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一文讀懂LiDAR激光雷達(dá)傳感器(全網(wǎng)最全知識(shí))

傳感器專家網(wǎng) ? 來源:新機(jī)器視覺、傳感器專家 ? 作者:新機(jī)器視覺、傳感 ? 2022-11-29 01:16 ? 次閱讀

LiDAR傳感器(一)-概述

LiDAR(light detection and ranging)激光雷達(dá)是一種非接觸式探測(cè)和測(cè)距方法。該技術(shù)通過發(fā)射光脈沖擊中附近物體后測(cè)量反射回波信號(hào)的特性來精確地計(jì)算每個(gè)物體的距離。LiDAR傳感器可以用作點(diǎn)狀距離測(cè)量系統(tǒng),用來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的距離測(cè)量(一維結(jié)果);也可以讓測(cè)量光束在某一平面上旋轉(zhuǎn)或者移動(dòng),用來獲得距離和角度數(shù)據(jù),從而提供測(cè)量目標(biāo)的二維結(jié)果;也可以通過采用多個(gè)傳感器,形成同時(shí)掃描多個(gè)層面的傳感器陣列,從而測(cè)得X,Y,Z的點(diǎn)云數(shù)據(jù)(三維結(jié)果)。

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LiDAR被廣泛應(yīng)用在地形建模(例如:立體制圖、采礦、林業(yè)、考古學(xué)、地形測(cè)量),近年來Lidar也被應(yīng)用在無人駕駛以及消費(fèi)電子中。

LiDAR在地形建模上的應(yīng)用

LiDAR系統(tǒng)根據(jù)載體的不同,分為星載、機(jī)載和地面三種模式。

其中,星載和機(jī)載LiDAR多用于中、小比例尺地形測(cè)量,如1:50000、1:100000等地形圖繪制等。

機(jī)載LiDAR系統(tǒng)沿航線采集地面點(diǎn)三維數(shù)據(jù)之后,可生成LiDAR數(shù)據(jù)影像和地面高程模型。在不同的實(shí)地條件下, LiDAR系統(tǒng)的平面精度可達(dá)到0.15 至1米,高程精度可達(dá)到0.1米,間隔可達(dá)到2-12米。機(jī)載LiDAR可應(yīng)用于快速獲取大范圍林業(yè)信息,如樹木定位、樹高計(jì)算等;也能夠應(yīng)用于礦業(yè)領(lǐng)域,快速獲取礦山的復(fù)雜表面和高危區(qū)域的空間三位信息,為礦山地形測(cè)量和數(shù)字礦山的建設(shè)提供了新的技術(shù)手段。

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2003年,NASA根據(jù)早先提出的采用星載激光雷達(dá)測(cè)量?jī)蓸O地區(qū)冰面變化的計(jì)劃,正式將地學(xué)激光測(cè)高儀列入地球觀測(cè)系統(tǒng)中,并將其搭載在冰體、云量和陸地高度監(jiān)測(cè)衛(wèi)星上發(fā)射升空運(yùn)行。 而地面LiDAR適合更精細(xì)、更高精度的復(fù)雜地物量測(cè),如古建筑的三維城市建模、復(fù)雜場(chǎng)館測(cè)量等。

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LiDAR在消費(fèi)電子中的應(yīng)用

LiDAR在消費(fèi)電子中的應(yīng)用主要分為以下三部分。

AR應(yīng)用:憑借激光雷達(dá)快速測(cè)距特性,可讓設(shè)備快速進(jìn)入AR應(yīng)用環(huán)境,減少等待時(shí)間;同時(shí)由于激光雷達(dá)更精準(zhǔn)的測(cè)距表現(xiàn),可以讓AR應(yīng)用虛實(shí)結(jié)合更逼真,提供更良好的遮擋表現(xiàn)等等;

優(yōu)化拍照:由于可以測(cè)量環(huán)境距離,就可提升低光環(huán)境的自動(dòng)對(duì)焦速度。

3D掃描:基于高精度測(cè)距,可以呈現(xiàn)細(xì)節(jié)更良好的3D掃描效果。搭載有LiDAR的智能手機(jī)和平板電腦成為3D掃描的工具,比如用于家庭布局的掃描從而對(duì)家庭裝修做出優(yōu)化,或者將掃描的風(fēng)景應(yīng)用于社交媒體或者新聞業(yè)領(lǐng)域。

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LiDAR在自動(dòng)駕駛中的應(yīng)用

在環(huán)境感知中,每一種傳感器都有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。例如,毫米波雷達(dá)可靠性高,可以探測(cè)物體距離與速度,不受天氣影響可全天候全天時(shí)工作,但分辨率不高,不能區(qū)分人和物;而攝像頭很高的分辨率,能夠識(shí)別顏色和字體,有助于檢測(cè)道路標(biāo)志、交通信號(hào)燈以及行人,但受黑夜、強(qiáng)光影響較大;激光雷達(dá)則能夠提供三維感知信息,對(duì)環(huán)境的重構(gòu)能力強(qiáng),可進(jìn)行實(shí)時(shí)定位和高精度障礙物的分類和檢測(cè),但受天氣環(huán)境影響大。這三種傳感器各有優(yōu)劣,既難以互相替代,又缺一不可。隨著自動(dòng)駕駛不斷向更高智能化、自動(dòng)化等級(jí)發(fā)展,集成在汽車上傳感器數(shù)量和種類將不斷增加,業(yè)界普遍認(rèn)為“傳感器融合(sensor fusion)”可顯著提高系統(tǒng)的冗余度和容錯(cuò)性,從而保證決策的快速性和正確性,是實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化駕駛安全性的關(guān)鍵。

LiDAR傳感器(二)-構(gòu)成

LiDAR(light detection and ranging)激光雷達(dá)是一種非接觸式探測(cè)和測(cè)距方法。該技術(shù)通過發(fā)射光脈沖擊中附近物體后測(cè)量反射回波信號(hào)的特性來精確地計(jì)算每個(gè)物體的距離。它是由以下部件組成的傳感器系統(tǒng);激光器(laser)發(fā)出特定波長(zhǎng)的激光,經(jīng)過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(scanning)實(shí)現(xiàn)區(qū)域的快速掃描,反射回來的激光經(jīng)過濾光片(spatial & spectral filter)濾除環(huán)境干擾,最終通過光電檢測(cè)器(photodetector)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成易測(cè)量的電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。

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LiDAR一般由以下幾個(gè)部分構(gòu)成

激光器(Laser)

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(scanning)

濾光片(spatial & spectral filter)

光電檢測(cè)器(photodetector)

1. 激光器(laser)

激光器是激光雷達(dá)中的激光發(fā)射裝置。常用的激光器有以下三種類型

激光二極管是常用的激光源,其結(jié)構(gòu)緊湊,通常情況下其發(fā)出的波長(zhǎng)為905nm。激光二極管通常用在激光測(cè)距儀中,但是由于其發(fā)射能量有限,采用此激光器的LiDAR的測(cè)試范圍為幾百米。

光纖激光器在近紅外區(qū)可以產(chǎn)生1064nm(鐿)和1550nm(鉺)的激光,光纖激光器結(jié)構(gòu)緊湊而且發(fā)射能量比激光二極管更高,可達(dá)到幾百微焦。

Nd:YAG晶體激光器可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高發(fā)射能量(幾毫焦)和短的脈沖時(shí)間(ns級(jí)),非常適合用于dTOF的長(zhǎng)距離測(cè)量。最常見的發(fā)射頻率對(duì)應(yīng)的激光波長(zhǎng)為1064nm,也可以將頻率翻倍(2倍或3倍)來得到532nm(可見光)波長(zhǎng)的激光和355nm(UV)波長(zhǎng)的激光。不過,此類激光器的體積會(huì)更大而且必須有主動(dòng)散熱的器件。

Technology Wavelength Energy
repetition frequency Pulse duration
激光二極管 905nm <10μJ several KHz 30-200ns
Er光纖激光器 1550nm <400μJ several 10 KHZ 5-100ns
Yb光纖激光器 1064nm <200μJ several 10 KHZ 5-100ns
DPSS Nd:YAG 1064,532,355nm <60,30,10mJ <100HZ 5-10ns

激光器的選擇需根據(jù)使用場(chǎng)景來選擇,例如用于林業(yè)探測(cè)的機(jī)載Lidar,發(fā)射波長(zhǎng)的選擇取決于大氣透射率以及植被反射率;而測(cè)深測(cè)繪通常采用藍(lán)綠色波長(zhǎng)的激光,該波長(zhǎng)對(duì)水的穿透性有利于準(zhǔn)確的測(cè)量。同時(shí)還需要考慮整體裝置緊湊性、穩(wěn)定性、發(fā)射能量、人眼安全性等方面的要求。

在林業(yè)測(cè)量領(lǐng)域,從energy link budget(確定的發(fā)射能量下,收到的信號(hào)的能量大小)考慮,由于大氣的散射率以及植物對(duì)光的吸收率都和波長(zhǎng)強(qiáng)相關(guān),近紅外的波長(zhǎng)比UV波長(zhǎng)的光更有優(yōu)勢(shì)。

在LiDAR使用過程中,太陽光或者其他熱輻射也會(huì)直接或通過散射進(jìn)入激光檢測(cè)器,形成背景噪聲。環(huán)境熱輻射在近紅外區(qū)的占比很低,因此1550nm的激光器受背景噪聲的干擾最小。

EN 60825-1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了眼睛允許的極限激光輻射值,該值隨波長(zhǎng)的變化而變化。波長(zhǎng)在310nm至400nm,以及高于1400nm時(shí),眼睛能承受的最大激光輻射值更高。

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2.旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(sacnning)

為了對(duì)大范圍區(qū)域進(jìn)行迅速的激光掃描,通常需要使用旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)來改變激光的測(cè)量方向。最終得到的點(diǎn)云密度和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)速度以及激光器的repetition frequency有關(guān)。

不同的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)得到的點(diǎn)云掃描軌跡也不一樣。以機(jī)載LiDAR為例,簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)鏡或者是擺動(dòng)鏡無法得到均勻的點(diǎn)云掃描軌跡,而旋轉(zhuǎn)多面鏡和兩軸鏡可以得到均勻的點(diǎn)云掃描軌跡。

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3.濾光片(spatial & spectral filter)

由于白天環(huán)境光在全波長(zhǎng)范圍內(nèi)均會(huì)產(chǎn)生背景噪聲,可以通過濾光片在空間和波長(zhǎng)上對(duì)背景噪聲進(jìn)行濾除。

spatial filter可將后續(xù)激光檢測(cè)器的視場(chǎng)精確地限制在激光束行進(jìn)的空間內(nèi)。

spectral filter用來約束進(jìn)入激光檢測(cè)器的光的帶寬,從而濾除背景噪聲,spectral filter的帶寬一般在0.5-10nm的范圍內(nèi)。當(dāng)入射光線不是垂直入射spectral filter時(shí)(設(shè)定垂直入射時(shí)θ=0),由于偏移角度的影響,波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生偏移,λc,θ=λc,θ * cosθ。由于可通過濾光片的波長(zhǎng)帶寬有限,因此濾光片的入射角度會(huì)有限制,角度限制為Δθ=2(Δλ/λc);Δλ為濾光片的帶寬。例如;1nm帶寬的近紅外(1064nm)濾光片,入射角度變化只允許在±1.5°。

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4. 光電檢測(cè)器(photodetector)

激光檢測(cè)器檢測(cè)從目標(biāo)物體反射回來的激光脈沖,將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成易測(cè)量的電信號(hào)。

不論是雪崩光電二極管(檢測(cè)近紅外波長(zhǎng)),還是光電倍增管(檢測(cè)可見光/UV光),都會(huì)通過放大器放大信號(hào)(每入射一個(gè)光子,可以產(chǎn)生10-10000個(gè)電子)。需要用放大器放大信號(hào)的原因是避免太小的模擬信號(hào)在后續(xù)的ADC轉(zhuǎn)化過程中淹沒在了量化噪聲中。

光電檢測(cè)器的選型也會(huì)影響LiDAR的空間分辨率,當(dāng)光電檢測(cè)器需要的檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)時(shí),空間分辨率會(huì)降低。

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總結(jié)如下:

component 作用 備注
Laser 發(fā)射激光 不同的應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)選擇不同的激光波長(zhǎng)(環(huán)境對(duì)于光的吸收率和波長(zhǎng)有關(guān),環(huán)境熱輻射的分布和波長(zhǎng)有關(guān),人眼能承受的最大激光能量和波長(zhǎng)有關(guān))
不同的應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)選擇不同發(fā)射能量的激光器
不同的激光器的尺寸大小不一樣,有些激光器需要主動(dòng)散熱裝置
不同激光器的repetition frequecy會(huì)影響點(diǎn)云密度,即空間分辨率
Scanning 完成對(duì)整個(gè)區(qū)域的快速掃描 不同的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)獲得的點(diǎn)云掃描軌跡不一樣
Filter 濾除環(huán)境帶來的背景噪聲 spectral filter允許的入射角度和其帶寬有關(guān)
Photodetector 將反射回來的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為易測(cè)量的電信號(hào) 需要放大器放大信號(hào),避免在ADC轉(zhuǎn)化過程中信號(hào)淹沒在量化噪聲中
會(huì)影響LiDAR的空間分辨率

LiDAR傳感器(三)-原理

LiDAR(light detection and ranging)激光雷達(dá)是一種非接觸式探測(cè)和測(cè)距方法。該技術(shù)通過發(fā)射光脈沖擊中附近物體后測(cè)量反射回波信號(hào)的特性來精確地計(jì)算每個(gè)物體的距離。其測(cè)距原理可分為以下三大類

三角測(cè)距法

dTOF測(cè)距法

iTOF測(cè)距法

1. 三角測(cè)距法

激光器發(fā)射激光,在照射到被測(cè)物體上后,發(fā)射回來的光線被CCD接收,按照光學(xué)路徑,不同距離的被測(cè)物體將會(huì)成像在CCD上的不同位置。按照相似三角形的公式計(jì)算,即可得到被測(cè)物體的距離。

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上圖中A為激光器,O為被測(cè)物體,B為接收透鏡,f為接收透鏡和CCD之間的間距,L為發(fā)射透鏡光路光軸和接收透鏡主光軸之間的偏移,X為在接收CCD上的位置偏移。

距離D=f*(L/X)

三角法測(cè)距的分辨率可以通過下面的公式推導(dǎo):

當(dāng)CCD的感應(yīng)分辨率為δX=X1-X2時(shí),測(cè)距分辨率為

δD=D2-D1=f*(L/X2)-f(L/X1)=f*L(X1-X2)/X1/X2

由于X1和X2的差值很小

δD≈f*L*δX/(X^2)

由于D=f*(L/X),即X=f*L/D

δD≈f*L*δX/(X^2)=D^2*δX/(fL)

測(cè)距分辨率隨著距離的增加成二次指數(shù)形式惡化,因此三角法測(cè)距對(duì)遠(yuǎn)距離的測(cè)距精度較差。故三角法測(cè)距的LiDAR在標(biāo)準(zhǔn)精度時(shí)往往采用百分比進(jìn)行標(biāo)注(如1%,即為在20m的測(cè)量距離時(shí)最大誤差為20cm)

2.dTOF測(cè)距法

dTOF(direct Time-of-Flight)測(cè)距的核心原理是激光器對(duì)被測(cè)物體發(fā)射一束時(shí)間極短的激光,通過直接測(cè)量激光發(fā)出,達(dá)到被測(cè)物體再返回到光電探測(cè)器的飛行時(shí)間,來計(jì)算被測(cè)物體的距離。

由于光的速度極快,因此該方案需要一個(gè)高精度的時(shí)鐘電路(通常是ps級(jí))和脈沖時(shí)間極端的激光發(fā)射源(通常為ns級(jí))。

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測(cè)距開始時(shí),脈沖驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)激光器發(fā)射一個(gè)持續(xù)時(shí)間極端但瞬時(shí)功率非常高的光脈沖,同時(shí)計(jì)時(shí)單元啟動(dòng)計(jì)時(shí);光脈沖經(jīng)發(fā)射電路發(fā)出后,達(dá)到被測(cè)物體表面并向各方向散射;接收光路收到部分散射的光,通過光電器件將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào),輸送給回波信號(hào)處理電路;回波信號(hào)處理電路將光電流轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào),用于觸發(fā)計(jì)時(shí)單元停止計(jì)時(shí)。即可得到激光飛行時(shí)間T,從而計(jì)算出被測(cè)物體的距離:

D=cT/2, c為光速

dTOF LiDAR的原理為計(jì)算飛行時(shí)間,時(shí)間測(cè)量精度并不會(huì)隨著測(cè)量距離的增減而有明顯的變化,因此大多數(shù)dTOF雷達(dá)在幾十米的測(cè)量范圍內(nèi)都能保持厘米級(jí)的精度。

dTOF還可以通過在單次測(cè)量時(shí)間內(nèi)發(fā)射和接收N次光信號(hào),然后對(duì)記錄的N次飛行時(shí)間做直方圖統(tǒng)計(jì),用其中出現(xiàn)頻率最高的飛行時(shí)間來計(jì)算被測(cè)物體的距離,從而來減小測(cè)量誤差。

對(duì)于dTOF而言,當(dāng)測(cè)量距離較遠(yuǎn)時(shí),光飛行一個(gè)來回的時(shí)間如果超過了兩次連續(xù)發(fā)射脈沖的間隔,傳感器在發(fā)射第二個(gè)測(cè)量信號(hào)后,才會(huì)接收到第一個(gè)測(cè)量信號(hào)的反射波,就會(huì)把該反射波誤認(rèn)為是第二個(gè)測(cè)量信號(hào)的近距離反射波,這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)相位模糊現(xiàn)象。在測(cè)量遠(yuǎn)距離物體時(shí),可以減少測(cè)量次數(shù),適當(dāng)增加兩次測(cè)量之間的間隔,從而避免相位模糊的問題。但是,減少測(cè)量次數(shù)會(huì)同時(shí)降低測(cè)量精度,相當(dāng)于用精度換取有效探測(cè)距離。

dTOF除了對(duì)時(shí)鐘電路以及激光源有著非常高的要求,對(duì)回波產(chǎn)生的脈沖信號(hào)的精度也有很高的要求(普通的光電二極管難以滿足這樣的要求,滿足要求的SPAD-signal photo avalanche diode的生產(chǎn)制作工藝復(fù)雜)。因此有更多的廠商在研究推廣iTOF。

3. iTOF測(cè)距法 3.1 調(diào)幅法

iTOF(indirect Time-of-Flight)測(cè)距中常用的方法為相位式激光測(cè)距。

相位測(cè)距是將發(fā)射的連續(xù)的激光進(jìn)行幅度調(diào)制(調(diào)制光的光強(qiáng)隨時(shí)間做周期性變化),被測(cè)量物體發(fā)射后,激光產(chǎn)生相位變化。根據(jù)相位差可以間接的測(cè)量時(shí)間和距離,比dTOF直接測(cè)量時(shí)間所需的器件要求有所降低,信號(hào)處理難度也降低了很多。

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檢測(cè)出接收波和發(fā)射波之間的相位變化?后,即可得到被測(cè)物體的距離D

D=?*C*T/2π

C:光速

T:調(diào)制信號(hào)的周期時(shí)間

在實(shí)際的單一頻率測(cè)量中,只能分辨相位小于2π部分而無法得到超過一個(gè)周期的測(cè)距值。所以,在測(cè)量時(shí)需要根據(jù)最大的測(cè)量量程來選擇調(diào)制頻率,例如當(dāng)選擇調(diào)制的信號(hào)頻率為100KHz時(shí),所對(duì)應(yīng)的測(cè)量量程就是1500m。

當(dāng)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)測(cè)相位分辨率一定時(shí),距離的分辨率δD=Δ?*C*T/2π,即選擇的頻率越大,所得到的距離分辨率就越高。所以在單一調(diào)制頻率下,大量程和高精度是不能同時(shí)滿足的。

低頻調(diào)制對(duì)應(yīng)于遠(yuǎn)距離的測(cè)量,但是精度較差;而對(duì)于高頻調(diào)制對(duì)應(yīng)于近距離測(cè)量,精度較好。因此,高低頻復(fù)用既可以用于探測(cè)遠(yuǎn)距離,也可以得到較好精度。如下圖所示,可以使用幾個(gè)不同的調(diào)制頻率去確認(rèn)哪個(gè)距離才是真實(shí)的距離,這種方法低調(diào)制頻率的部分可以提供無歧義的距離估計(jì),而高調(diào)制頻率的部分可以提供更高的精度,兼顧了測(cè)量距離和測(cè)量精度的需求。

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由于相位式測(cè)距發(fā)射的激光為連續(xù)波,這使得它的平均功率遠(yuǎn)低于脈沖激光的峰值功率,因而無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離目標(biāo)的探測(cè),通常適用于中短距離的測(cè)量,測(cè)量精度可達(dá)毫米、微米級(jí)。

相位法激光測(cè)距的精度主要取決于相位測(cè)量的精度,目前的相位測(cè)量主要基于數(shù)字DSP實(shí)現(xiàn),即不是鑒別單一時(shí)刻的相位,而是通過FFT(傅里葉變換)去鑒別兩端信號(hào)的相位,這樣可以充分抑制噪聲的影響,提高相位測(cè)量精度。

3.2 調(diào)頻法

除了調(diào)幅(AMCW)式LiDAR,在汽車領(lǐng)域經(jīng)常使用調(diào)頻(FMCW)LiDAR進(jìn)行距離和速度的測(cè)量。

下圖為頻率調(diào)制的連續(xù)波雷達(dá),第一個(gè)是時(shí)域信號(hào),第二個(gè)是頻率信號(hào),可以看出調(diào)頻信號(hào)的頻率和信號(hào)的持續(xù)時(shí)間Tc是呈線性關(guān)系,因此這樣的調(diào)頻連續(xù)波又稱為線性調(diào)頻連續(xù)波(LFMCW)。

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上圖中B為帶寬(bandwidth:信號(hào)連續(xù)頻帶中最高和最低頻率之間的差值),Tc為信號(hào)持續(xù)時(shí)間,S為信號(hào)斜率(S=B/Tc)。

調(diào)頻LiDAR的基本原理如下圖所示,發(fā)射信號(hào)和回波信號(hào)之間的頻率差稱之為中頻信號(hào)IF(intermediate frequency),這里的中頻信號(hào)是一條直線,表示頻率單一,測(cè)量目標(biāo)的距離不一樣,返回的時(shí)間也就不一樣,因此中頻信號(hào)的平呂也就不一樣。所以可以說距離和中頻信號(hào)是成正比相關(guān)的。

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測(cè)量的距離D可通過下述公式計(jì)算出

D=c*τ/2

中頻信號(hào)的頻率 fc=S*τ=B*τ/Tc

D=fc*c*Tc/2B

其中c為光速,fc為中頻信號(hào)頻率,Tc為信號(hào)持續(xù)時(shí)間,B為帶寬。

由于中頻信號(hào)還是模擬信號(hào),要進(jìn)行計(jì)算還需要經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入處理器。由于ADC的采樣頻率有限制,所以中頻帶寬會(huì)受ADC的采樣頻率所限制。由公式D=fc*c*Tc/2B可知:在ADC采樣率不變的情況(最大中頻信號(hào)頻率一定)下,調(diào)頻LiDAR的探測(cè)距離與發(fā)射信號(hào)的斜率成反比關(guān)系,如果發(fā)射周期固定不變,那么探測(cè)距離和發(fā)射信號(hào)的帶寬成反比關(guān)系。

Lidar需要具備區(qū)分兩個(gè)距離非常近的目標(biāo)的能力,例如,當(dāng)雷達(dá)的距離分辨率為4m時(shí),它就不能分辨相距1m的行人和汽車。

假設(shè)了兩個(gè)相距很近的目標(biāo),被雷達(dá)探測(cè)到,兩個(gè)回波信號(hào)和發(fā)射波形混頻后就得到了兩個(gè)中頻信號(hào),這兩個(gè)中頻信號(hào)的時(shí)間T相差很小,因此中頻信號(hào)的頻率相差很小。

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通過傅里葉變換可以將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào),從而得到中頻信號(hào)的頻率。如下圖a所示,如果LiDAR的頻率分辨率較差,即兩個(gè)目標(biāo)的頻率信息難以分辨,則無法分辨兩個(gè)相近的目標(biāo);如下圖b所示,如果有能力分辨兩個(gè)物體,則可在頻率信息中看到兩個(gè)分離的頻率峰。

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根據(jù)傅里葉變換的頻率分辨公式可知,頻率分辨率

Δf=fs/N=1/(Nts)=1/T

其中fs為采樣頻率,N為采樣點(diǎn)數(shù),ts為采樣間隔,fs=1/ts,Nts就是采樣前模擬信號(hào)的時(shí)間長(zhǎng)度T,所以信號(hào)長(zhǎng)度越長(zhǎng),頻率分辨率越好。

在FMWC LiDAR中采樣的時(shí)間長(zhǎng)度為Tc,即

Δfc≥1/Tc

Δfc=2BΔD/(c*Tc)

即:

2BΔD/(c*Tc)≥1/Tc

ΔD≥c/2B

故FMWC LiDAR的距離分辨率取決于發(fā)射信號(hào)的帶寬,帶寬越大,距離分辨率也越大。而當(dāng)帶寬一樣時(shí),無論信號(hào)持續(xù)的時(shí)間如何變化都不會(huì)影響LiDAR的距離分辨率。

總結(jié)如下

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審核編輯黃昊宇

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