文/Ben White，Phlux Technology公司CEO兼聯(lián)合創(chuàng)始人

激光測距儀（LRF）正成為各個領(lǐng)域中不可或缺的一種測量工具，尤其是在精確距離測量至關(guān)重要的國防應(yīng)用領(lǐng)域。激光測距儀基于飛行時間（ToF）原理工作，發(fā)射的激光脈沖被目標反射后返回傳感器。通過測量往返時間并已知光速，激光測距儀就能高精度地計算出其與目標之間的距離。

圖 1：飛行時間（ToF）激光測距儀（LRF）的功能元件圖，其中返回信號由雪崩光電二極管（APD）檢測。（圖片來源：Phlux Technology）

一個典型的激光測距儀系統(tǒng)由幾個關(guān)鍵部件組成，包括激光發(fā)射器、光學(xué)系統(tǒng)、探測器（通常是雪崩光電二極管，即APD）、定時電路以及信號處理單元（見圖 1）。

激光發(fā)射器產(chǎn)生短且高強度的光脈沖，光波長通常處于紅外光譜范圍內(nèi)。光學(xué)系統(tǒng)聚焦發(fā)射的激光束并收集反射光，然后APD探測器將入射光子轉(zhuǎn)換為電信號，該電信號由定時電路和信號處理單元進行處理，以確定距離。

激光測距儀的設(shè)計

激光測距儀設(shè)計中的主要挑戰(zhàn)之一，是需要探測范圍廣泛的返回信號強度，該信號強度從nW/cm2到kW/cm2不等，這要求探測器的動態(tài)范圍超過 110dB。之所以需要如此寬廣的動態(tài)范圍，是因為返回信號的強度會因目標距離、反射率和大氣條件等因素而顯著變化。探測電路還必須能在經(jīng)受高能脈沖事件后迅速恢復(fù)，以便探測來自附近物體的后續(xù)信號 —— 這對于可能存在多個不同距離目標的應(yīng)用場景來說，是一項非常關(guān)鍵的特性。

針對 1550nm激光器的銦鎵砷（InGaAs）APD技術(shù)的最新進展，顯著提升了激光測距儀的性能。通過將銻合金融入APD結(jié)構(gòu)中（見圖 2），研究人員正在創(chuàng)建一種具有高內(nèi)部增益和極低過剩噪聲（excess noise）的器件。

圖 2：與傳統(tǒng)APD器件（綠色）相比，在最新一代InGaAs APD（藍色）中添加了銻合金，進而提升了所有關(guān)鍵性能指標。

相比于傳統(tǒng)器件，這些先進的InGaAs APD具有幾個關(guān)鍵優(yōu)勢。首先，它們通過使用大約僅為傳統(tǒng)APD所需光子數(shù)1/3的光子，就能達到相同的信噪比（SNR），從而展現(xiàn)出更高的靈敏度。

這種增強的靈敏度直接轉(zhuǎn)化為更遠的測距能力，使得典型激光測距儀系統(tǒng)的有效測距范圍增加了高達 50%。實際上，這意味著在其他所有因素相同的情況下，配備先進InGaAs APD的激光測距儀，能夠比使用傳統(tǒng)APD的系統(tǒng)準確測量距離遠 50% 的目標。此外，性能的提升允許使用更小的接收光學(xué)元件和功率更低的激光器，從而實現(xiàn)更緊湊且更具成本效益的激光測距儀設(shè)計。這在尺寸、重量和功耗是關(guān)鍵考量因素的應(yīng)用中特別有益，例如在手持式軍用測距儀或無人機搭載的系統(tǒng)中。

為了量化這些性能提升，我們可以研究諸如噪聲等效功率（NEP）和測距性能等關(guān)鍵指標。噪聲等效功率是一個關(guān)鍵參數(shù)，它決定了最小可探測的信號，從本質(zhì)上定義了探測器的靈敏度極限。將先進的InGaAs APD集成到典型的激光測距儀系統(tǒng)中，InGaAs APD相比于傳統(tǒng)APD器件展現(xiàn)出顯著更低的噪聲等效功率。這種更低的噪聲等效功率直接轉(zhuǎn)化為更好的系統(tǒng)性能，使得系統(tǒng)能夠探測更弱的返回信號，并擴展測距儀的有效測距范圍。

在信噪比為 5:1 的參考系統(tǒng)中，這些新型InGaAs APD能夠?qū)崿F(xiàn)的測距范圍比第一代傳統(tǒng)InGaAs APD大 50%。這種測距性能的大幅提升，將有望為許多應(yīng)用領(lǐng)域帶來變革，特別是在遠程目標獲取至關(guān)重要的國防應(yīng)用場景中。

衡量激光測距儀性能的另一個關(guān)鍵參數(shù)，是APD在暴露于高強度光后的恢復(fù)時間。這個參數(shù)對于測距儀可能遇到高反射表面、或可能存在使探測器飽和的附近物體的場景尤為重要。先進的InGaAs APD具有更快的恢復(fù)時間，這使其能夠在探測到高強度光反射之后、迅速探測到來自目標的后續(xù)反射。這一特性在可能存在多個不同距離目標的場景中，或者在反射表面常見的城市環(huán)境中尤為重要。

將先進的InGaAs APD納入激光測距儀的設(shè)計中，工程師們可以從多個方面利用其帶來的性能提升（見圖 3）。

更高的靈敏度允許使用更小的接收透鏡，從而減小激光測距儀的整體尺寸和重量。這在空間和重量受限的便攜式或車載系統(tǒng)中特別有益。要達到與使用傳統(tǒng)APD的系統(tǒng)相同的性能，可以降低激光功率，這將提高功率效率和可靠性。這不僅能延長便攜式系統(tǒng)的電池壽命，還能降低熱管理要求，并進一步有助于減小尺寸和重量。

此外，增強的靈敏度還有助于減輕大氣條件、傾斜表面和不同目標反射率的影響，從而在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中實現(xiàn)更出色的性能。這對于國防應(yīng)用尤為重要，因為在國防應(yīng)用中，測距儀必須在從沙漠高溫到北極嚴寒以及沙塵、霧氣或小雨等各種不同且往往不利的條件下可靠運行。

圖 3：銻合金增強的InGaAs APD（系統(tǒng) 1）相比于傳統(tǒng)器件（系統(tǒng) 2、3 和 4），在信噪比方面有顯著提升。

InGaAs APD技術(shù)的性能優(yōu)勢

InGaAs APD技術(shù)的最新進展，為激光測距儀系統(tǒng)帶來了顯著優(yōu)勢，特別是在將尺寸、重量、功耗和性能作為關(guān)鍵考量因素的國防應(yīng)用中。通過采用這些新型APD，工程師們可以設(shè)計出更緊湊、更高效且功能更強大的激光測距儀，在測距范圍、靈敏度和可靠性等方面均超越傳統(tǒng)系統(tǒng)（見圖 4）。

圖 4：典型的激光測距儀，其因采用先進的InGaAs APD技術(shù)而在性能方面獲得大幅提升。

這些改進對國防應(yīng)用有著深遠影響。對于目標獲取系統(tǒng)而言，更遠的測距范圍和更高的靈敏度，能夠更早地探測和識別潛在威脅。在火炮系統(tǒng)中，更遠距離內(nèi)更精確的測距，可以顯著提高瞄準精度。對于偵察和監(jiān)視應(yīng)用，在具有挑戰(zhàn)性的大氣條件下有效運行的能力，能夠增強整體任務(wù)的執(zhí)行能力。此外，配備先進InGaAs APD的激光測距儀尺寸減小、功耗降低，為集成到更小的平臺（如無人機（UAV）或士兵佩戴的系統(tǒng)）中開辟了新的可能性。這可以在個人或小單位層面提供增強的態(tài)勢感知和瞄準能力，并有可能改變戰(zhàn)場上的戰(zhàn)術(shù)動態(tài)。

除了國防應(yīng)用之外，激光測距儀技術(shù)的這些進展對其他領(lǐng)域也具有潛在益處。例如，在汽車行業(yè)中，更靈敏、更緊湊的激光測距儀可以提高先進駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）和自動駕駛汽車的性能，并增強它們在各種環(huán)境條件下探測和準確測量物體距離的能力。在林業(yè)和土地管理方面，性能改進的激光測距儀即使在傳統(tǒng)方法難以施展的茂密森林中，也能提供更準確的樹高和樹冠結(jié)構(gòu)測量數(shù)據(jù)。

處于這項技術(shù)前沿的公司，正在積極開發(fā)和商業(yè)化這些先進的InGaAs APD。隨著這些器件的更廣泛應(yīng)用，我們將會看到新一代高性能激光測距儀，它們將突破距離測量和目標獲取系統(tǒng)的可能性邊界。

InGaAs APD技術(shù)的進步，代表著激光測距儀能力的重大飛躍。通過提供更高的靈敏度、更遠的測距范圍、更快的恢復(fù)時間以及更緊湊高效設(shè)計的潛力，最新一代的APD有望徹底變革距離測量領(lǐng)域。隨著這項技術(shù)的成熟和更廣泛的采用，我們可以預(yù)見一個高性能測距儀的新時代，這將提升從國防到汽車、測量等廣泛應(yīng)用領(lǐng)域的能力。這些先進的InGaAs APD正引領(lǐng)著我們走向更精確、更可靠和多功能的距離測量解決方案。