 0.1m | |||
頻率 | 1~3Hz | 3Hz（5~45m）；0.75~3Hz（45~1200m） | 3Hz（5~45m）；0.75~3Hz（45~2000m） | 1Hz |
精準(zhǔn)測(cè)量概率 | ≥98% | |||
反應(yīng)時(shí)間 | ≤500ms | |||
數(shù)據(jù)接口 | UART（TTL_3.3V） | |||
電源電壓 | 3.3+/-0.1V | |||
待機(jī)功耗 | ≤800mW | |||
運(yùn)行功耗 | ≤1.5W | |||
重量 | ≤18g | ≤10g | ≤10g | ≤27g |
尺寸 | Ф23mm×40mm | 25×26×13mm | 25×26×13mm | 60.56×33.1×46.86mm |
工作溫度 | -20~＋55℃ | |||
儲(chǔ)存溫度 | -55~＋65℃ | |||
耐沖擊力 | 1200g，1ms | |||
抗震 | 800g/ms (光軸方向10次/秒) | |||
除上述標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品外，鉺迪科技還承接定制激光測(cè)距模塊服務(wù)。
IV、 多脈沖激光測(cè)距技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
多脈沖激光測(cè)距模塊因其體積小、重量輕、工作距離長(zhǎng)而廣泛應(yīng)用于便攜式光電設(shè)備中，成為激光測(cè)距技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。近年來，多脈沖激光測(cè)距技術(shù)呈現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢(shì)：
工作波長(zhǎng)已從905nm逐漸升級(jí)到1550nm。
早期的軍用激光測(cè)距模塊和目前大規(guī)模生產(chǎn)的民用高爾夫球場(chǎng)激光測(cè)距儀都使用905nm激光器作為光源。由于其高產(chǎn)量，它們相對(duì)便宜。與905nm激光器相比，1550nm激光器具有以下優(yōu)點(diǎn)：①人眼對(duì)1550nm激光的最大允許曝光（MPE）更高，使1550nm激光比相同能量和功率的905nm激光對(duì)人眼更安全；②1550nm激光的大氣衰減系數(shù)較低，導(dǎo)致與905nm激光相比，具有相同峰值功率的1550nm激光具有更長(zhǎng)的工作距離；③1550nm激光在當(dāng)前夜視系統(tǒng)的響應(yīng)帶之外，提供了更好的隱蔽性。因此，1550nm激光測(cè)距模塊是未來的發(fā)展趨勢(shì)。
多脈沖激光測(cè)距模塊的尺寸和重量正在不斷減小。
多脈沖激光測(cè)距模塊集成在便攜式光電設(shè)備中，如瞄準(zhǔn)器和槍瞄準(zhǔn)器。減小尺寸、重量和功耗（SWaP）是一個(gè)持續(xù)的主題。Vectronix、業(yè)納和Noptel等外國(guó)制造商相繼推出了微型激光測(cè)距模塊產(chǎn)品，重量減輕到約25克。
新的多脈沖激光測(cè)距模塊系統(tǒng)繼續(xù)提高工作距離。Vectronix的光纖激光測(cè)距模塊和Flir的鉺玻璃激光測(cè)距模塊的工作距離可達(dá)15km至20km，重量約為100g，代表了小型激光測(cè)距模塊技術(shù)的先進(jìn)水平。我們的鉺迪科技已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全球最輕（10g）和最小的短距離激光測(cè)距模塊。
