一种利用混沌光测距系统的激光测距系统
赵彤，王冰洁，王安邦，王云才（ 中国太原理工大学物理与光电学院光电工程研究所，太原030024）
摘要：设计并提出一种利用混沌激光作为探测光源的新型激光测距系统。该系统由五部分组成：混沌光源、发射单元、接收单元、数据采集单元和数据处理单元。由单模激光二极管产生808nm，500 mW混沌光。通过检测相关的混沌参考光和反射或散射光线来对单目标和多目标进行检测。该系统的测量范围在130米范围内，分辨率为18cm，灵敏度为20dB。
关键词：激光测距，混沌激光，光反馈，激光二极管
激光测距技术在军用和民用领域都有广泛的应用[1-4]。在传统的激光测距装置中，光源通常是一个短脉冲激光或调制控制连续激光波。对于短脉冲的技术方法，测量距离是通过间接测量从发射到接收的测量光脉冲的时间间隔得到，也称为时间测距的方法。空间分辨率由于脉冲宽度和接收机的带宽的限制[5]通常在一定的范围内。长距离测量（例如，月球或行星测距[6]）可以通过使用高功率短脉冲激光实现。然而，这种技术显而易见是有一些缺点的，如价格高，规模大，操作不便。
与之相比较，在许多领域开发中调制连续波技术利用外部调制器调制连续激光相位。反射或散射光的相位与反射光的相位的比值是与发射机和目标的距离成正比的。分辨率由调制波形的带宽决定[5]。除此之外，来自同一系统的干扰问题涉及两短脉冲和调制连续波技术。Takeuchi等人建议使用伪码调制激光雷达[7]，它可以通过每个系统的独特代码消除干扰。但由于调制速度和伪随机码速率的限制，所以要实现高的空间分辨率就需要随机码发生器。
激光二极管发射超宽带混沌光的特点是通过噪音一样的波形和一个与函数相关的微量的手段直接调制[8,9]，如，光发射[10]，光反馈[11，12]，或光电反馈[13]。使用混沌激光测量距离最早是由Myneni等人在2001年提出[14]，然后林等人提出混沌激光雷达的概念并通过设计实验证明[15]。混沌激光分为探测光及参考光，并且其范围可以通过基准光与从目标反射或后向散射的探测光的延迟时间来计算。由于混沌激光器的带宽较宽，很容易得到高的空间分辨率。此外，该技术是从激光源产生一个高度抗干扰的激光混沌信号。
在本文中，通过利用一个激光二极管与光学反馈作为光源构成一个可行的测距系统。所设计的系统能对单一的目标和的多目标进行检测。通过实验分析其空间分辨率，最大探测范围和灵敏度。
一、系统组成
如图1所示，混沌激光测距系统由五部分组成：混沌源、发射单元、接收单元、数据采集单元和数据处理。由混沌源产生的混沌光分为参考光和通过分束器（BS）的探测光。参考光由会聚透镜聚焦并由光电探测器(PD)检测。探测光通过发送单元发送到目标。反射或后向散射光由接收单元收集和另一个相同的光电探测器（PD）检测。两个被转换的电信号由数据获取单元存储。在数据处理单元，参考光与回声探测光是相关的，并且目标的位置是从互相关轨迹的峰值的位置来得到的。
图1.混沌激光测距系统的框图
利用具有外部光反馈腔的激光二极管实现混沌激光源。如图2所示，通过单模激光二极管（LD,LT-LD80500）和具有96%反射率的镀银反射镜产生808 nm，500mW的混沌激光。反射镜被放置在与单模激光二极管距离10cm处来降低系统的大小，并且其反馈强度可以通过隔膜来调节，分束器的R/T比为30:70。因此，如果反射镜全反射，不包括非球面透镜（Thorlabs A414TM-B）的损失，其最大反馈强度约为9%。输出的混沌光由非球面透镜（AL）准直，并由分束器（BS）分割成参考光和探测光。从混沌光发射的混沌激光的特性取决于可控工作参数，即所述泵电流，光学反馈强度和反馈的延迟时间。
LD:激光二极管；AL：非球面透镜；BS：分束器；M：反射镜；Pro：探测光；Ref：参考光
图2.混沌源的示意图
图3显示的是发射单元的示意图。发射单元由两部分组成：准直透镜、扩束器。系统中激光二极管的发散角为10ordm;和40ordm;，并且准直透镜混沌光源中的非球面透镜（AL），用具有650〜1050 nm的防反射涂层，0.47数值孔径，3.30 mm有效焦距的N-SF57玻璃作为准直透镜的材料。准直后的激光耦合效率为86.06%，发散角为12.8ordm;和1.93 mrad。扩束器（BE，Thorlabs公司BE10M-B）具有放大10倍的功能和650〜1050纳米的防反射镀膜，它仍然是广泛用于应用于实践中的。通过扩束器（BE）使发散角被压缩到0.48ordm;和1.25mrad。
LD:激光二极管；AL：非球面透镜；BE：扩束器
图3.发射单元安装示意图
接收单元是激光测距系统的重要部分，其性能会严重影响所有性能。图4描述了接收单元的原理设置。一个9厘米接收孔径和1.2米焦距的马克苏托夫-卡塞格林望远镜（BOSMA-beta;）被应用到我们的混沌激光测距系统中。如图4所示，反射光被望远镜收集并最终由透镜会聚到检测器的感光表面。
L：会聚透镜
图4.接收单元示意图
在我们的混沌激光测距系统，两个光电探测器（电光学技术 EOT-2030）在808 nm峰值处具有1.2 GHz的带宽和0.4 A/ W的响应。通过具有500 MHz的带宽和5 GS / s采样率的两个光电探测器检测波形参考信号和回波探测信号，将其显示并记录在数字荧光示波器（Tektronix TDS-3052）上。示波器和计算机之间的通信通过GPIB卡和数据电缆实现；互相关的数据处理通过计算机计算，实时测距在LabVIEW平台的协助下进行。
二、实验结果
在实验中，激光二极管偏置200mA，输出功率为70兆瓦（18 dBm）并且温度稳定在25℃。在我们的测距系统中混沌激光可以在9％（ - 10.4 dBm）甚至更低的反馈强度发射。实验中混沌状态的时间序列、功率谱、相图及自相关跟踪分别显示在图5的a-d中。理论上来说,可以容易地推导出混沌激光测距的空间分辨率，方法是根据相关曲线在-3分贝准则的全宽的半峰(FWHM)由来确定。如图5（d）中所示，FWHM为1.2ns时和分辨率为18cm是相同，并且峰值旁瓣电平（PSL最大相关性跟踪峰值的旁瓣的比率）是-8.49dB。
图5.信号的混沌状态
通常来说该结果是由混沌激光信号的带宽决定的，因为自相关函数和功率谱是傅立叶变换对。高分辨率确实是得益于混沌光的宽带优势。在实践中，分辨率受到单向数据采集的采样速率和带宽的限制。事实上几十厘米的分辨率足以满足实际目标的检测，并且只需要通过几百MHz检测带宽就能获得这个结果。在实验中，我们得到结果显示在图5（d）中，只需要500兆赫带宽和5 GS的采样速率就能使精度达到18 cm。因此，增加带宽和采样率可以使电气设备在性能上得到显著改善。
在测距之前，零参考位置的校准是通过计算近目标距离接收器的表面的位置，因为他们之间的距离之前已经知道了。合作目标放置在距零参考点约40,80和130米处以检测该系统用于定位目标的能力。从图6所示的互相关的轨迹线中我们可以清楚地看到三个峰值分别位于距目标39.69m,79.67m和131.70m处。并且在131米处目标峰的FWHM是18厘米。还发现，该探测光的功率及相关迹线的峰值随着所接收的光强度的降低而减小，而空间分辨率为18厘米时不会受由距离和大气影响。显然的，该系统的最大检测范围受激光器的输出功率，接收机的灵敏度和传输介质的损耗的影响。
图6.在39.69米，79.67米和131.70米每个单个目标的互相关痕迹，该图显示在l31.70米FWHM的互相关跟踪峰
此外，我们设计了一个实验来验证关于多目标的实时测距系统的测距能力。在实验装置中，将三个反射镜安装在不同的地方以反射接收单元扩展的部分探测光。我们从图7中清楚地看到三个目标分别位于距零参考点2.01米,2.58米和3.00米远。为从目标区分相关痕迹地噪声设置了一个3分贝的标准。也就是说，如果互相关迹线的峰值高于3分贝，那么目标久可视为是存在的。这样相关性跟踪的PSL必须小于3分贝，否则将成为“鬼峰”这可能会导致误判。因此在图7中，3米处的目标是为了分辨反射光的检测强度的降低。
图7.三个目标的互相关跟踪。插图显示了2m处
互相关痕迹的FWHM峰值
分析获得该系统的灵敏度的PSL和接收光强度之间的关系。在实验中，在分束器（BS）后添加一个变中性密度滤光片以测得该系统的灵敏度。峰值旁瓣电平（PSL）与所接收的信号在接近噪声并到达-3分贝时增加在-20分贝时衰减。因此，随着测距准直的改进系统的测量范围将达到公里水平。
图8. 接收到的不同光的强度的衰减的互相关
三、结论
总的来说，我们已经建立了一个新的混沌激光测距系统，利用激光二极管作为光源并且对每一个部分进行详细说明。对所设计的系统进行单一的目标和多目标检测能力进行测试。用高功率混沌激光作为光源的实验证明在130米范围内能保证空间分辨率达到至少18厘米。实验分析表明，该混沌测距系统具有高空间分辨率的优点，与距离无关，结构简单、成本低产生混沌光不再需要复杂的设备和技术，如超窄脉冲源，伪随机码的产生和调制。混沌激光测距技术也可以应用在传输线故障的定位，例如光纤或电缆。
小型激光测距系统的光学系统设计
海依娜，杨丽，马晓晖，赵新，邹永刚，候林宝，王丹
长春理工大学大功率半导体激光器国家重点实验室
摘要：便携式激光测距系统具有体积小、重量轻等优点，具有广阔的应用前景，但作为一个核心部件，半导体激光束发散角较大，光束质量差。它不能满足激光测距系统的要求，因此，有必要对光束整形进行研究。本文根据激光测距系统的要求，进行了半导体激光器的光束质量的研究，并利用ZEMAX软件系统的模拟与分析。一个905nm波长半导体激光器在快轴和慢轴的初始发散角分别为30°和15°。合成后，在快轴和慢轴的发散角分别为2°和4°，并且能量损失为约25％。
关键词：激光测距；半导体激光器；光束整形
一、引言
激光测距仪具有精度高、速度快等优点，在军用和民用领域有广泛的应用。激光测距系统目前在固体激光器中的应用越来越广泛，但固体激光具有体积大、价格昂贵、效率低等问题，所以它的成本很低。
半导体激光器具有体积小，效率高，易于集成和高速直接调制的优点[1,2]，因此，它在激光雷达、激光测距、激光制导等领域具有广阔的应用前景[3,4]。而半导体激光束具有大发散角、不规则斑形和固有的缺点，如散斑[ 5-8 ]，无法直接应用于激光测距系统。半导体激光器由于其存在的不足，大大影响了半导体激光器的测距距离和测距精度。为了适应长距离激光测距，半导体激光光束整形是研究的关键。
本文介绍了半导体激光测距系统的基本原理和基于激光测距系统的激光束整形。采用椭圆柱透镜[9-10]和半导体激光器光束整形系统的球面透镜，使激光发散角尽可能小，从而达到提高观察范围和测量精度的可能性。
二、理论基础
A.激光测距系统的工作原理
当激光测距系统工作时，首先将激光发射一束激光束的特定功率，然后激光束发射到大气传输后的目标表面，接收到反射回波，最后通过处理回波信号提取有用信息。通过测量反射和散射回波信号的时间间隔、频率变化和波束方向，得到目标的距离和方向。
B.半导体激光器光束特性
半导体激光器在垂直于平面的方向和平行于平面的两个方向是不同的，所以在快轴和慢轴上的发散角是不同的。由矩形孔的衍射原理[ 11 ]、远场光强分布的半导体激光器进行了X射线衍射效应的远场分布，沿X射线的方向是亮斑和半导体激光表面的扩展成反比。Y方向具有较小的表面尺寸，较明显的光衍射效应和宽衍射图案，所以它有较大的发散角；X方向具有较大的发光面尺寸，不明显的光的衍射效应和窄的衍射图案，所以它有一个小的发散角。因此，LD输出光束具有一定的像散椭圆高斯光束。
在准直整形系统的设计，充分利用能源，高斯光束强度的1／e2定义为发散角。假设半导体激光器的峰值和半宽的发散角是theta;FWHM lt;
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