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1、激光雷达成像技术 1) 激光测距的原理 激光测距的基本原理，是通过测算激光发射、激 光回波信号的往返时间，而计算出目标的距离。 激光雷达测距方式激光雷达测距方式 由于工作体制的限制，无法直接获得距离信息，需要通 过调制的方式将距离信息加载到目标强度信息中，再通过对 应的解算方法提取出目标的距离信息。 1. 时间时间（直接飞行时间“Direct Time-of-Flight (TOF)” ） 2. 时间相位（连续波振幅调制的相位 “Phase-Based AM-CW ） 3. 时间频率（连续波振幅啁啾调制 “Chirped AM-CW ），（“连续波频率啁啾调制 “Frequency chirp
2、 (FM-CW)” ） 4. 时间增益（增益调制） 5. 时间位置（MSTIL） 脉冲飞行时间测量法（1） 图-1纯脉冲飞行时间物理过程 脉冲激光器泵浦源 光电管 脉冲放大 及整形 门控 发射天线 时标振荡器复位电路 电子门计数器 显示器 接收天线 （1）单脉冲激光测距雷达 系统的分辨率决定于计数脉冲的频率。若要求分 辨力为1m，要求计数脉冲的频率为 由于计数脉冲的频率不能无限止地提高，所以脉 冲激光测距的精度一般较低，现在可以达到mm量级. 测距（精度）误差 测距误差由两部分组成：一是随机误差。随机误差是 服从统计规律的，它表征多次测距数据的分散程度，是设 备本身精度高低的标志；二是未修正的
3、系统误差，它是一 种固定的或服从一定函数关系的误差。原则上，系统误差 是可以消除的，但由于采取的修正方法不同，或多或少地 要残留下一部分 随机误差 距离计数器时钟频率漂移引起的频率误差： 当作用距离为R时，计数器频率稳定度为f/f时，所引 起的标准误差1服从标准等概率分布E(0,1)，即： 距离计数器中有限分辨率引入的量化误差： 计数器中由于有限分辨率而引入的量化误差也服从等概 率分布，如果计数器距离分辨率为l0,则它的标准误差2为 ： 由激光脉冲有限上升时间引起的探测误差: 激光发射脉冲有限上升时间所引入的误差也服从等 概率分布，则它的标准误差3为 式中为回波脉冲前沿，它取决于主脉冲前沿、接
4、收元件 响应时间、负载电阻引起的RC时间延迟和放大器的带宽 目标距离参量估计引起误差 从以上随机误差分析来看，主要是计时量化误差1 和探测误差2起作用，其它可能存在随机误差相对于这 两个误差数值都很小，可忽略不计。 系统误差 在计数器时标振荡器周期T0（相应频率为F0）时间内， 光在真空中传播的距离（T0*c0）/2（1/2是考虑到往返双程 ）与计数器分辨率不等引起的误差。这时误差用下式进行修 正： 式中N是计数器平均读数，c0是真空中光速，F0是计数器时 标振荡器频率。 大气折射率造成的实际光速不等于真空光速的误差。对大 目标有如下经验公式 P、T分别为大气的压力和温度。 在计算系统延时误差
5、时，必须考虑回波延时的两种定 义方法：以目标回波脉冲前沿作为它到达时刻；以回波脉 冲中心作为它到达时刻。这两种定义的差异所引起的固定 延时差为3dB /2，可以记为R3。 系统时间延时总误差的修正公式： 由此可见，随机误差在光脉冲测距过程中是必须考虑 的因素，是无法校正和补偿的， 而系统误差因素在信号检测电路中，可以采取相关技 术措施进行校正和补偿，使其小于随机误差。 校正和补偿系统误差基本原则，也就是在计数器所记 录下的总的脉冲回波延时中，事先扣除掉上述三个因素所 产生的固定延时误差，而固定延时误差将由更精密的激光 测距机实验测量得到。 连续波幅度调制相位测量法 图-2 飞行时间决定相位的物
6、理过程 连续波相位测距雷达是 根据调制光波传播距离的相 位变化来判测目标距离的。 为调制频率， （2) 连续波相位测距 连续波相位测距雷达是根据调制光波传播距离的相位 变化来判测目标距离的。 为调制频率， 为测尺长度。 由于 其中是相移不足2的尾数， 调整 ，改变测尺长度L0，使N=0, 测出相位 ，就可得到距离值L. 模糊距离 信噪比与测距 精度 举例1 分散的直接测尺频率方式， 适用于中、短程(5km)相位式光电测距雷达， 测尺频率 15MHz 150kHz 15kHz 1.5kHz 测尺长度 10m 1km 10km 100km 精度为1 1cm 1m 10m 100m 实际的相位测距雷
7、达，选用不同的测尺长度， 得到单一的、精确测距结果。 测尺长度由测尺频率确定，各测尺间频率相差较大. 如：为测量276.34m距离，选用10m测尺，精度为1 ， 即精度为 1cm,相应测尺频率 选用1000m测尺，精度为1，即精度为 1m,相应测尺频率 测得6.34m 测得276m 组合测得数据为276.34m 集中的间接测尺频率方式， 适用于长程测距 (测距几十km)和部分中程测距 。 它选用测尺频率的差频为新的测尺频率，亦称 相当测尺频率，而把原来选定的测尺频率称为间接 测尺频率。 选用两个间接测尺频率为f01和f02， 两式变换后相减，得 式中是相当测尺频率 是相当测尺长度 间接测尺频率
8、 相当测尺频率fs=f01-f02相当测尺长度 f1=30MHz 30MHz 2.5m f2=0.9f1 0.1f1=3MHz 25m f3=0.99f1 0.01f1=300kHz 250m f4=0.999f1 0.001f1=30kHz 2500m f5=0.9999f1 0.0001f1=3kHz 25000m 瑞士WILD DI3型电子归算红外测距仪 测程 390m 至 900m， 测距精度25mm；一次测量周期10s， 精测尺频率f174927MHz，测尺长度L01=20m； 粗测尺频率f274.927kHz，测尺长度L02=2000 m。 采用GaAs半导体发光二极管作光源，直接
9、调制。 以硅光电二极管作光电探测器， 采用差频法自动数字测相，直接显示目标距离。 接收单元 发射单元 连续波啁啾调制测量法分为幅度调制和频率调制两 种方式，其实工作原理基本是相同的，区别就是载波的 频率不同。幅度调制的载波频率则远小于光频，这时调 频波是对光频波动的振幅包络进行调制如图（a），而 频率调制法则是以光频作为载频进行调制（b）。 连续波啁啾调制测量法 （a）啁啾调幅信号 intensityintensity timetime （b）啁啾调频信号 连续波啁啾幅度调制测量法 F-调制深度 T-调制周期 fif -中频 啁啾调制信号与中频信号图示 Block diagram for an
10、 experimental single channel (2-D) chirped-AM/cw LADAR 连续波频率啁啾调制测量法 Frequency chirp (FM-CW) used in the Metric Vision MV-200 coherent Ladar. 测距原理： 本振的啁啾调制信号的频率可以表示为 为啁啾调制的载频 ； 啁啾调制的频率带宽 ； 为一个调制脉冲的时间宽 度。 经过光在探测器和目标间的往返时间 后，回波信号 的频率随时间的关系式可以表示为： 啁啾调制方式的信号处理都是利用外差进行处理，然后获 得一个和延迟时间成正比的中频信号，最后就算出距离值。 f t
11、 0 tx f0 又有测距公式 式中： 探测器与目标间的距离 光速 再通过对傅里叶频谱中中频的测量，便可得到距离 项。易见，带宽越宽，脉冲越窄，测量的精度就越高。 联立 经过混频处理，得到他们的差频信号，即为中频 虽然啁啾调制无论是振幅调制还是频率调制的信号处 理方式都是外差，但是由于频率调制的载频是光频（频率 高达1014 Hz ），现在探测器的水平根本无法响应如此高频 率的变化，只有通过光外差处理，将频率降低到可探测的 MHz量级，然后再用探测器探测，在进行FFT找出中频。而 调幅方式的载频本身就是MHz量级的，可以直接用探测器 探测，然后电混频，FFT找出中频。 啁啾调制的探测方式 调频
12、方式的光外差过程 啁啾调频的发射信号可以写为： 经过 往返时间的延迟回波信号可以表示为 发射信号的振幅 调制的斜率 激光器发射的初始相位 啁啾调制的载波频率 调频方式的光外差过程 光外差后由探测器探测其混频信号的强度，表示为 平均强度 可见度 调频方式的光外差过程 这就是探测器所探测到的差频信号，它是一个频率为 的 余弦信号，也就是所说的中频信号，再经过FFT处理得到中频 频率。 最后代人距离公式就得到了距离 调幅方式的电外差过程 啁啾发射信号 回波信号 混频 同理检测出中频频率 代人距离公式 增益调制距离获取原理 增益调制激光三维成像的原理框图 采用窄脉冲固体激光器作为发射光源照明目标，具有
13、单调 时变增益的ICCD作为成像探测器。不同距离反射回的激光脉 冲的飞行时间和其获得的增益具有一一映射关系。利用一幅 调制增益下的强度像和一幅常数增益下的强度像就可将距离 像解算出来。 （四）、激光雷达距离方程 1. 一般形式 Pr 接收功率 T1 光学系统效率 Ar 有效接收面积 Pt 发射功率 T2 大气透过率(单程) 某指向的反射率定向分布函数。 如果目标各点特性一致，可取平均值。 R 目标距离 Ai 垂直于光束的目标被照面积 Ab目标处光束截面积 发射立体角 当各处均匀时，可取： 则 光束利 用比 2. 几种应用形式 1) 点目 标 Ai为定值，即与R无关 A. 球体散射目标 令 则
14、B. 漫反射平面目标 激光雷达目标截面： 则 接收方向的辐射强度 目标处的辐射强度 最大可探测距离Rmin与最小可探测功率 Prmin有关. 最小可探测功率: 光电转换系数 其中 ，噪声功率谱； ，噪声带宽。 则最大可探测距离 Rmax 的方程 球体散射目标 漫反射平面 A 目标为点目标 B 发射波束内能量 均匀分布 C 探测器灵敏面大 于目标的光斑 D 目标在4或空 间的反射、散射特 征相同 目标被照的面积Ai 随R 的增加而线性增加。 所以 2) 线目标 3) 扩展目标 （分布目标） ，垂直光束的目标截面始终大于或等 于目标处的光束截面 BA 目标宽度 发射波束的 长 径方向的角度 讨 论 ： 目标 点： 线： 面： 光与电 光功率 电功率 Ai 垂直于光束的目标被照面积 Ab目标处光束截面积 发射立体角 Ai为定值，即与R无关 Ai 随R 的增加而线性增加。 注意几个问题 ： 发射脉冲峰值功率及脉冲宽度 P P0 P0/ 2 t峰值功率 发射波束宽度 单模时，取半功率点 多模时，取90%能量范围 雷达截面和反射率分布函数 大多非点目标 a) 不同脉宽，对相同目标，回波幅度不同 b) 不同波束，对相同目标，雷达截面不同 用反射率分布函数，具通用性，但麻烦 b a cd a d c b 点目标 回波叠加在一起， 幅度因脉宽不同而 异 斜面目标 回波不重叠，幅度
