摘要：从激光测距机的噪声构成分析入手，寻求提高脉冲LD 测距机测距能力的方法。脉冲 LD测距系统的噪声主要包括热噪声、散粒噪声、背景噪声、暗电流噪声及放大器噪声。在一定的光功率、暗电流情况下，LD 测距的测距能力更容易受背景噪声的影响。研究表明，LD 测距系统中探测器偏压的变化只补偿温度变化，由此提出，在背景光照射较强时让背景噪声参与偏压调整从而抑制背景噪声的方案。实验结果证实，强背景下的信噪比提高1 倍以上，测距能力提高1 倍。
引 言
以激光测距为基础的产业仍然是光电子行业重要产业之一，目前它的最主要应用依然是在军事方面。脉冲 LD 测距技术随着LD 技术的发展而逐渐发展并成熟起来，由于它在低于人眼安全极限的激光辐照功率下(一级激光安全)仍能保持相当的测距能力(1Km 以上)，并能在一定范围内保证相当的测距精度(厘米级)[1~2]，所以也逐渐被应用到民用领域中来。
LD 辐射的功率很低，其输出信号的幅度十分有限的。LD 测距一般是从噪声中通过适当的处理提取信号。信噪比(Signal-Noise Ratio, SNR)一直是影响 LD 测距测程的最主要因素。在发射接收口径、发射功率及接收器一定的情况下，其信号的幅度是一定的;在确保信号幅度不变的情况下，如何降低探测器的输出噪声，提高系统的信噪比，成为增大测距机测程的最关键技术之一。
1 LD 测距系统的噪声构成及对系统的影响
光电系统的噪声主要由两部分组成[3]：一是来自系统外部，由外部的电、磁、机械、杂散光(含背景光)等因素引起的。这部分噪声，除背景光外，都可通过适当的措施来消除;二是来自系统内部，主要由系统的材料、器件或固有物理过程的自然扰动引起的。这里把背景噪声与系统内部噪声放在一起来讨论，且不考虑噪声的相关性。脉冲LD 测距机目前多采用直接探测技术，探测系统的噪声主要由如下几种构成，分别是热噪声、散粒噪声、背景噪声、暗电流噪声及放大器噪声。该类测距机的测距能力与信噪比密切相关，表达式为[4]
式中ρ 为探测器的响应度，M 为探测器倍增因子，PP为探测器接收到的光功率，e 为电子电量，B 为系统噪声等效带宽，Pdc为探测器接收到的背景光功率，Id为探测器的暗电流，na为放大器等效输入噪声，x 为探测器附加噪声指数。式(1)中，分母中第一项为散粒噪声，第二项为背景噪声，第三项为暗电流噪声，第四项为与放大器及热噪声有关的噪声。从(1)式可以看出，分母中的第一、第二项与光电有关，第三项与温度有关。另外，SNR 的分子项(信号)随 M 的2 次方增加，同时分母项(噪声)随M 的(x+2)次方增加;所以，应该存在一个使SNR 最大的M，
从(2)式可看出，最佳倍增因子Mopt除与探测器本身的性能na(含探测器的面漏电流和放大器的等效热噪声电流)及x, ρ, Id有关外，还与发射光功率(或接收到的光功率 Pp)、背景光功率 Pdc以及放大器的带宽 B 有关;特别是背景光，对 LD 测距系统的信噪比有很大的影响，这一点与传统的固体激光测距有很大的不同。这主要是由如下几个因素造成的。首先，如果采用合适的谐振腔结构，固体激光的光谱特性相对 LD 而言，其温度性能要稳定一些。一般来讲，在整个温度范围内，脉冲 LD 的光谱要宽得多。这样，固体激光更有利于光学滤波来抑制背景噪声;其次，固体激光测距相对 LD 测距而言，其测距精度要求要低一些，有利于压缩放大器的带宽而抑制噪声;再者，固体激光测距相对 LD 测距而言，属于大信号测距的范畴，其对噪声抑制的要求要低一些。把(2)式通过适当处理代入(1)式，可得到在一定情况下的最大探测灵敏度。另外，倍增因子可以表示为
式中u 为APD 的外加电压(探测器偏压)，uB为APD 的击穿电压，r 为由材料和电场分布决定的系数。由(3)式可以看出，通过适当调整 APD上的偏压，即可获得Mopt，从而获得在当时情况下的最大SNR。在传统的固体激光测距系统中，一般是检测过阈的雪崩噪声的数量来确定雪崩管的偏压，即恒虚警率的方式确定偏压。由于雪崩噪声的幅度较大，故虚警阈值线一般较高，背景噪声难以过阈。这种方式有利于补偿由于温度的变化引起的雪崩管灵敏度的变化，使雪崩管始终工作在最佳状态。而在脉冲LD 测距系统中，由于工作阈值线较低，在较强的背景噪声情况下，背景噪声很容易过阈，这样反而降低了系统的SNR。
由此可见，最佳倍增因子不完全由雪崩噪声确定，这一点与传统的固体激光测距的要求不一样，仅仅靠雪崩噪声并借助恒虚警率来调整偏压(倍增因子)只考虑了偏压随温度变化的情况，并不能达到最佳的倍增要求。在一定的 Pp, Id情况下，LD 测距的测程更容易受背景噪声的影响。这就是脉冲LD 测距系统测距能力极容易受背景光影响的主要原因。要减少这种影响的办法之一是依据(3)式的要求让背景噪声也参与偏压的调整，因此应适当降低偏压调整阈值线，并确定合适的虚警率。
2 系统设计及构成
为了验证在取得最大信号幅度的情况下，噪声幅度随偏压、背景光强等参数的关系，我们设计了一套LD 的发射、接收系统，如图1 所示。发射系统包含供电电源系统和激光驱动系统以及如图1 所示的光机系统;接收系统包含接收供电电源系统和放大器以及如图1 所示的接收光机系统。放大器采用两级放大的低噪声放大电路，并用雪崩管作探测元件。
3 系统试验
3.1 背景噪声对系统测距能力的影响
表1 示出了在一定偏压、不同背景情况下的噪声幅度、信噪比及测距能力情况，结果表明，在LD 测距系统中，背景噪声对系统测距性能的影响非常大，这种影响最突出的表现就是测距能力不稳定。由表1 可以看出，从弱背景到较强背景再到强背景，信噪比从33 下降到12，测距能力从1500m 下降到 600m。由此可见，背景光对LD 测距系统中 SNR 及系统测距能力的影响是非常严重的，这种影响主要是系统的信噪比被降低造成的。出现这种情况的主要原因是背景状况变化了而偏压没有及时调整，从而导致偏压不合适。确定合适的偏压，抑制背景噪声，提高系统的信噪比，成为提高系统测距性能的重要途径之一。
3.2 背景噪声参与偏压调整的试验结果
与传统的固体激光测距相比，在LD 测距系统中，背景噪声参与偏压调整是通过适当降低偏压调整阈值线，以保证部分强背景参与偏压调整，并采用恒虚警率的方法实现的。实现过程如图2。通过这一处理，尽管在强背景情况下系统探测灵敏度有所降低，但却能使系统的信噪比得以保持基本稳定，从而稳定系统的测距能力。试验证明，从弱背景到强背景，探测器偏压下降了14V，信噪比从33 下降到30，测距能力从1500m 下降到1200m，相对于处理前，整个系统测距性能的稳定性大大提高。
4 结 论
脉冲LD 测距与传统的固体激光测距相比，其测距能力极容易受背景噪声的影响，这种影响主要是由于在背景噪声较强时系统的 SNR 会下降所造成的。在传统的固体激光测距体系中，因为其测距精度、信号提取方式与半导体激光测距体制不一样，故背景噪声对其测距能力影响较小;在一定温度、一定背景情况下，存在最佳偏压，在背景光比较强的情况下，有必要让背景光参与雪崩管偏压的调整;背景噪声参与偏压调整，是以综合考虑提高 SNR 为前提。试验表明，改善脉冲 LD 测距能力的稳定性效果非常明显，在弱背景测距能力不变的情况下，强背景情况下测距能力提高一倍以上。
参考文献：
[1] 余向东, 张在宣, 郭 宁, 等. 宽测量范围的半导体激光测距仪[J]. 光电子·激光, 2001, 12(10): 1054-1057.YU Xiang-dong, ZHANG Zai-xuan, GUO Lin, et al. A wide measuring range semicondutor laser range finder[J]. Journal ofOptoelectroNIcs· Laser, 2001, 12(10): 1054-1057.
[2] 王永新, 章恩耀, 方伸彦, 等. 时幅转换技术及其在激光测距中的应用[J]. 光学技术, 2001, 12(10): 1054-1057.WANG Yong-xin, ZHANG En-yao, FANG Shen-yan, et al. The method of time –to-amplitude conversion and its application inlaser range finding system[J]. Optical Technique, 2001, 12(10): 1054-1057.
[3] 叶嘉雄, 常大定, 陈汝钧. 光电系统与信号处理[M]. 北京: 科学出版社, 1997.YE Jia-xiong, CHANG Da-ding, CHEN Ru-jun. Optoeletronic system and signal process[M]. Beijing: Science Press,1997.
[4] 董天临, 谈新权, 陈京文. 光纤通信原理和新技术[M]. 武汉: 华中理工大学出版社, 1998.DONG Tian-lin, TAN Xin-quan, CHEN Jing-wen. Fiber optic communication principles and new techniques[M]. Wuhan:Huazhong University of Science and Technology Press,1998.
作者简介：陶 林(1965-)，男(汉族)，湖北孝感人，高级工程师，硕士生，主要从事红外技术、半导体激光技术的应用研究。E-mail: zgbq238@sina.com
