激光雷达距离成像精度改进方法

激光雷达距离成像精度改进方法

聂珮    胡书林

浙江有色测绘院有限公司 浙江省绍兴市  312000

摘要：在社会发展的影响下，技术水平不断进步，其中，成像激光雷达是一种有源成像系统，使用脉冲激光发射器和面阵接收器产生3D距离图像，具有广范围精度和宽范围门等特性。文中通过静态弥散宽度对图像模糊的影响分析，提出了时间分辨信号分布模型和改进范围精度分析方法。通过激光雷达测距系统试验分析表明，利用该模型得到的最佳静态弥散宽度对距离成像精度有显著影响，能够在白天强背景环境下对室内和室外的10m和1700m目标进行距离成像。在室内成像中，当静态弥散宽度为43.4μm时获得的最优测距精度为0.06m，在室外成像中，获得了测距误差为0.25m的分米级3D图像。该方法能够有效地提高激光雷达成像距离和成像精度，从而提高交通流测距和测速的精度。

关键词：3D距离成像；激光雷达；光学遥感；测距；精度

引言

激光雷达作为雷达概念的一种延伸，利用激光进行目标探测，从反射光中获取目标距离、速度、方位等信息。相较于微波雷达，激光雷达采用波长更短的光学信号，具有定向性好、空间分辨率高、抗干扰能力强、体积小、重量轻等优点。自上世纪60年代以来，激光雷达得到了迅速发展，在遥感、大气探测、自动驾驶、三维成像等领域获得了广泛应用。根据发射信号不同，激光雷达可以分为两类：脉冲激光雷达和连续波激光雷达。脉冲激光雷达采用脉冲光信号作为探测信号，通过精确测量反射光脉冲飞行时间，获取目标距离信息。

1测距原理

激光雷达要实现目标距离测量，必须确保能够接收到足够的回波信号，而计算激光回波信号的依据则是激光雷达方程，通用的激光雷达方程：

其中：PR是接收回波功率，PT是发射激光功率，Pb是背景辐射和噪声功率；R是目标与雷达之间距离，θT是发射天线视场角/光束发散角；ρ是目标表面对激光的反射率，dA是目标表面面元，Ω是目标光散射立体角；D是接收天线孔径/直径，ηAtm是传输介质的双程透过率，ηSys是光学系统透过率。其直观物理意义：

为激光发射功率分摊在被光斑覆盖到的目标表面积上的部分，dρ∫

为目标将该部分照射功率向外散射的总散射功率， 为目标散射功率被雷达天线孔径接收的部分；在这整个过程中还需要考虑光信号功率在雷达系统内部和自由空间中传播的损耗。由式(1)可见，在外部条件一定的情况下，激光发射功率越高，接收孔径越大，背景噪声抑制越好，系统的信噪比越高，这也是雷达系统设计的要点。激光测距的方法有很多种，除了直接利用计时电路对激光脉冲的飞行时间进行测量外，还可以通过对发射激光信号的幅值、频率、相位等进行调制，从而间接获得目标的距离。

2激光扫描方式介绍

2.1栅形扫描

栅形扫描是沿水平或竖直方向往复顺序扫描的扫描方式，其扫描轨迹如图1所示。栅形扫描先沿一个方向连续均匀扫描，完成一行扫描后变换方向到达下一行，再沿着相邻行的反方向扫描，这个过程称为一个行周期的扫描。T1T2T3T4在表示栅形扫描轨迹时可将行周期分为四个阶段，通过调整这四个周期，的大小，可以改变扫描行时间长短，方程(1)～(4)分别对应4个扫描周期

式中： 表示扫描光斑中心位置的坐标；表示第个行周期；参数，表示水平和竖直两个方向上扫描距离随时间的变化率，值越大扫描速度越快； ，表示扫描的范围。栅形扫描具有如下特点：扫描光斑分布均匀，实现方式简单，能较好地满足水平探测和垂直探测需求，可用于目标搜索；大多数扫描器件均可实现栅形扫描；但当扫描速度较快、器件加速度性能不够时，扫描图形容易变形。

2.2基于外调制激光光源的调频连续波激光雷达

外调制激光光源一般由单频激光器和光调制器级联组成。激光信号光调制器完成调制过程，输出线性调频光学信号。常用的调制方式包括强度调制和频率调制等。强度调制方式采用线性调频信号对激光进行强度调制，并在接收端利用光电探测器将光强转换为电流，获得目标距离信息。频率调制方式则采用电信号调制激光频率。调制后，激光的瞬时频率产生偏移，偏移量由调制信号的瞬时频率决定。当调制信号为线性调频信号时，输出光信号即为线性调频信号。最后，在接收端利用相干探测获得拍频信号，提取目标距离和速度等信息。外调制方式将调制过程转移到调制器中，降低了光源的复杂度。相较于内调制激光器，调制器的非线性效应极小，可以避免大带宽导致的非线性误差。采用窄线宽激光器作为光源，调制器输出的线性调频光信号可以同时具有较大的调制带宽和较小的瞬时线宽，有助于同时实现高分辨率和高精度测量。2009年，美国堪萨斯大学的研究人员利用强度调制器产生线性调频光信号，实现了调频连续波激光雷达。利用该激光雷达，研究人员对370m以外的建筑进行了成像。该方案中采用线性调频光学信号作为参考信号，与反射光信号进行相干拍频，降低了对光电探测器和射频接收端的带宽要求。

2012年，该小组研究人员进一步利用光学单边带调制构建了一种调频连续波激光雷达，结构如图1所示。该方案无需声光移频器，即可实现外差探测。同时，利用电光调制器进一步增大了带宽，提高距离分辨率。2018年，天津大学的研究人员利用外调制和循环移频相相结合，实现了200GHz的调制带宽，调频速率高达3.6*1016Hz/s。该方案不仅可以获得较大调制带宽，还可实现低至50KHz的瞬时线宽。近年来，随着微波光子技术的不断发展，利用微波光子倍频技术还可以进一步扩大信号带宽，提高调频连续波激光雷达的距离分辨率。

图1一种基于外调制的调频连续波激光雷达示意图

相较于其他方案，基于外调制激光器的调频连续波激光雷达另一优点是可以利用丰富调制方式，获得复杂波形的光学信号。研究表明，利用复杂的波形有助于实现多功能激光雷达系统。因此，外调制激光器是构建多功能调频连续波激光雷达的优选方案之一。2012年，美国堪萨斯大学的研究人员利用光通信中的I/Q调制器，构建了一种正负边带复用的激光雷达。该系统利用线性调频负边带进行测距，利用单频正边带进行测速，从而在一个雷达系统中同时实现测距测速功能。此外，外调制技术采用线性调频信号作为调制信号，其产生方式更为成熟。而且，采用微波信号作为调制信号，提高了激光雷达与微波雷达的技术兼容性，有利于构建多传感器融合的探测系统。

结语

本文建立了基于峰值检测算法的时间分辨信号分布的理论模型，包括静态模糊宽度和激光脉冲宽度计算模型，并改进了成像激光雷达系统的一般范围精度分析方法。通过实验结果分析表明静态弥散宽度对距离精度有显著影响，由于条纹探测器的分辨率有限，范围误差通常与其成正比，应设置得尽可能窄，以便获得最佳范围的图像。通过使用最佳静态弥散宽度成像，在室内和室外背景下，成像的距离和精度得到了很大提高，目标距离分别为10m和1700m。在室内成像实验中，当静态弥散宽度为43.4μm时获得的最优测距精度为0.06m，范围测距误差之间的相关曲线与理论分析一致。在室外实验中，该理论在超过千米级距离成像上得到验证，并获得了测距误差为0.25m的分米级3D图像。本方法为成像激光雷达系统的设计和性能评价提供了参考依据。

参考文献

［1］王虎，王佳．光电跟踪系统激光测距变束散角应用分析［Ｊ］．激光与红外，2019，49（8）：941-944４．

［2］王丽珍，刘慧玲，薛小兰．基于激光测距传感器的障碍物检测与模式识别［Ｊ］．激光杂志，2019，40（8）.

［3］贺嘉.激光雷达高速扫描系统原理及设计[D].西安:西安电子科技大学,2009