激光雷达测距原理与其应用

-目录摘要…………………………………………………………………………………1关键词………………………………………………………………………………1Abstract……………………………………………………………………………1Keywords…………………………………………………………………………1引言…………………………………………………………………………………11雷达与激光雷达系统……………………………………………………………22激光雷达测距方程研究……………………………………………………32.1测距方程公式……………………………………………………………32.2发射器特性………………………………………………………………42.3大气传输…………………………………………………………………52.4激光目标截面……………………………………………………………52.5接收器特性………………………………………………………………62.6噪声中信号探测…………………………………………………………63伪随机m序列在激光测距雷达中的应用………………………………………73.1测距原理…………………………………………………………………………73.2m序列相关积累增益……………………………………………………………83.3m序列测距精度…………………………………………………………………84脉冲激光测距机测距误差的理论分析…………………………………………94.1脉冲激光测距机原理……………………………………………………………94.2测距误差简要分析……………………………………………………………105激光雷达在移动机器人等其它方面中的应用…………………………………106结束语……………………………………………………………………………11致谢………………………………………………………………………………12参考文献…………………………………………………………………………12激光雷达测距原理与其应用摘要:本文简单介绍激光雷达系统组成，激光雷达系统与普通雷达系统性能的对比，着重阐述激光雷达测距方程的研究。针对激光远程测距中的微弱信号检测，介绍一种基于m序列的激光测距方法，给出了基于高速数字信号处理器的激光测距雷达数字信号处理系统的实现方案，并理论分析了脉冲激光测距机的测距误差。了解并学习激光雷达在移动机器人等其它方面中的应用。关键词：激光雷达；发射器和接收器特性;伪随机序列;脉冲激光；测距误差ApplicationsandPrinciplesoflaserradarrangingStudentmajoringinOpticalInformationScienceandTechnologyRenxiaonanTutorShanglianjuAbstract:Thispaperbrieflydescribesthecompositionoflaserradarsystems,laserradarsystemandradarsystemperformancecomparisonofnormal,focusingonthelaserradarrangeequation.LaserRangingforremotesignaldetection,presentsaintroductionofasequencebasedonlaserrangingmethodm,givesthehigh-speeddigitalsignalprocessor-basedlaserrangingradardigitalsignalprocessingsystemimplementations,andtheoreticalanalysisofthepulseLaserrangefinderrangeerror.WeunderstandandlearnapplicationofLaserradarinthemobilerobotandotheraspects.Keywords：Laserradar;Transmitterandreceivercharacteristics；Pseudo-randomsequence；Pulsedlaser；Rangingerror.引言：激光雷达是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物，激光具有亮度高、单色性好、射束窄等优点,成为光雷达的理想光源,因而它是目前激光应用主要的研究领域之一。激光雷达是一项正在迅速发展的高新技术，激光雷达技术从最简单的激光测距技术开始，逐步发展了激光跟踪、激光测速、激光扫描成像、激光多普勒成像等技术，使激光雷达成为一类具有多种功能的系统。利用激光作为遥感设备可追溯到30多年以前，从20世纪60年代到70年代，人们进行了多项试验，结果都显示了利用激光进行遥感的巨大潜力，其中包括激光测月和卫星激光测距。激光雷达测量技术是一门新兴技术，在地球科学和行星科学领域有着广泛的应用.LiDAR(LightLaserDetectionandRanging)是激光探测及测距系统的简称，通常指机载对地激光测距技术，对地激光测距的主要目标是获取地质、地形、地貌以及土地利用状况等地表信息。相对于其他遥感技术，LIDAR的相关研究是一个非常新的领域，不论是在提高LIDAR数据精度及质量方面还是在丰富LIDAR数据应用技术方面的研究都相当活跃。随着LIDAR传感器的不断进步，地表采点密度的逐步提高，单束激光可收回波数目的增多，LIDAR数据将提供更为丰富的地表和地物信息。激光测距可分为星载(卫星搭载)、机载(飞机搭载)、车载(汽车搭载)以及定位(定点测量)四大类，目前激光测距仪已投入使用,激光雷达正处在试验阶段,某些激光雷达已付诸实用.本文对激光雷达的测距原理、发射器和接收器特性、束宽、大气传输以及目标截面、外差效率进行分析,提出基于伪随机序列的激光测距技术,可将激光雷达的峰值发射功率降到几十毫瓦，并着重研究为消除激光测距雷达固有的测距周期性问题而对距离加偏置值、为降低坐标变换误差而对距离进行校正等问题.1雷达与激光雷达系统雷达概念形成于20世纪初，是英文radar的音译，为RadioDetectionAndRanging的缩写，意为无线电检测和测距的电子设备，发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率（径向速度）、方位、高度等信息。各种雷达的具体用途和结构不尽相同，但基本形式是一致的，包括:发射机、发射天线、接收机、接收天线，处理部分以及显示器。还有电源设备、数据录取设备、抗干扰设备等辅助设备。雷达所起的作用和眼睛和耳朵相似，它的信息载体是无线电波即电磁波，传播的速度是光速C，其原理是雷达设备的发射机通过天线把电磁波能量射向空间某一方向，处在此方向上的物体反射碰到的电磁波；雷达天线接收此反射波，送至接收设备进行处理，提取有关该物体的某些信息(目标物体至雷达的距离，距离变化率或径向速度、方位、高度等)。测量距离实际是测量发射脉冲与回波脉冲之间的时间差，因电磁波以光速传播，据此就能换算成目标的精确距离。雷达的优点是白天黑夜均能探测远距离的目标，且不受雾、云和雨的阻挡，具有全天候、全天时的特点，并有一定的穿透能力。因此，它不仅成为军事上必不可少的电子装备，而且广泛应用于社会经济发展(如气象预报、资源探测、环境监测等)和科学研究（天体研究、大气物理等)。LiDAR(LightDetectionandRanging)，是激光探测及测距系统的简称。激光器将电脉冲变成光脉冲发射出去，光接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲，送到显示器。用激光器作为发射光源，采用光电探测技术手段的主动遥感设备。激光雷达是激光技术与现代光电探测技术结合的先进探测方式，由发射系统、接收系统、信息处理等部分组成。发射系统是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器以及光学扩束单元等组成；接收系统采用望远镜和各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等组合。激光雷达是工作于光波段的新型雷达系统，目前,激光雷达可以采用0.53μm、0.63μm、0.8～0.9μm、1.06μm、1.54μm、2μm和10.6μm等7个波长段,它与微波和毫米波雷达相比,具有以下独特优势(1)工作频率高、波长短;(2)距离、速度和角位置测量精度高;(3)体积小、重量轻、机动灵活,利于机载和航天器载。“激光雷达系统将激光用于回波测距、定向，并通过位置、径向速度及物体反射特性识别目标，体现了特殊的发射、扫描、接收和信号处理技术，激光雷达是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物。激光雷达之所以受到关注，是因为其具有一系列独特的优点：具有极高的角分辨率、具有极高的距离分辨率、速度分辨率高、测速范围广、能获得目标的多种图像、抗干扰能力强、比微波雷达的体积和重量小等。但是，激光雷达的技术难度很高，至今尚未成熟，而且在恶劣天气时性能下降，使其应用受到一定的限制。相对于其他遥感技术，LIDAR的相关研究是一个非常新的领域，不论是在提高LIDAR数据精度及质量方面还是在丰富LIDAR数据应用技术方面的研究都相当活跃。与遥感影像技术不同的是，LIDAR系统可以迅速地获取地表及地表上相应地物(树木、建筑、地表等)的三维地理坐标信息，它的三维特性符合当今数字地球的主流研究需求，随着LIDAR传感器的不断进步，地表采点密度的逐步提高，单束激光可收回波数目的增多，LIDAR数据将提供更为丰富的地表和地物信息。对LIDAR所采集到的地表三维点集进行过滤、插值、分类、分割等处理，可获取各类高精度的三维数字地面模型，还可对地表地物进行分类识别并实现地表地物如树木、建筑等的三维数字重构，乃至绘制三维森林、三维城市模型，构建虚拟现实。激光具有亮度高、单色性好、射束窄等优点，激光本身具有非常精确的测距能力，其测距精度可达几个厘米，而LIDAR系统的精确度除了激光本身因素，还取决于激光、GPS及惯性测量单元(IMU)三者同步等内在因素。激光雷达工作原理与常规雷达大体相同。图1示典型单基地外差或相干探测的激光雷达框图。从图看出,激光雷达的制作工艺相当复杂。它是把待发激光先送入发/收(T/R)转换开关并用同一窗口发射,发/收和瞄准光路平行对目标扫描;从目标返回的光信号由扫描光学系统和光束扩展器接收,这两部分组成光接收器;T/R转换开关将接收到的光信号送入混频器与本振器的基准光信号混频,再经成像光学系统聚焦在探测器上进行放大并转换成电信号;然后经高通滤波器滤除背景和本振低频信号;激光雷达所测目标距离和速度信息则由信号处理器提取。双基地激光雷达则由分离的光束扩展器和扫描光学系统组成接收器,省掉了T/R转换开关,其它与单基地激光雷达完全相同。2激光雷达测距方程研究【1】【7】2.1测距方程公式单基地和双基地激光雷达测距方程的通用公式为：211r2r222124P()()()44SAAKPTDTRR(1)式中:SP为激光发射功率(W);K为光束分布函数;1AT为发射器到目标的大气透射率;1为发射器光学系统效率;φ为束宽或发散度(rad);1R为发射器到目标距离(m);为目标激光截面(m²);2AT为目标到接收器大气透射率;2R为目标到接收器距离(m);D为接收窗口径(m);r为接收器光学系统效率;rP为接收功率(W)。激光雷达是微波雷混频器激光发射器光束成形光学系统发射/接收转换开关光束扩展器扫描光学系统目标本机激光器成像光学系统光灵敏探测器高速电子滤波器信号处理器数据处理器图1典型外差或相干探测激光雷达组成框图达的发展,测距原理相同。不同之处是微波波长和束宽远大于激光,瞄准误差的影响很小;而激光雷达则相反。为便于比较,所示微波雷达的通用测距方程为:212r2212P()()()444tSAtrAGPTDTRR式中:tG为发射器天线增益,其中tG=16K／2o。在外大气层或大气衰