摘 要
半导体激光测距机具有结构简单、体积小、重量轻、低成本、高重复频率、高效率等特点，在中、近程测距方面有明显优势，但是输出功率过低，接收系统误差过大等问题大大限制了测距的应用。所以如何提高激光测距机的性能是亟待解决的问题之一。 本文主要采用单透镜准直系统进行发散角的压缩从而达到提高发射功率的目的。针对635nm激光二极管的光源，使用ZEMAX软件模拟了透镜准直系统成像像差，选取了最佳的设计方案。针对短距离脉冲激光测距误差进行分析，采用单片机控制TDC-GP2芯片在一个测量周期内进行多次测量，然后通过单片机计算取其平均值后输出，大大提高了脉冲激光测距的精度。
关键词：激光测距；激光准直；ZEMAX；噪声；误差
第1章 引言
激光测距仪具有结构简单，高重复频率，高效率，重量轻，便携，精度高等特点，在中、近程方面有明显优势。不仅可以准确快捷的用来测量距离，计算面积和体积，而且更方便、安全、可靠。因此被广泛应用于建筑工程、测绘行业等领域。
在脉冲激光测距系统中普遍采用YAG激光器作为光源，由于其主要是以闪光灯泵浦方式注入能量，因此能量转换效率低，重复频率低等问题一直难以克服。而半导体激光测距系统是以半导体激光器作为光源，半导体激光器是以直接电能注入的形式进行工作，具有电光转换效率高和重复频率高的优点，目前受到国内外各研究机构的重视，并展开了深入的研究。取根
但是，半导体激光测距仍存在一些不足，输出能量低和系统误差大在一定程度上限制了激光测距的应用。因此，如何提高性能是半导体激光测距系统急待解决的问题，解决该问题主要有两种手段，一是提高激光输出功率，二是提高接收系统的性能，本文主要讨论的是提高发射系统的准直能力来使得输出功率更加集中以及降低系统中的误差来使得接收系统的结果更加准确。
电热手套1.1课题意义及来源
鼻渊散半导体激光测距系统的研究始于军事应用，随着该项技术的发展，它的应用领域也不断拓展[1]。例如，测绘、航运、体育运动、汽车防撞等领域。在军事上，要求测距系统应具有重量轻、体积小、可靠性高等特点，例如，步兵和炮兵侦察用的手持式激光测距仪、前沿侦察和前沿对空控制双用途的激光测距仪、狙击手步上的瞄准仪等，都利用半导体激光器构成的激光测距系统。正是由于半导体激光测距机具有结构简单、体积小、重量轻、低成本、高效率等特点，使其在中、近程测距方面有明显优势，从而在提高防空、海上作战，中近程精确打击及陆上武器攻击的命中精度方面起关键作用，因
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此半导体激光测距机具有迫切的军事需求和广阔的应用前景。
激光测距中探测器接收到的能量包括目标反射经大气衰减的激光回波能量，还包括来自地球表面、天空、天体的背景辐射，有时还包括海洋的辐射。当研究目标和背景的辐射以何
种形式传送到探测器时，就必然涉及大气中辐射传输问题。
大气对光波辐射的散射作用，主要由大气中的气溶胶(如烟和雾)使光波辐射
能量沿传输路径重新分配到其他方向上，使光波传输方向发生偏离。但是，即使在天气晴朗的气象条件下，光波辐射的强度及传输方向也会出现波动，此波动是由人气分子、气溶胶粒子和空气湍流的不均匀性引起的。即使像激光测距机这样经过多年发展的技术，在工程化的时候还有很多问题需要解决。如果这些问题不加以解决，将会给批量的生产制造带来很多困难，同时生产成本将会增加，对激光测距机的推广带来一定的不利影响。
本课题来源于半导体激光测距系统。窄脉冲激光发射准直系统作为测距机整体的一个子系统，是半导体激光测距机的重要组成部分，不论从提高系统的稳定性和效率，还是从实现系统的工业生产小型化来讲，发射准直的设计都是关键。因此，对半导体激光测距系统的发射准直部分进行设计是十分有意义的。
1.2 激光测距的发展历程
20世纪40年代，由于电磁理论及技术的发展，同时由于战争的迫切需要，英国首先研制出
了雷达。它的出现是测距技术的一项历史性突破。它使人们首次实现在一个固定点上迅速测定不同方向上各种目标的瞬时距离，在对德国的战斗中起到了关键作用。但它也有一定的缺点，所发射的电磁波波长相对较长、早期雷达波束较宽、空间分辨率较低，仅仅适用于对单调背景目标的探测，而且有着易受干扰和攻击的严重缺点。
20世纪60年代出现的激光技术极大地推动了科学、技术、经济以及社会的发展。激光因其良好的方向性、单性、高亮度，很快被应用于测距。虽然与雷达相比只是频段的改变，但却极大地扩展了其测距能力，比如精确地测量了从地球到月球的距离。激光测距有以下几个方面的优点：测距精度高，可达米级甚至更高；激光束发散角小，方向性强；抗电磁干扰能力强，能够适应战场条件下非常复杂的电磁环境；对微波雷达隐身的目标，通常无法同时对激光隐身，相对隐身目标测距得到改善。
自20世纪60年代第一台激光测距机问世以来，激光测距技术发展迅速。到现在为止，激光测距机已经发展到了第三代：第一代为以红宝石为工作物质的激光测距机；第二代为以Nd:YAG为工作物质的激光测距机；第三代
为对人眼安全的激光测距机。
无底鞋第一代激光测距机问世于20世纪60年代初，激光器工作物质为红宝石，工作波长为0.69μm。1961年初，休斯飞机公司的Malibu和Culver城的两个团体，
分别制造了最初的主动激光测距系统，并使之投入运行[2]。由于发射出的是红光，极易暴露目标，加上系统效率低、体积大、耗电多等缺点，很快便被Nd:YAG激光测距机取代。
第二代激光测距机以Nd:YAG为工作物质，用硅光电二极管或雪崩光电二极管作探测器.工作波长为1.06μm，是一种近红外光，对人眼不可见，相对于红宝石激光而言保密性要好。由于其具备隐蔽性好、效率高、轻便、耗电少等优点研制进展迅速，以Nd:YAG为工作物质的第二代激光测距机己经完全成熟并大量装备到坦克、装甲车、高炮、飞机、潜艇等武器系统[3]。Nd:YAG激光测距机的主要缺点有以下几个方面：
(1) 对人的眼睛损伤较大。研究表明1.064μm波段对人眼阐值较低，较强的激光辐射会对人眼造成严重的损坏，因而给训练和试验带来了很大的困难。美国、德国等国家都对这类测
距机进行了限制。
(2) 全天候测距能力差。Nd:YAG激光测距机产生的激光波长位于近红外线大气窗口的波长域内，因此其在大气中的传播能力低，易受环境干扰。在有尘雾、阴霆等气象条件下或战场烟尘的环境中，不仅测距的精度和质量不能保证，甚至根本无法正常工作。也就是说受工作环境的影响很大，不适应全天候工作。
(3) 兼容性差。以我国新型主战坦克WZ123车为例，该车己装备了热成像仪。其工作波长在3~5μm(中红外线)波长域为8~14μm（远红外线），是红外线的两个大气窗口。由于热成像仪的工作波段是8~12μm，故1.06μm的Nd:YAG激光测距机与其兼容性差。由于它们工作在不同的波段，穿透能力不相同，所以不仅不能实现部件和元件的共用，而且用热像仪能观察到的目标，不一定能用Nd:YAG激光测距机测到它的距离。
第三代激光测距机为人眼安全的激光测距机，西方称为ESLRF。CO2激光测距机和1.5Xμm激光测距机是目前研究较多的对人眼安全的激光测距机。
CO2脉冲激光测距机是20世纪80年代主要针对1.06μm的Nd:YAG激光测距仪的缺点而发展
起来的新一代对人眼安全的激光测距机。其主要优点有：(1)穿透能力强。CO2激光测距机的工作波长是10.6μm，该波长正好位于8~14μm的远红外线大气窗口，故其大气传输性能好，透过大气雾、霆和尘埃以及战场烟雾的能力强，受工作环境的影响小；(2)对人眼安全。人眼对CO2激光器的10.6μm波长的透过率很低，不易损伤视网膜，因而不容易使受到照射的人眼损伤或致盲，在训练与演习中比较安全；(3)与现有
的工作波长为8~14μm的热像仪兼容性好。此外，CO2激光器还有能量转换效率高，可采用高灵敏度的外差探测技术，在9~11μm
波段内可发射多条谱线。目前，世界上很多作战技性能先进的主战坦克，己装备了CO2激光测距机。如美国的M1A1, M1A2，韩国的88式，英国的“挑战者2”等。CO2激光测距机的良好性能在海湾战争中得到了充分的验证。
CO2激光测距机同样存在制约其发展的若干因素，主要包括：
(1) 10.6μm的CO2激光波长极易被水分子吸收衰减，在大气中含水蒸汽密度大的条件下，限制了它的最大测距能力，特别是雨天和目标被冰雪覆盖时，目标呈现多镜面对称反射，对CO2激光测距不利；
(2) CO2激光波长(10.6μm)的反射率较低，对战术目标的反射系数低于1.06μm等激光波长；
(3) 探测CO2激光需用制冷的HgCdTe器件，这些器件都要在低温下工作，并需要特别设计的前置放大器，以克服噪声影响。
1.5Xμm波段波长激光由于具有对人眼最安全，大气穿透能力强，目标反射系数高，并且对应于室温下工作、不需要制冷的Ge或InGaAs探测器的探测灵敏区等优点而在人眼安全激光测距机中获得了广泛的应用。产生1.5Xμm波段激光主要有以下三个途径：
(1) 直接输出1.5Xμm波段波长的固体激光器。比较成熟的是Er：玻璃激光器，这也是1.5μm波段测距常用的激光器。Er：玻璃激光器采用掺入Er3+离子玻璃激光棒，并用闪光灯泵浦，产生1.54μm激光。其主要优点是:1.54μm波长的激光对人眼的安全性最高;可以使
用普通光学材料的透镜、棱镜、窗口、分束镜等，因而器件结构紧凑、体积小、成本低，适用于地面目标测距。Er：、玻璃激光测距机经过多年研究实践，现己研制出多种手持或车载用的测距机，比如美国的LB-7，法国的HH-7。它的缺点是:闭值高，输出能量低，寿命短;Er：玻璃材料制作困难;并且受基质玻璃材料低导热系数的限制，激光器重复工作频率低，不适合高重复频率的应用(如对空防御等);目前还没有适用的被动染料Q开关。
(2) 喇曼频移Nd:YAG激光器。喇曼频移Nd:YAG激光器是在Nd:YAG激光器中放入高压甲烷气体盒(或氖气体等其他喇曼介质)，通过受激喇曼散射，把1.06μm的激光波长频移到1.54μm。主要优点有:可利用现有的Nd:YAG激光器，被动染料Q开关Nd:YAG与光学元件;输出的喇曼频移激光脉冲的宽度比Nd:YAG激光脉冲窄，因而具有较好的光束质量，可在较高的重复频率下工作。主要缺点是:伴随着受激喇曼散射会产生其他的非线性效应，降低喇曼转换效率:要考虑高压喇曼气体介质的泄漏问题和喇曼盒在聚焦光学系统中光学器件的损坏问题;在Nd:YAG激光器的谐振腔中要增加喇曼盒、
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