激光雷达测距测速原理.pdf

精心整理 激光雷达测距测速原理 1. 激光雷达通用方程 激光雷达方程用来表示一定条件下，激光雷达回波信号的功率，其形式如下： r P为回波信号功率， t P为激光雷达发射功率， K 是发射光束的分布函数， 12aa T T分别是激光雷达发 射系统到目标和目标到接收系统的大气透过率， tr 分别是发射系统和接收系统的透过率， t为发 射激光的发散角， 12 R R分别是发射系统到目标和目标到接收系统的距离，为目标的雷达截面， r D 为接收孔径。 方程作用：激光雷达方程可以在研发激光雷达初期确定激光雷达的性能。其次，激光雷达方程提供 了回波信号与被探测物的光学性质之间的函数关系，因此可以通过激光雷达探测的回波信号，通过 求解激光雷达方程获得有关大气性质的信息。 2. 激光雷达测距基本原理 2.1脉冲法 脉冲激光雷达测距的基本原理是，在测距点向被测目标发射一束短而强的激光脉冲，激光脉冲 到达目标后会反射回一部分被光功能接收器接收。假设目标距离为 L，激光脉冲往返的时间间隔是 t，光速为 c，那么测距公式为L=tc/2。 时间间隔 t 的确定是测距的关键， 实际的脉冲激光雷达利用时钟晶体振荡器和脉冲计数器来确 定时间 t，时钟晶体振荡器用于产生固定频率的电脉冲震荡 T=1/f，脉冲计数器的作用就是对晶体振荡器产生的电脉冲计数N。如图所示，信息脉冲为发射 脉冲，整形脉冲为回波脉冲， 从发射脉冲开始， 晶振产生脉冲与计数器开始计数时间上是同步触发 的。因此时间间隔t=NT。由此可得出 L=NC/2f 。 图 1 脉冲激光测距原理图 2.2相位法 精心整理 相位测距法也称光束调制遥测法， 激光雷达相位法测距是利用发射的调制光和被目标反射的接 受光之间光强的相位差包含的距离信息来实现被测距离的测量。回波的延迟产生了相位的延迟，测 出相位差就得到了目标距离。 假设发射处与目标的距离为D，激光速度为 c，往返的间隔时间为t，则有： 图 2 相位法测距原理图 假设 f 为调制频率， N 为光波往返过程的整数周期，为总的相位差。则间隔时间t 还可以 表示为： 所以： 定义 2 c L f 为测尺或刻度， 2 N为余尺 则： 因为 L 是已知的，所以只需求出N 和N ，就可得知目标距离D。N 可以通过仪器测得，但 不能测得 N 值，因此上面的方程存在多值解即，测距存在多样性。假设我们能预先知道目标距离 在一个刻度 L 之内，即 N=0，此时测距结果将是唯一的。 假设光调制频率150fkHz150fkHz，则 L=1000m，当被测距离小于1000m 时，测距值是唯一 的。 2.3对比分析 激光雷达脉冲法测距： 优点：测量距离远，一般大于1000m。系统体积小，抗干扰能力强。 缺点：精度较低，一般大于1m。 激光雷达相位法测距： 优点：测量精度高。 精心整理 缺点：测量距离较近，一般为一个刻度L 内的距离。（ 300-1000m）。受激光调制相位测试精 度和相位调制频率的限制，系统造价成本高。相位法测距存在矛盾：测量距离大会导致精度不高， 要想提高精度测量距离又会受限（刻尺L 较短）。 3. 激光雷达测速基本原理 激光雷达测速的方法主要有两大类，一类是基于激光雷达测距原理实现，即以一定时间间隔连 续测量目标距离， 用两次目标距离的差值除以时间间隔就可得知目标的速度值，速度的方向根据距 离差值的正负就可以确定。 这种方法系统结构简单， 测量精度有限， 只能用于反射激光较强的硬目 标。 另一类测速方法是利用多普勒频移。多普勒频移是指当目标与激光雷达之间存在相对速度时， 接收回波信号的频率与发射信号的频率之间会产生一个频率差，这个频率差就是多普勒频移。 它的 数值为： 式中， d f为多普勒频移，单位Hz。v为激光雷达与目标间的径向相对速度m/s。为发射激光的波 长，单位 m。 当目标向着激光雷达运动时0v，回波信号频率提高也就是激光雷达与被测目标的距离减小； 反之0v，回波信号的频率降低，激光雷达与被测目标距离增大。所以只要能够测量出多普勒频 移 d f，就可以确定目标与激光雷达的相对速度。对于车载激光雷达，就可以根据自身车速推算出 被测目标的速度。 数据采集 剔除粗差 滤波 分割 面片组合城市地物