МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ЛАЗЕРНЫХ ДАЛЬНОМЕРОВ

METHODS FOR IMPROVING THE ACCURACY OF LASER RANGEFINDERS

Ключевые слова: лазерный дальномер, точность измерения, погрешность, гетеродинное детектирование, фазовая автоподстройка, time-of-flight, d-ToF, i-ToF, нелинейность, обработка сигнала.

Keywords: laser rangefinder, measurement accuracy, error, heterodyne detection, phase-locked loop, time-of-flight, d-ToF, i-ToF, nonlinearity, signal processing.

Лазерная дальнометрия является одним из важных направлений современной оптической метрологии. Она применяется в геодезии, автономной навигации, промышленной автоматизации и системах пространственного картографирования. Одним из основных показателей качества дальномерной системы является точность определения расстояния, поскольку именно она определяет возможность использования прибора в конкретной прикладной задаче.

Несмотря на развитие лазерных источников, фотоприёмников и цифровых средств обработки, достижение высокой точности остаётся комплексной инженерной задачей. Погрешности формируются как в оптическом и электронном тракте, так и под воздействием окружающей среды. На практике их удобно разделять на три основные группы:

– систематические погрешности, обусловленные нелинейностью модуляции, временными задержками и особенностями алгоритма определения момента прихода сигнала;

– случайные погрешности, связанные с шумами фотоприёмника, джиттером и дискретностью измерения времени или фазы;

– погрешности, возникающие под действием внешних факторов: фоновой засветки, атмосферных неоднородностей и изменения отражательной способности объекта.

Основные направления повышения точности лазерных дальномерных систем представлены на рисунке 1.

Одним из перспективных подходов для когерентных систем является повышение фазовой чувствительности за счёт нелинейной динамики лазерного резонатора. В работе Y. Wang и соавторов [1] предложен метод фазового умножения с оптической обратной связью, при котором рассеянное целью излучение повторно вводится в резонатор лазера. Возникающие гармоники интерференционного сигнала позволяют увеличить чувствительность к фазовым изменениям. В эксперименте авторами получено более чем десятикратное повышение разрешающей способности при сохранении высокой стабильности измерений.

Для импульсных систем прямого измерения времени пролёта d-ToF существенным источником ошибки является временное блуждание (time-walk). При пороговом детектировании момент срабатывания компаратора зависит от амплитуды принятого эхо-сигнала: более мощный импульс пересекает установленный порог раньше слабого. В работе P. Hu и соавторов [2] предложена стратегия активного многоуровневого управления мощностью излучения, позволяющая оценивать и компенсировать эту зависимость на основании серии зондирующих импульсов с различной мощностью. Подход позволяет уменьшить влияние динамического диапазона эхо-сигнала на результат измерения.

В системах непрямого измерения времени пролёта i-ToF значительный вклад в систематическую ошибку вносит нелинейность, известная как wiggling. Она связана с отличием реального модулирующего сигнала от идеальной синусоидальной формы и взаимодействием нескольких параметров измерительного канала. X. Ma и соавторы [3] предложили оптимизировать частоту, коэффициент заполнения и соотношение длительностей фронтов трапецеидального сигнала. Экспериментально показано снижение суммарной систематической погрешности с ±19 мм до ±4,5 мм, что подтверждает эффективность оптимизации формы зондирующего сигнала.

Для повышения чувствительности при измерении больших расстояний применяется когерентное, в том числе гетеродинное, детектирование. В работе H. Song и соавторов [4] реализована импульсная система лазерной дальнометрии с оптической фазовой автоподстройкой частоты, используемой для формирования локального опорного сигнала. Смешение отражённого и опорного излучения в балансном фотоприёмнике позволяет переносить полезную информацию в электрический сигнал биений и повышать чувствительность приёмного тракта. Авторами продемонстрировано измерение дальности порядка 2,77 км при высокой частоте повторения импульсов.

Рассмотренные методы показывают, что повышение точности лазерной дальнометрии развивается одновременно в аппаратном и алгоритмическом направлениях. Аппаратные решения направлены на повышение отношения сигнал/шум, уменьшение джиттера и стабилизацию измерительного тракта. Алгоритмические методы позволяют компенсировать систематические зависимости, связанные с формой сигнала, амплитудой эхо-импульса и нелинейностью измерительного канала.

Наиболее эффективным является совместное применение нескольких способов коррекции. Для импульсных дальномеров особое значение имеют уменьшение time-walk, повышение точности измерения временного интервала, фильтрация фоновой засветки и адаптивная обработка эхо-сигнала. Такое сочетание позволяет повысить точность без чрезмерного усложнения оптической части и создаёт основу для разработки компактных дальномерных устройств, способных сохранять требуемые характеристики при изменении расстояния до цели и условий наблюдения.

Список литературы

1. Wang, Y. Phase-multiplied interferometry via cavity dynamics for resolution-enhanced coherent ranging / Y. Wang, J. Liu, C. Lin [et al.] // Light: Science & Applications. – 2026. – Т. 15. – DOI: 10.1038/s41377-025-02160-x. – URL: https://doi.org/10.1038/s41377-025-02160-x (дата обращения: 10.09.2026).
2. Hu P., Xin Y., Wang X. [et al.]. An Active Multi-Power Emission Strategy for Time Walk Error Compensation in SiPM-Based d-ToF LiDAR // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. – 2026. – Т. 75. – DOI: 10.1109/TIM.2026.3697061.
3. Ma, X. Systematic Error Reduction of i-TOF LiDARs Using Flexible Trapezoidal Waveforms / X. Ma, H. Lin, S. Wu, X. Liu // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. – 2025. – Т. 74. – P. 1⁠–⁠17. – DOI: 10.1109/TIM.2025.3552461. – URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/10948123 (дата обращения: 10.09.2026).
4. Song, H. Implementation of a pulse-type laser detection and ranging system based on heterodyne detection for long-range measurement with high repetition rate / H. Song, C.J. Lee, H.S. Koh [et al.] // Review of Scientific Instruments. – 2019. – Т. 90, № 12. – Art. 125001. – DOI: 10.1063/1.5113909. – URL: https://doi.org/10.1063/1.5113909 (дата обращения: 10.09.2026).