APD的光敏面，接收电路将接收到的光信号进行转

换、放大、整形后输出至计时部分，使计时电容停止

充电，这时电容的电压值与充电时间对应，同时

APD附近的温度传感器感应出APD工作环境温度

的变化，并将温度信号送至MCU控制电路，由MCU

控制直流可调电源输出合适的APD偏压。单片机

控制采样电路读取计时电容的电压值，并根据预先

的标定将电压值转换成距离值送至上位机或显示系

统。

测距仪系统参数的选定：考虑到高速公路的路

况和实际使用情况，确定测距仪的量程为6～150m，

测距精度为±1m；激光器功率的选择要求满足对

150m距离处的小目标测距时，回波信号的强度达到

接收电路的所需的信噪比，波长选择则要求在可见

光范围之外，故选定激光器的输出功率为20W，波

长为905nm；考虑到高速公路上测距仪的误报警会

可能会产生严重后果，要求虚警率低于10

-4

，探测

概率高于99%；测距仪的结构体积以简单小巧、便

于汽车安装为佳；另外还要求测距仪成本低、工作稳

定、性价比高等。

3光学系统设计

测距仪光学系统包括发射光学系统和接收光学

系统。半导体激光器发光面和发散角较大，且发散

角不对称（如PGEW2S09的发光面为225×120µm、

发散角θ

‖

=10º，θ

⊥

=30º），因此要同时达到小的

发散角和细的光束半径，两者相互矛盾

［2］

，设计难

度比较大。目前常用的半导体激光整形准直的方法

有：单透镜法、组合透镜法、渐变折射率透镜法、液体

透镜、反射法、衍射法等

［2］

。其中长焦距大孔径单

透镜法具有结构简单、成本低、容易实现等特点，但

采用这种方法的准直系统的尺寸比较大，准直后光

斑也较大，因车用激光测距仪对出射光斑大小没有

严格限制，故采用此方法设计发射光学系统。接收

光学系统主要应满足以下的要求：足够大的光放大

倍数，合适的视场角，消除杂散光的影响，此外还要

求结构简单和成本低。这里采用双胶合透镜作为接

收透镜，用窄带滤光片和光阑抑制背景光与杂散光

干扰。

光学系统的结构框图如图2所示。发射光学透

镜通光口径和焦距的选取主要是根据所用LD发散

角的大小、测距仪的体积结构和需达到的发散角的

大小决定。接收光学系统的通光孔径、视场角是选

择胶合透镜的主要依据。若发射光学系统和接收光

学系统的等效焦距为60mm，发射光学系统的出射

通光口径为 24mm，接收光学系统的入射通光口径

为40mm，LD 的发光面为225 × 125µm，APD 的光敏

面为0. 5mm，则经准直后光束的理想发散角为：

（225 / 60）×（125 / 60）= 3. 75 × 2mrad，理想接收视

场角为：500 / 60≈8. 3mrad，可以满足车用测距仪的

实际使用要求。

图2 光学系统结构图

4 发射驱动电路的设计

发射驱动电路用来驱动半导体激光器发光。要

求发射光脉冲的脉宽窄，上升沿快，脉冲频率可调。

压缩发射激光脉冲的脉宽和上升沿时间可提高测距

仪的测量精度。

图3 激光发射驱动电路

图3 为激光发射驱动电路。其中，U1 和 U2 为

高速MOSFET 驱动器，用来提升输入激光发射启动

脉冲V

tr

的驱动能力；U3 为高速高功率MOSFET 管，

用作纳秒开关。当激光发射启动脉冲没有到来时，

U3 处于关断状态，输入高压源 HV 通过 C4、R8 和

D3 回路对电容C4 快速充电；当激光发射启动脉冲

到来时，经 U1 和 U2 提升驱动能力后，驱动纳秒开

关管U3 快速打开，电容 C4 上的电荷通过地、LD、

R8、C4 和U3 回路高速放电，形成高峰值窄脉宽的

3 3 6 激 光 与 红 外 No. 8 2006孙春生 秦石乔 王省书等 车用防撞LD 测距仪的设计

电流脉冲，驱动LD 发出窄脉冲光，电流峰值的大小

由HV、C4 和放电回路的参数决定；U2 另一输出端

输出的脉冲信号经电阻分压后送时间- 距离转换电

路。合理地设置 C4 的值和充放回路的参数，可以

获得理想的激光脉冲。改变启动脉冲 Vtr 的重频可

相应地改变测距机的发光频率。本测距仪选用的输

入高压为195V，C4 为1nF，获得了上升沿8ns、脉宽

20ns 的光脉冲，对应的电流脉冲的峰值为30A。

5 接收放大电路的设计

接收放大电路包括光电转换电路和放大电路，

光电探测器采用雪崩光电二极管（APD），如图4 所

示。V

为输入的经温度补偿后的可调直流电压，电

容C1、C2 和电阻 Rc 组成 π 滤波器

［3 - 4］

，电容 C3、

电阻Rf 和运放Av 组成脉冲信号放大读出电路，R1

为APD 偏压电路的直流负载电阻。

光电转换电路即 APD 偏压电路，目前 APD 偏

压电路控制方式有恒流偏置、温度补偿和恒虚警控

制等几种方式。其中恒流偏置方式只适用于恒背景

光或无背景光条件下的APD 偏压控制；温度补偿方

式

［5］

耐背景光能力差；恒虚警控制方式

［6］

能较好的

保持最佳倍增因子，但此方法的实现电路较复杂，相

应的电路成本也较高。这里采用了一种便捷的、低

成本的APD 偏压电路设计方案：在 APD 温度补偿

的基础上，优化选取 APD 偏压电路的串行电阻 R

，

在一定的背景光变化范围内实现对 APD 探测电路

的背景光补偿。

图4 接收放大电路示意图

放大电路设计的主要指标是放大倍数、通频带

和噪声系数等，其中前置放大器的性能直接决定着

整个放大电路的性能，因此是放大电路设计的核心

部分。从成本低、结构简单和性能满足要求的角度

出发，放大电路采用固定增益的两级放大电路，且核

心器件为高频三极管。一定的条件下，在量程为6

～150m 的测距范围内，近距离时信号是饱和的，远

距离时信号则没有失真；而背景噪声的大小基本是

不变的，因此必须取合适的放大倍数和时刻鉴别电

路的阈值以保证测距仪满足低虚警率与高探测概率

的要求。这里的放大电路设计为，对输入电流信号

等效电阻为一个500kΩ 左右的电阻。放大电路的

通频带宽取决于探测的光信号的脉冲特性，即光信

号的频谱，3dB 带宽设计为35M。合理地设置放大

电路中三极管静态工作点和外围电阻参数，可获得

需要的电路带宽，也能改善跨阻的噪声性能

［7 - 8］

。

6 软件信号识别与处理

测距仪在实际使用过程中，难免因外部杂散光

和电路内部噪声而造成虚警。通过 MCU 的程序可

以对信号进行识别，进而滤除噪声，降低实际使用中

的虚警，提高测距仪的量程。

信号、噪声的识别是根据噪声脉冲在时间上的

随机性，而信号脉冲在时间上是有规律并前后关联

的原理剔除噪声的。在实际使用过程中，对同一目

标连续N 次测量的有效数据是相关联的，不会过于

离散。此信号识别与处理的具体方法是：连续测 N

次（如10 次）给出一次距离信息，单片机获取 N 个

距离值之后，去掉最大值和最小值后对剩下的N - 2

个距离数据取均值µ 和方差D；然后将D 与给定阈

值D

做比较，若D 大于 D

，则表明数据过于离散，

认为无效而丢掉，进行下一组测距和数据处理；若D

小于D

，则继续对这一组数据进行处理，取这 N - 2

个数据的均方差并乘上系数 k 得到加权均方差 σ，

然后取（µ - σ，µ + σ）作为置信度为 1 的置信区

间，对N 次试验数据进行筛选，落在置信区间内的

数据认为是有效数据，否则认为是无效数据而剔除

掉；对经过筛选后所剩的N'次数据取均值即得到所

需的距离值。参数 N 的选择，根据激光脉冲频率、

MCU 的处理速度及所需距离值的允许延时量决定，

N 过大，则MCU 处理时间和给出距离值的延时时间

会加长，一般取10 次即可；参数D

的选择主要由实

际使用情况下测距仪与目标的最大相对速度、激光

脉冲频率决定，D

越小，对测试数据的筛选能力越

强；参数k 的选取主要由所需的数据筛选能力决定，

其取值范围为0 ～1，k 越小，剔除干扰信号的能力越

强，但过小会剔除掉有效信号，一般取0. 8 左右。增

加数据处理时的数据筛选次数，可进一步降低虚警，

提高量程，但会加大给出距离值的延时量，一般数据

的筛选次数取1 ～2 次。

（下转第643 页）

4 3 6 激 光 与 红 外第36 卷

量输出也相对减弱，光栅 G

、G

有效工作面积没

变，所选两支线的能量也基本保持不变，峰值间的时

间间隔减少变为500ns 和600ns （图3b、c）；当光栅

高度下降一部分时，光栅G

有效工作面积减小，

有效工作面积增大，而 G

保持不变，结果 G

支

线能量减小，G

支线能量增大，G

能量基本不变，

三最高峰间的时间间隔又变为 750ns 和 500ns （图

3b、d）。各支线能量与其有效工作面积成正比关

系，其他条件一定时，可以根据需要适当调整三光栅

位置改变各支线能量比。

3. 4 放电电压对输出特性的影响

（a）工作电压为25kV 时

激光器的输出波形

（b）工作电压为27kV 时

激光器的输出波形

图4 工作电压对输出能量的影响

通过试验，我们发现工作电压对输出的总能量

和各支线能量均有影响，由图4 可知，随工作电压的

增加总能量和各支线能量都变大。工作电压存在—

个有效范围，电压太低或太高容易产生弧光，不利激

光输出，经试验，工作电压在25 ～ 36kV 间时能有较

好激光输出。因此，在其他条件一定时，我们同样可

以通过调整工作电压来调节总能量和各支线能量。

4 结 论

本文采用的这种新型三波长 TEA CO

激光器

波长可调谐，且调谐范围较大，各支线能量比也具有

良好的可调性，且不同的三个波长光场在空间上有

较好的重叠性，整个光路易调，输出能量时间参数再

现性好，解决了非同空间运行输出和同空间多波长

运行的谱线竞争空间不重叠问题。该激光器在分离

同位素的试验中具有很大的实用价值。

参考文献：

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子能出版社，1999.

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分离氘［J］. 激光，1981，9（3）：152 -156.

［4］ 李适民，黄维玲，等. 激光器件原理与设计［M］. 北京：

国防工业出版社，

((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((

2005. 83 -109.

（上接第634 页）

6 结 论

图5 测距仪实物图

本测距仪的设计立足于低成本和工作稳定，因

此具有成本低、性价比高、体积小和结构简单等特

点，测距仪实物图如图5 所示。由于采用了温度补

偿加串行电阻背景光补偿的APD 偏压控制方式，测

距仪的耐温度变化能力和耐背景光能力增强，能在

-20 ～70℃的温度范围内的阴霾或晴空条件下完成

对大小目标的正常测距；软件的信号识别与处理提

高了测距仪的量程，同时降低了测距仪的虚警率，在

同等虚警率的条件下，能将测距仪的量程提高10%

左右。本文设计的测距仪能较容易地达到150m 量

程和±1m 的测距精度，能够满足高速公路上汽车防

撞测距的使用要求。

参考文献：

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3 4 6

激 光 与 红 外 No. 8 2006刘效勇 李育德 卢 佩等 同空间三波长可调谐TEA CO

激光器的研究