APD面阵激光雷达的照明方式和作用距离方程

APD 面阵激光雷达的激光照射方式可以分为泛光照射和分束照射两种方式。面阵激光雷达没有扫描装置，一次就能探测一个a×a m2的方形区域，这就要求发射的激光照明大于a×a m2的区间或者需照明探测区间的a2个点。如果利用脉冲激光光源来照明整个目标，就必须要求激光脉冲具有很大的能量。然而，若只是照明目标的a2个点，所需的激光脉冲能量就小很多。下面对比这两种照射方式。

(1)利用激光脉冲照明整个探测目标，即为泛光照射方式。由于是单束激光照明整个探测面，它的发射光学系统设计除了发射角较大外，其他与单点扫描激光雷达类似。传统单点扫描发射光学系统的设计相应比较成熟，这使得对发射光学系统的要求不高。但是这种照射方式的发射激光需要一次照明探测目标的区域，这样就要求很大的激光脉冲能量。常用的半导体激光器满足不了要求，需要将多个半导体激光器串并组合成激光阵列形式的高功率激光器，或者采用体积大价格、昂贵的固体激光器和光纤激光器作为光源(姜俊英，2012)。

(2)利用激光器照明目标上a2个点，即为分束照射方式。由于照明的只是a2个点，所需的激光能量相比照明整个面少很多，这样对激光器功率要求显著降低。但是常用的光学系统难以满足条件，需要达曼光栅或者二维微透镜阵列分光。我们通过调研一些科研部门，知道要研制出这类实用的光学系统相当困难，如果设计不当会导致光能利用率更低。

通过对比这两种照射方式的优缺点，在进行近距离的面阵激光雷达研究中，泛光照明的方式更适合采用。下面以泛光照明的方式为例，说明激光作用距离方程。

对于泛光照明方式，接收端面阵探测器上每一个单元对应的探测目标尺寸显然小于激光照射目标的面积，此时，激光雷达发射的激光只有一小部分被目标截获，即At＜As。此时At和As可以分别表示为：

式中，θt为每个像素(APD 单元或者光纤阵列单元)的光学接收视场角；θs为激光束散角。(www.xing528.com)

由式(2-36)和式(2-37)，并用接收系统每个单元最小可探测功率P min代替式(2-35)中的Pr，即可得到泛光照明方式下面阵激光雷达最大探测距离公式：

由式(2-38)可以看出：激光雷达的最大探测距离与外部条件关系密切，如果大气透过率越高，反射率越大，则激光雷达的最大探测距离将会提高。在实际作用距离的估算中，我们可采用以下经验公式来确定大气衰减系数(王海先，2007)：

式中，V 为大气能见度(王海先，2007)。例如，若能见度按照比较低的水平5km 计算，根据式(2-39)，我们获得大气衰减系数为0.54；按照20m 内的近距离探测，由式(2-34)可得激光往返飞行的大气透射率在0.979 以内。为此在实验室测试时的大气透射率可取1，则室内近距离面阵激光雷达泛光照明方式的最大测程公式可化为：

根据式(2-40)，可知面阵激光雷达若需获得最大的探测距离，在设计过程中要尽量增大激光源的脉冲功率；如果要提高光学系统的效率和接收面积，在满足探测视场的条件下，我们应该尽可能的压缩光束的发射角，提高光电探测系统的接收灵敏度。因此，我们能得出这样的结论：选择输出脉冲功率高的激光发射模块和接收灵敏度高的光电探测器，并设计高效率的光学系统和高接收性能的探测处理电路，对面阵激光雷达作用距离的提高至关重要。