1. 引言
2017年，教育部等有关部门基于国家战略发展新需求、国际竞争新形势、立德树人新要求，提出了我国工程教育改革的方向，旨在为国家在未来的产业发展和国际竞争中提供坚实的人才支撑[1] [2]。由此，“新工科”的概念被提出来。在新工科背景下，人才培养模式以需求为导向，关注学科交叉，前沿领域的发展，与新兴产业密切相关。
在新工科建设背景下，大学实验与实践课程对于培养学生实践能力、科学思维与探索精神具有至关重要的作用[3]-[6]。为此，在教学内容中引入前沿且综合性强的技术，对培养创新型、复合型人才具有重要的支撑意义。激光作为一种基于受激辐射原理的优质光源，具备方向性好、亮度高、单色性与相干性强等突出特性。随着激光技术的不断发展，测距技术也取得了显著进步，激光测距应运而生。该技术融合了半导体物理、激光技术、计算机科学和微电子学等多学科知识，并且在众多领域都有广泛应用，是开展跨学科实验教学的优质载体。
为此，本文将激光测距实验引入我校光电信息科学与工程的实验教学中。通过光源稳定性测量实验，让学生理解光源对系统测量精度的影响；通过盲区测量环节，让学生理解理论模型与工程实践之间的差异；通过激光测距，巩固对测距原理的理解。整个实验设计层层递进，具有一定挑战性，既能激发学生主动探索的兴趣，又能增强学生实践能力。
2. 激光测距基本原理
激光测距技术的核心是通过测量激光信号在“发射–反射–接收”过程中发生的某种变化，来计算出距离[7]。这个变化可以是时间、相位或者几何位置。主流的激光测距方法主要有脉冲法，相位法和三角法等，这几种方法都有各自的优点和存在的不足。这里我们主要讨论脉冲法激光测距。脉冲法测距由于使用高功率脉冲激光，能量集中，回波信号强，所以非常适合超远距离的测量；其次，直接对飞行时间进行测量，计算出绝对距离，因此没有所谓的模糊度问题；并且，主要依赖目标表面的漫反射，对待测目标依赖性低，具有极强的环境适应性。
脉冲法激光测距技术是最直观的激光测距方法。其基本原理也最简单，即直接测量激光脉冲测距仪和目标之间往返一次所花费的飞行时间，然后利用光速计算出距离。假设目标距离为D，光脉冲往返经过的时间为t，光在空气中传播的速度为c，则
D = ct/2 (1)
其工作过程如下：脉冲激光器首先发射一个高强度、窄宽度的光脉冲，该脉冲经光束整形系统准直后射向被测目标。在光脉冲发射的瞬时，其中一小部分能量通过分束装置直接导入探测器，触发计时器开始计时。射向目标的脉冲经目标表面漫反射后，部分反射光沿原路返回，由接收望远镜收集并汇聚至探测器，此时探测器输出信号使计时器停止计时。通过测量激光脉冲往返的时间间隔，即可计算出被测目标的距离。
3. 激光测距实验设计
虽然脉冲法激光测距原理简洁，但在实际测量中，精确获取脉冲飞行时间仍面临诸多误差与物理极限的挑战。为此，本文设计了包含光源稳定性测量、系统盲区标定及实际激光测距三个环节的教学实验，系统引导学生从理论认识过渡到工程实践，深入理解并应对实际测量中的关键制约因素。
3.1. 微片激光器稳定特性测量
在脉冲法激光测距中，激光器的稳定性至关重要，它直接影响测距系统的精度[8]。主要体现在三个方面。首先是激光器脉冲输出的时间抖动，它是由于激光器内部的不稳定性引起，这种抖动会影响测距的计时零点；其次是脉冲的能量稳定性，光脉冲的能量起伏会影响回波信号的幅度，当信噪比较低时，幅度变化可能导致对微弱回波的漏判或误判，从而影响测距的成功率和可靠性；最后是脉冲间的时间抖动，会导致计时点的前后移动，造成测距值的随机误差和系统性偏移。微片激光器的输出时间抖动已进行校准。因此，有必要对激光器的能量稳定性及脉冲间时间抖动进行测量。
将微片激光器固定在导轨，在出口处放置分光片，在分光的传播方向上依次放置衰减片，PD探测器，如图1所示。调节激光器的高度和俯仰偏摆，以及PD探测器的位置和高度，使得衰减后的激光照射到PD探测器中。随后，通过信号线连接PD探测器和示波器，时间挡位调至10 ns附近，开启示波器的无限余晖功能，观察波形长时间累加的结果，评价脉冲波形能量的稳定性。随后，将时间挡位调制每格200 us附近，可观察到多个周期的脉冲信号，继续开启无限余晖功能，观察脉冲间的时间抖动情况。实验中所使用的微片激光器是北京杏林睿光研发的MCA系列半导体激光器，输出波长为532 nm。
Figure 1. Experimental setup diagram of the stability characteristics measurement for microchip laser
图1. 微片激光器稳定特性测量实验装置图
微片激光器的稳定特性测量结果如图2所示。图2(a)为能量稳定性测量的无限余晖波形，可以看到最大值为2.20 V，最小值为1.44 V。图2(b)为无线余晖的平均波形，平均次数为64次，平均值为1.72 V。从积累过程中也可以看出，大部分脉冲峰值均在1.7 V附近。图2(c)为脉冲间的时间抖动测试结果，其中的无限余晖波形显示时间抖动范围在5 us左右。
3.2. 脉冲测距系统的探测盲区测量
探测盲区是脉冲法测距系统无法进行有效测量的一个最短距离范围。它的产生主要有两个原因：
(a) (b) (c)
Figure 2. Data of the stability characteristics measurement for microchip laser
图2. 微片激光器稳定特性测量数据
首先是发射的激光脉冲能量极强，会有极小部分后向散射光通过光学系统或空气直接进入接收系统，这部分后向散射光涌入探测器，会使其瞬间达到饱和状态，失去对从远处目标返回的微弱信号的响应能力；其次，即使探测器本身能快速恢复，其产生的巨大电脉冲也会使后续的放大和计时电路进入饱和状态，后续电路从饱和到恢复正常处理微弱信号也需要一定时间，这也导致了探测盲区。因此，在使用脉冲测距系统前，必须对其最小盲区进行探测。
紧接上一部分实验内容，盲区探测实验装置如图3所示。在分光片后放置扩束准直镜(发射望远镜)，仔细调节其高度和俯仰角，使得激光被扩束准直输出，且保持方向不变。可使用目标白屏的刻度测量近处和远处的光斑直径，判断准直的效果是否良好。随后，为提升回光接收效率，在激光器后加入一枚透镜，透镜高度高于微片激光器，确保绝大部分后向散射光可被接收到。接着，在该透镜的焦平面处放置探测白屏，可观察到散射斑被聚焦为一个小光斑，直径约5 mm。最后，进行盲区边界测定：将目标白板沿光路方向前后移动，同时观察探测白屏上的光斑变化。当目标白板距离扩束准直镜约501 mm时，探测白板上的光斑消失，表明此时回光已无法被有效探测，系统进入了探测盲区。由此测得该实验条件下探测盲区约为501 mm。
Figure 3. Experimental setup diagram of blind spot detection
图3. 盲区探测实验装置图
3.3. 基于时间数字转换器的激光脉冲测距实验
时间数字转换器技术，是脉冲法测距中常用的一种技术手段。基于该技术的脉冲测距系统通常由测距光路，时间数字转换器及数据处理三部分。时间数字转换器测量的是两个信号的上升沿间的时间间隔。本实验使用的是ACAM公司开发的TDC-GP22时间数字转换器，其内部是一系列的门电路。当芯片接到“起始”信号后，触发测量单元，信号经过内部一些列非门产生延时，在接收“停止”信号后，内部电路将经过的门电路个数记下，从而得到所测时间间隔。
实验装置如图4所示，取下探测白板，换上APD探测器。在时间数字转换器的start端上接一个SMA三通，三通的另外两端分别连接PD探测器和时间数字转换器的stop1端，这样PD探测器的信号将先进入时间数字转换器的start端，再通过一根SMA线的延迟才进入stop1端，使得start端和stop1端子接收到脉冲的时间间隔在几个ns的级别。随后将APD探测器接入时间数字转换器的stop2端。再通过usb线将时间数字转换器与电脑连接，打开控制软件，进入测量状态。这样，stop1端将记录信号到达时间T1，stop2端记录回波信号到达时间T2，脉冲时间间隔T = T2 − T1。
Figure 4. Experimental setup diagram of pulsed laser ranging
图4. 激光脉冲测距实验装置图
移动目标白屏，可以看到当目标白屏距离过近时，测得的时间间隔数值跳动很大，此时为测量盲区。以最近能测量的位置为零点，每隔500 mm记录一组数据，测量结果如表1所示。由实验数据可以看到，测距的绝对误差在59 mm以内，并且绝对误差的大小与待测目标的距离无直接关系。这主要是由系统的随机误差导致，包括鉴别抖动误差、数字电路上升沿抖动误差、时间间隔测量误差和波形畸变误差等，都可能影响单次测量的精度。
Table 1. Experimental data of pulsed laser ranging experiment
表1. 激光脉冲测距实验测试数据
位置(mm) |
0 |
500 |
1000 |
1500 |
2000 |
2500 |
3000 |
3500 |
4000 |
时间间隔(ns) |
8 |
11.54 |
14.78 |
18.24 |
21.26 |
24.40 |
28.34 |
31.30 |
35.06 |
相对零点时间间隔(ns) |
0 |
3.54 |
6.78 |
10.24 |
13.26 |
16.40 |
20.34 |
23.30 |
27.06 |
计算移动距离(mm) |
0 |
531 |
1017 |
1536 |
1989 |
2460 |
3051 |
3495 |
4059 |
与实际距离差(mm) |
0 |
31 |
17 |
36 |
-11 |
-40 |
51 |
-5 |
59 |
误差(%) |
0.00 |
6.2 |
1.7 |
2.4 |
0.55 |
1.6 |
1.7 |
0.14 |
1.47 |
4. 教学实施效果
通过实施上述教学内容，激光测距实验教学取得了较好的效果。首先，学生在理论知识掌握层面更加扎实，能够准确理解并系统阐述激光测距的工作原理与技术概念。其次，在实践操作层面，学生的动手能力与工程技能得到有效锻炼，已能独立完成光路搭建、系统调试、距离测量及数据分析等全流程操作。尤为重要的是，实验极大激发了学生的学习兴趣与探索热情，不少学生反馈，能够亲手操作常在文献与新闻中见到的技术，令他们感到新奇而富有成就感。最后，从学习产出来看，学生的实验报告在规范性、分析深度与逻辑性上均有明显提升。
5. 结语
本文设计并实施了面向本科生的脉冲激光测距综合实验，系统训练了学生在光路搭建、信号采集与数据处理等方面的实践技能。实验创新性地引入对噪声、盲区等实际系统中关键非理想因素的测量与分析，引导学生突破理想模型认知，深入理解工程实践中的约束与挑战，有效培养了其系统性思维和解决复杂实际问题的能力。这一设计体现了新工科教育“从知识到能力、从原理到系统”的教学理念。同时，实验内容与当前科研前沿紧密衔接，在提升学生工程素养的同时，也初步锻炼了其科研思维，发挥了科研入门训练的作用。未来，本实验将进一步拓展与优化，计划引入相位法、三角法等其他主流激光测距技术，构建多层次、对比式的实验体系，帮助学生从多角度深化对光电探测技术的理解。
NOTES
*通讯作者。