文/Ben White，Phlux Technology公司CEO兼联合创始人

激光测距仪（LRF）正成为各个领域中不可或缺的一种测量工具，尤其是在精确距离测量至关重要的国防应用领域。激光测距仪基于飞行时间（ToF）原理工作，发射的激光脉冲被目标反射后返回传感器。通过测量往返时间并已知光速，激光测距仪就能高精度地计算出其与目标之间的距离。

图 1：飞行时间（ToF）激光测距仪（LRF）的功能元件图，其中返回信号由雪崩光电二极管（APD）检测。（图片来源：Phlux Technology）

一个典型的激光测距仪系统由几个关键部件组成，包括激光发射器、光学系统、探测器（通常是雪崩光电二极管，即APD）、定时电路以及信号处理单元（见图 1）。

激光发射器产生短且高强度的光脉冲，光波长通常处于红外光谱范围内。光学系统聚焦发射的激光束并收集反射光，然后APD探测器将入射光子转换为电信号，该电信号由定时电路和信号处理单元进行处理，以确定距离。

激光测距仪的设计

激光测距仪设计中的主要挑战之一，是需要探测范围广泛的返回信号强度，该信号强度从nW/cm2到kW/cm2不等，这要求探测器的动态范围超过 110dB。之所以需要如此宽广的动态范围，是因为返回信号的强度会因目标距离、反射率和大气条件等因素而显著变化。探测电路还必须能在经受高能脉冲事件后迅速恢复，以便探测来自附近物体的后续信号 —— 这对于可能存在多个不同距离目标的应用场景来说，是一项非常关键的特性。

针对 1550nm激光器的铟镓砷（InGaAs）APD技术的最新进展，显著提升了激光测距仪的性能。通过将锑合金融入APD结构中（见图 2），研究人员正在创建一种具有高内部增益和极低过剩噪声（excess noise）的器件。

图 2：与传统APD器件（绿色）相比，在最新一代InGaAs APD（蓝色）中添加了锑合金，进而提升了所有关键性能指标。

相比于传统器件，这些先进的InGaAs APD具有几个关键优势。首先，它们通过使用大约仅为传统APD所需光子数1/3的光子，就能达到相同的信噪比（SNR），从而展现出更高的灵敏度。

这种增强的灵敏度直接转化为更远的测距能力，使得典型激光测距仪系统的有效测距范围增加了高达 50%。实际上，这意味着在其他所有因素相同的情况下，配备先进InGaAs APD的激光测距仪，能够比使用传统APD的系统准确测量距离远 50% 的目标。此外，性能的提升允许使用更小的接收光学元件和功率更低的激光器，从而实现更紧凑且更具成本效益的激光测距仪设计。这在尺寸、重量和功耗是关键考量因素的应用中特别有益，例如在手持式军用测距仪或无人机搭载的系统中。

为了量化这些性能提升，我们可以研究诸如噪声等效功率（NEP）和测距性能等关键指标。噪声等效功率是一个关键参数，它决定了最小可探测的信号，从本质上定义了探测器的灵敏度极限。将先进的InGaAs APD集成到典型的激光测距仪系统中，InGaAs APD相比于传统APD器件展现出显著更低的噪声等效功率。这种更低的噪声等效功率直接转化为更好的系统性能，使得系统能够探测更弱的返回信号，并扩展测距仪的有效测距范围。

在信噪比为 5:1 的参考系统中，这些新型InGaAs APD能够实现的测距范围比第一代传统InGaAs APD大 50%。这种测距性能的大幅提升，将有望为许多应用领域带来变革，特别是在远程目标获取至关重要的国防应用场景中。

衡量激光测距仪性能的另一个关键参数，是APD在暴露于高强度光后的恢复时间。这个参数对于测距仪可能遇到高反射表面、或可能存在使探测器饱和的附近物体的场景尤为重要。先进的InGaAs APD具有更快的恢复时间，这使其能够在探测到高强度光反射之后、迅速探测到来自目标的后续反射。这一特性在可能存在多个不同距离目标的场景中，或者在反射表面常见的城市环境中尤为重要。

将先进的InGaAs APD纳入激光测距仪的设计中，工程师们可以从多个方面利用其带来的性能提升（见图 3）。

更高的灵敏度允许使用更小的接收透镜，从而减小激光测距仪的整体尺寸和重量。这在空间和重量受限的便携式或车载系统中特别有益。要达到与使用传统APD的系统相同的性能，可以降低激光功率，这将提高功率效率和可靠性。这不仅能延长便携式系统的电池寿命，还能降低热管理要求，并进一步有助于减小尺寸和重量。

此外，增强的灵敏度还有助于减轻大气条件、倾斜表面和不同目标反射率的影响，从而在具有挑战性的环境中实现更出色的性能。这对于国防应用尤为重要，因为在国防应用中，测距仪必须在从沙漠高温到北极严寒以及沙尘、雾气或小雨等各种不同且往往不利的条件下可靠运行。

图 3：锑合金增强的InGaAs APD（系统 1）相比于传统器件（系统 2、3 和 4），在信噪比方面有显著提升。

InGaAs APD技术的性能优势

InGaAs APD技术的最新进展，为激光测距仪系统带来了显著优势，特别是在将尺寸、重量、功耗和性能作为关键考量因素的国防应用中。通过采用这些新型APD，工程师们可以设计出更紧凑、更高效且功能更强大的激光测距仪，在测距范围、灵敏度和可靠性等方面均超越传统系统（见图 4）。

图 4：典型的激光测距仪，其因采用先进的InGaAs APD技术而在性能方面获得大幅提升。

这些改进对国防应用有着深远影响。对于目标获取系统而言，更远的测距范围和更高的灵敏度，能够更早地探测和识别潜在威胁。在火炮系统中，更远距离内更精确的测距，可以显著提高瞄准精度。对于侦察和监视应用，在具有挑战性的大气条件下有效运行的能力，能够增强整体任务的执行能力。此外，配备先进InGaAs APD的激光测距仪尺寸减小、功耗降低，为集成到更小的平台（如无人机（UAV）或士兵佩戴的系统）中开辟了新的可能性。这可以在个人或小单位层面提供增强的态势感知和瞄准能力，并有可能改变战场上的战术动态。

除了国防应用之外，激光测距仪技术的这些进展对其他领域也具有潜在益处。例如，在汽车行业中，更灵敏、更紧凑的激光测距仪可以提高先进驾驶辅助系统（ADAS）和自动驾驶汽车的性能，并增强它们在各种环境条件下探测和准确测量物体距离的能力。在林业和土地管理方面，性能改进的激光测距仪即使在传统方法难以施展的茂密森林中，也能提供更准确的树高和树冠结构测量数据。

处于这项技术前沿的公司，正在积极开发和商业化这些先进的InGaAs APD。随着这些器件的更广泛应用，我们将会看到新一代高性能激光测距仪，它们将突破距离测量和目标获取系统的可能性边界。

InGaAs APD技术的进步，代表着激光测距仪能力的重大飞跃。通过提供更高的灵敏度、更远的测距范围、更快的恢复时间以及更紧凑高效设计的潜力，最新一代的APD有望彻底变革距离测量领域。随着这项技术的成熟和更广泛的采用，我们可以预见一个高性能测距仪的新时代，这将提升从国防到汽车、测量等广泛应用领域的能力。这些先进的InGaAs APD正引领着我们走向更精确、更可靠和多功能的距离测量解决方案。