剖析激光雷達(dá)測(cè)距能力測(cè)試原理

來(lái)源 | 光電資訊

激光雷達(dá)是一種通過(guò)發(fā)射激光束來(lái)檢測(cè)目標(biāo)位置，在進(jìn)行各種處理后獲得目標(biāo)信息的雷達(dá)裝置。激光雷達(dá)系統(tǒng)所采用的技術(shù)手段是光電探測(cè)技術(shù)，它是一種主動(dòng)探測(cè)技術(shù)，能夠準(zhǔn)確、快速地獲取目標(biāo)的三維信息，并且具有良好的指向性，抗干擾性強(qiáng)，測(cè)距精度高。

直接表現(xiàn)激光雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)距性能的是其中系統(tǒng)級(jí)指標(biāo)，測(cè)距能力反映在指標(biāo)上表現(xiàn)為max測(cè)程與測(cè)距精度。保證系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)指標(biāo)與接收機(jī)指標(biāo)為保證測(cè)距系統(tǒng)的性能提供了基礎(chǔ)，探測(cè)概率與虛警率反映了測(cè)距系統(tǒng)的探測(cè)能力。

max測(cè)程由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GJB2241A-2008《脈沖激光測(cè)距儀性能試驗(yàn)方法》定義，是脈沖激光測(cè)距儀在規(guī)定的環(huán)境和準(zhǔn)測(cè)率等條件下，對(duì)規(guī)定目標(biāo)測(cè)距時(shí)能測(cè)到的max遠(yuǎn)距離。

max測(cè)程反映了脈沖激光雷達(dá)理論上的max測(cè)量范圍，是激光雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)。由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的定義可知，max測(cè)程與測(cè)試環(huán)境密切相關(guān)。

脈沖激光測(cè)距儀出射的激光脈沖在大氣中傳輸，由于大氣對(duì)光具有散射、吸收、折射等作用，激光脈沖能量在傳輸過(guò)程中受到衰減，影響激光雷達(dá)接收系統(tǒng)接收到的回波脈沖的功率。

傳輸距離越遠(yuǎn)，衰減越嚴(yán)重，接收的激光回波功率越弱，直到接收系統(tǒng)接收不到回波信號(hào)，無(wú)法獲得測(cè)程。因此max測(cè)程與回波功率有關(guān)。

激光回波功率與激光雷達(dá)作用距離有關(guān)，設(shè)大氣單程總透過(guò)率為；R為激光雷達(dá)系統(tǒng)與目標(biāo)表面間的距離即測(cè)程；為激光雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的光透過(guò)率；為激光雷達(dá)系統(tǒng)接收光學(xué)系統(tǒng)的光透過(guò)率；為接收機(jī)對(duì)目標(biāo)表面反射回波的有效接收面積；為目標(biāo)的反射率；為激光雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射功率，為激光發(fā)射光束的發(fā)散角，需要確保接收視場(chǎng)角在激光發(fā)散角內(nèi)，以確保接收系統(tǒng)能夠接收回波信號(hào)。

激光回波功率與測(cè)程R之間的關(guān)系式為：

由上式可得，當(dāng)測(cè)程在不斷增加時(shí)，接收系統(tǒng)接收的激光回波功率在減小，直至無(wú)法探測(cè)到回波，此時(shí)的回波功率是激光雷達(dá)系統(tǒng)探測(cè)能力的臨界點(diǎn)，

稱為激光雷達(dá)系統(tǒng)的min可探測(cè)功率，對(duì)應(yīng)測(cè)程即為max測(cè)程。當(dāng)激光雷達(dá)系統(tǒng)確定后，發(fā)射系統(tǒng)的激光器也隨著確定，其發(fā)射脈沖的功率是被標(biāo)定的。

測(cè)距精度在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GJB2241A-2008 中也有定義，為脈沖激光測(cè)距儀進(jìn)行測(cè)距時(shí)能夠達(dá)到的min分辨距離。

脈沖激光雷達(dá)測(cè)距是利用激光主回波之間的飛行時(shí)間，利用下面的公式測(cè)量出激光傳輸距離的。R表示待測(cè)距離，C表示光速，表示光脈沖在測(cè)線上往返傳輸所需要的時(shí)間，即認(rèn)為這段時(shí)間內(nèi)激光傳輸了兩倍距離值。

在同一測(cè)距條件下，激光脈沖的不穩(wěn)定性會(huì)引起主波取樣時(shí)刻與回波觸發(fā)點(diǎn)時(shí)間變化，從而帶來(lái)測(cè)距誤差，測(cè)距精度就是通常意義上的測(cè)距誤差。脈沖激光雷達(dá)系統(tǒng)的測(cè)距精度與測(cè)距信號(hào)的信噪比相關(guān)，具體表現(xiàn)為信噪比越高，測(cè)距精度也就越高。

對(duì)于一具確定的激光雷達(dá)系統(tǒng)而言，其測(cè)距能力是確定的，測(cè)距精度的誤差就可以采取測(cè)試標(biāo)校的方案予以修正，為了測(cè)試并標(biāo)定激光雷達(dá)系統(tǒng)的測(cè)距精度，需要使用不同的邏輯組合進(jìn)行多次測(cè)量，用實(shí)際測(cè)試距離值與仿真距離值比較，解算測(cè)距精度。

具體用公式表示如下：

在上面的這個(gè)公式中，為仿真距離值，為實(shí)際測(cè)試距離值。在使用光電-電光轉(zhuǎn)換法的測(cè)試方法中，脈沖激光雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射的激光脈沖在測(cè)試系統(tǒng)中使用其走過(guò)的光程來(lái)模擬激光雷達(dá)系統(tǒng)與測(cè)得的目標(biāo)地表之間的距離，通過(guò)光衰減、電延時(shí)等途徑實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)目標(biāo)反射回波的模擬。

通過(guò)對(duì)光程值的調(diào)整即可實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試距離的調(diào)整。激光雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)的精度通過(guò)多次測(cè)量之后，求取統(tǒng)計(jì)值得到。

仿真距離的精度應(yīng)遠(yuǎn)高于激光雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)距精度，如此才能對(duì)需要測(cè)試標(biāo)定的激光雷達(dá)系統(tǒng)的測(cè)距精度進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)判。

如果被測(cè)激光雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)距精度為1m，仿真距離值的距離分辨率應(yīng)具有 cm 級(jí)乃至 mm 級(jí)的距離分辨率，遠(yuǎn)高于 m 級(jí)。

—版權(quán)聲明—

僅用于學(xué)術(shù)分享，版權(quán)屬于原作者。

若有侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系刪除或修改！

編輯：jq