脈沖激光雷達(dá)變頻測(cè)距技術(shù)理論研究

鄧 全，馬 敏，李 麗

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南鄭州450047)

1 前言

激光雷達(dá)(light detection and ranging，Lidar)是一種可以精確、快速地獲取目標(biāo)三維空間信息的主動(dòng)探測(cè)設(shè)備，其主要作用是探測(cè)、識(shí)別、跟蹤目標(biāo)。目前，激光雷達(dá)以其分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)、隱蔽性好等優(yōu)點(diǎn)，在精密測(cè)量、偵察監(jiān)視、火控制導(dǎo)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

距離信息是激光雷達(dá)獲取目標(biāo)三維空間(ρ、α、β)的重要參數(shù)之一。因此，激光雷達(dá)的關(guān)鍵任務(wù)之一就是精確、快速地測(cè)量脈沖飛行時(shí)間t并解算出目標(biāo)距離。激光測(cè)距從技術(shù)角度可以分為三類(lèi):脈沖激光測(cè)距、調(diào)幅連續(xù)波激光測(cè)距和調(diào)頻連續(xù)波激光測(cè)距［1］。相比其他兩種方式，脈沖激光測(cè)距以其峰值功率高、探測(cè)距離遠(yuǎn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且對(duì)光源相干性要求低等優(yōu)點(diǎn)獲得廣泛的應(yīng)用。但是，傳統(tǒng)的脈沖測(cè)距系統(tǒng)精度低，一般為米級(jí)，難以適應(yīng)某些領(lǐng)域?qū)Ω呔染嚯x信息的需求。

在衛(wèi)星編隊(duì)飛行、星間導(dǎo)航、航天器交會(huì)對(duì)接等領(lǐng)域?qū)y(cè)距精度要求很高(精度要求為厘米甚至毫米量級(jí))。傳統(tǒng)的脈沖測(cè)距系統(tǒng)無(wú)法該滿(mǎn)足要求，雖然可以采用多次測(cè)量求取平均值的方式提高測(cè)距精度，但又存在測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)、數(shù)據(jù)率低的問(wèn)題。本文正是針對(duì)上述現(xiàn)實(shí)需求，提出了脈沖激光雷達(dá)變頻測(cè)距的新思路，通過(guò)理論探討，為脈沖激光雷達(dá)高速、高精度測(cè)距提供依據(jù)。

2 變頻測(cè)距的理論基礎(chǔ)

2.1 脈沖測(cè)距原理及誤差分析

脈沖激光測(cè)距原理是在測(cè)距點(diǎn)向被測(cè)目標(biāo)發(fā)射一束窄而強(qiáng)的激光脈沖，光脈沖經(jīng)目標(biāo)反射后被測(cè)距系統(tǒng)接收機(jī)接收，設(shè)光脈沖從發(fā)射點(diǎn)到被測(cè)目標(biāo)間來(lái)回一次所經(jīng)歷的時(shí)間間隔為t，則測(cè)距點(diǎn)與被測(cè)目標(biāo)之間的距離R為:

式中，R為目標(biāo)距離;t為光脈沖往返時(shí)間;c為光速;n為計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)結(jié)果;f為計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率。對(duì)式(1)兩端取微分，得:

由式(2)可見(jiàn)，影響脈沖法測(cè)距精度的主要因素為:由于大氣折射率變化引起的光速誤差、時(shí)鐘頻率誤差以及測(cè)量計(jì)數(shù)誤差［2］。其中，第1項(xiàng)誤差可以采用測(cè)量環(huán)境參數(shù)來(lái)降低;第2項(xiàng)誤差可以通過(guò)選用高精確度和穩(wěn)定度的時(shí)鐘源來(lái)減小(高精度的晶振頻率穩(wěn)定度小于5×10－6);第3項(xiàng)計(jì)數(shù)誤差是時(shí)間間隔測(cè)量的主要誤差源，直接影響著測(cè)距誤差的大小，所以時(shí)間間隔測(cè)量精度基本決定了脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)的精度。

目前，實(shí)現(xiàn)脈沖測(cè)距時(shí)間間隔測(cè)量的方法主要有模擬法、數(shù)字法和數(shù)字插入法［3］。相對(duì)其他兩種方法，數(shù)字插入法的時(shí)間間隔測(cè)量精度最高。在數(shù)字插入法中，延遲線(xiàn)插入法(Delay-line，DL)是利用信號(hào)在延遲線(xiàn)上通過(guò)CMOS門(mén)時(shí)的固定時(shí)延來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間間隔精確測(cè)量的，具有測(cè)量范圍大、線(xiàn)性好、測(cè)量精度高以及測(cè)量速度快的優(yōu)點(diǎn)，綜合性能最好［4－5］。在高精度測(cè)距領(lǐng)域，業(yè)界大都采用了德國(guó)ACAM公司的TDC(Time-to-Digital Converter)系列芯片。該芯片正是采用了延遲線(xiàn)插入技術(shù)，其測(cè)時(shí)精度可以達(dá)到百皮秒量級(jí)［4－5］。

2.2 變頻測(cè)距原理

變頻測(cè)距技術(shù)是在脈沖激光測(cè)距基本原理的基礎(chǔ)上，運(yùn)用時(shí)序控制、數(shù)據(jù)處理的手段，通過(guò)多周期時(shí)間間隔測(cè)量的方法實(shí)現(xiàn)高精度距離測(cè)量的技術(shù)。它又可分為主動(dòng)變頻和被動(dòng)變頻兩類(lèi)。

2.2.1 主動(dòng)變頻測(cè)距

主動(dòng)變頻測(cè)距是在脈沖激光定頻測(cè)距的基礎(chǔ)上演變而來(lái)的。當(dāng)前，脈沖激光定頻測(cè)距技術(shù)已經(jīng)十分成熟，定頻脈沖測(cè)距系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 定頻脈沖測(cè)距系統(tǒng)框圖

定頻脈沖測(cè)距的過(guò)程為:激光發(fā)射機(jī)在終端機(jī)主控電路的控制下，以固定頻率向目標(biāo)發(fā)射激光脈沖，同時(shí)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行主波采樣確定發(fā)射時(shí)刻，開(kāi)啟測(cè)時(shí)電路TDC計(jì)時(shí)。探測(cè)器接收被目標(biāo)反射回的激光信號(hào)，經(jīng)放大、降噪處理后，在接收通道生成回波信號(hào)，停止TDC計(jì)時(shí)。測(cè)時(shí)電路TDC模塊測(cè)量起止信號(hào)的時(shí)間間隔t，經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、處理即可得到目標(biāo)的距離信息。為提高精度，常采用N次測(cè)量后取平均值的處理方式，但是測(cè)量時(shí)間也相應(yīng)增加了N倍。

定頻測(cè)距的主、回波時(shí)序如圖2(a)所示。圖2(a)中T1為固定測(cè)量周期，t1為單次測(cè)量時(shí)延，t2為本周期內(nèi)的數(shù)據(jù)處理及空閑等待時(shí)間。從圖2(a)可見(jiàn)，隨著距離由遠(yuǎn)及近，t2的空閑等待時(shí)間會(huì)越來(lái)越長(zhǎng)。為了充分利用t2的空閑等待時(shí)間，可以在滿(mǎn)足數(shù)據(jù)處理及外圍驅(qū)動(dòng)電路響應(yīng)時(shí)間的前提下，根據(jù)距離的遠(yuǎn)近實(shí)施測(cè)量周期的主動(dòng)變頻。這就是主動(dòng)變頻測(cè)距的技術(shù)思路，其時(shí)序如圖2(b)。

圖2 定頻與主動(dòng)變頻測(cè)距時(shí)序圖

在圖2(b)中，測(cè)量周期T1'不再是固定頻率，而會(huì)隨著距離由遠(yuǎn)及近而由長(zhǎng)變短，即測(cè)距頻率得到提高;t1仍為測(cè)量主、回波的時(shí)延;t2'仍為一個(gè)周期內(nèi)的數(shù)據(jù)處理及空閑等待時(shí)間。圖2中t2'相對(duì)t2已經(jīng)顯著變小，由于每周期內(nèi)數(shù)據(jù)處理時(shí)間恒定，意味著系統(tǒng)空閑等待時(shí)間變少。因此，主動(dòng)變頻測(cè)距技術(shù)有效利用了系統(tǒng)周期內(nèi)的空閑等待時(shí)間。在相同時(shí)間內(nèi)，主動(dòng)變頻測(cè)距可以提高距離測(cè)量的頻率，從而增加距離測(cè)量的次數(shù)N。由統(tǒng)計(jì)理論可知，N次測(cè)量取平均值可以使測(cè)量精度相對(duì)單次測(cè)距提高倍［6］。因此，主動(dòng)變頻測(cè)距與定頻測(cè)距相比，可以增加測(cè)量次數(shù)N值得到更多測(cè)量數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理即可得到更高的測(cè)距精度。

目前，在許多高精度測(cè)距應(yīng)用領(lǐng)域，距離測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍大，測(cè)距精度常與距離相關(guān)。如某系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)刷新率為500 Hz(2 ms)，測(cè)距范圍20 km～0.8 m，對(duì)應(yīng)測(cè)距時(shí)間為 133.33 μs～ 5.33 ns，距離精度要求為(3 σ值):

如果系統(tǒng)采用5 kHz(200 μs)定頻測(cè)距方式，在500 Hz(2000 μs)數(shù)據(jù)率條件下，可以測(cè)量10次，求取平均值則測(cè)距精度相比單次測(cè)距提高。對(duì)于遠(yuǎn)距離而言，該方法可以滿(mǎn)足精度要求。但對(duì)于近距離如150 m以?xún)?nèi)，對(duì)應(yīng)測(cè)量時(shí)間不大于1 μs，除去必要的數(shù)據(jù)處理和驅(qū)動(dòng)電路的響應(yīng)時(shí)間外(12 μs左右)，大部分時(shí)間處于空閑等待狀態(tài)，且不能有效提高測(cè)距精度。相反，如果采用主動(dòng)變頻測(cè)距技術(shù)，以距離為變頻依據(jù)，在不小于1000 m時(shí)，頻率設(shè)置為5 kHz(200 μs);在小于1000 m時(shí)，頻率設(shè)置為 50 kHz(20 μs)，在同樣的測(cè)量時(shí)間 2000 μs(數(shù)據(jù)率500 Hz)內(nèi)，可以測(cè)量100次，精度相比定頻單次測(cè)距可提高10倍，相比定頻10次測(cè)距求平均值法可提高倍。

2.2.2 被動(dòng)變頻測(cè)距

主動(dòng)變頻測(cè)距雖然可以在一定程度上提高精度，但由于主動(dòng)變頻測(cè)距每個(gè)測(cè)量周期仍需要進(jìn)行一次數(shù)據(jù)讀取、存儲(chǔ)、處理的過(guò)程，故圖2(b)中的t2'沒(méi)有得到更徹底地減少。如果采用多周期連續(xù)測(cè)量的方法，則只需進(jìn)行一次數(shù)據(jù)處理，在節(jié)約測(cè)量時(shí)間的同時(shí)，還可以再次提高變頻測(cè)距的測(cè)量次數(shù)N。這就是被動(dòng)變頻測(cè)距研究的主要內(nèi)容。

被動(dòng)變頻測(cè)距技術(shù)(國(guó)內(nèi)也有學(xué)者稱(chēng)之為自觸發(fā)脈沖測(cè)距［7－8］)的主要思路是利用激光接收單元的輸出信號(hào)再次觸發(fā)激光發(fā)射。其完整的過(guò)程為:激光發(fā)射機(jī)向目標(biāo)發(fā)射激光脈沖，經(jīng)主波采樣啟動(dòng)TDC計(jì)時(shí);激光接收單元接收到激光脈沖之后，并不立即關(guān)閉TDC計(jì)時(shí)，經(jīng)固定延時(shí)后，再次去觸發(fā)激光發(fā)射單元產(chǎn)生下一個(gè)激光脈沖。這樣發(fā)射→接收→延時(shí)→再次發(fā)射就形成了周期振蕩信號(hào)T，經(jīng)過(guò)多個(gè)周期后再關(guān)閉TDC計(jì)時(shí)。很顯然，目標(biāo)距離越遠(yuǎn)，激光從發(fā)射到接收所經(jīng)歷的時(shí)間越長(zhǎng)，在延時(shí)一定的情況下信號(hào)的周期越長(zhǎng)，計(jì)數(shù)值越大;距離近則周期短、計(jì)數(shù)值小?？梢?jiàn)TDC計(jì)數(shù)周期的大小反映了距離的遠(yuǎn)近。測(cè)量多個(gè)周期后，經(jīng)解算就可以得到激光脈沖的飛行時(shí)間，從而可計(jì)算出距離。被動(dòng)變頻測(cè)距的時(shí)序如圖3所示。

圖3 被動(dòng)變頻測(cè)距時(shí)序圖

在圖3中，待測(cè)量為主、回波時(shí)延t1，回波再次觸發(fā)主波的固定時(shí)延為t2，TDC測(cè)時(shí)電路測(cè)量N個(gè)周期的時(shí)延為t。設(shè)TDC提供的時(shí)標(biāo)頻率為f，通過(guò)測(cè)量N個(gè)周期的計(jì)數(shù)，光走過(guò)的總路程為s，并結(jié)合式(1)，有:

則:

式中，d為光的單次單程距離;n為測(cè)量時(shí)間t內(nèi)的計(jì)數(shù)器值;n2為固定時(shí)延t2內(nèi)的計(jì)數(shù)器值。

被動(dòng)變頻測(cè)距技術(shù)的理想模型是t2=0，即接收到回波信號(hào)后立即觸發(fā)主波。但在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)距離比較近時(shí)，例如測(cè)量距離為1.5 m，此時(shí)振蕩回路頻率將高達(dá)100 MHz。目前，測(cè)距用激光器的發(fā)射重頻無(wú)法達(dá)到這個(gè)量級(jí)(半導(dǎo)體激光器重頻一般為10 kHz，光纖激光器一般為100 kHz)，而且對(duì)于激勵(lì)源驅(qū)動(dòng)放大電路響應(yīng)速度要求太高，難以達(dá)到。因此，被動(dòng)變頻測(cè)距中必須人為地加入固定延時(shí)，以適應(yīng)外圍電路能夠響應(yīng)的最高頻率。

首先，分析被動(dòng)變頻測(cè)距技術(shù)的高精度測(cè)距優(yōu)勢(shì)。在圖3中做如下假設(shè):設(shè)一次變頻測(cè)量周期為T(mén)r，測(cè)量次數(shù)為Nr，而TDC提供的時(shí)標(biāo)脈沖周期為T(mén)0(即測(cè)時(shí)分辨率，)，完成測(cè)量時(shí)的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)為N0，可以得到:

對(duì)式(5)兩端求導(dǎo)，可得:

由于測(cè)量次數(shù)Nr為常量，故:

ΔNr=0;ΔN0=±1;而T0可由TDC芯片精確地給出，故:

則式(6)可化簡(jiǎn)為:

設(shè)系統(tǒng)要求的距離精度為Δd，則根據(jù)式(1)，Tr的測(cè)量精度必須達(dá)到:

由式(9)并結(jié)合ΔN0=±1可得:

由式(9)可以看出，在測(cè)時(shí)分辨率T0一定時(shí)，隨著測(cè)量次數(shù)Nr的增大ΔTr必然減小，即測(cè)量精度得到了提高。式(10)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)的距離精度要求來(lái)確定多周期測(cè)量次數(shù)的。

被動(dòng)變頻測(cè)距的另一突出優(yōu)點(diǎn)是高速。如前所述，定頻測(cè)距及主動(dòng)變頻測(cè)距技術(shù)為提高測(cè)量精度，在無(wú)法提高計(jì)數(shù)頻率的情況下，常采取多次測(cè)量求平均值的方法。雖然N次測(cè)量取平均值可以使測(cè)量精度相對(duì)單次測(cè)距提高倍，但測(cè)量時(shí)間相應(yīng)增加了N倍［8］。例如TDC_GP1芯片處理一次測(cè)量結(jié)果的時(shí)間約為4.2 μs，如果測(cè)量距離為10 m，激光往返一次的時(shí)間約為0.067 μs，若按照多次測(cè)量取平均值的技術(shù)思路則大部分時(shí)間浪費(fèi)在數(shù)據(jù)處理上了，嚴(yán)重影響了激光測(cè)距的連續(xù)測(cè)量能力。而被動(dòng)變頻測(cè)距中，由于是多周期連續(xù)測(cè)量，N次測(cè)量只需進(jìn)行一次數(shù)據(jù)處理、存取，在有效減小測(cè)量誤差的同時(shí)，節(jié)約了(N－1)次數(shù)據(jù)處理時(shí)間，獲取距離測(cè)量值的速度更快。

3 變頻測(cè)距技術(shù)的制約因素分析

通過(guò)主、被動(dòng)變頻測(cè)距技術(shù)的理論探討，可以得出:變頻測(cè)距的實(shí)質(zhì)是充分利用系統(tǒng)空閑等待時(shí)間，通過(guò)提高測(cè)量頻率，進(jìn)行多周期連續(xù)測(cè)量，達(dá)到高速、高精度測(cè)距的目的。因此，主、被動(dòng)變頻測(cè)距技術(shù)能夠在同樣的測(cè)量時(shí)間下，達(dá)到更高的測(cè)距精度;或者在同樣的測(cè)量精度要求下，能夠有更快的測(cè)量速度，從而有效地克服了傳統(tǒng)激光測(cè)距方法中存在的提高測(cè)距精度和縮短測(cè)量時(shí)間兩者之間的矛盾。

但是，變頻測(cè)距技術(shù)也有許多制約因素，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須認(rèn)真考慮:

1)對(duì)外圍電路重復(fù)頻率要求高。任何情況下，變頻測(cè)距的最高頻率都必須在外圍電路(如激光器、激勵(lì)源)重頻所允許的范圍內(nèi)。因此，總體設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)此進(jìn)行深入分析、全面考慮。

2)變頻測(cè)距尤其是被動(dòng)變頻測(cè)距，時(shí)序控制較為復(fù)雜，容易對(duì)系統(tǒng)的時(shí)序安排造成沖擊。變頻測(cè)距中由于測(cè)距頻率變化，測(cè)距周期不確定，容易造成數(shù)據(jù)輸出與系統(tǒng)時(shí)序之間的沖突。因此，如何合理安排測(cè)量時(shí)序，降低沖突風(fēng)險(xiǎn)是變頻測(cè)距技術(shù)不可回避的難題。

3)被動(dòng)變頻測(cè)距技術(shù)在公式推導(dǎo)中假定了回波再次觸發(fā)主波的時(shí)延為固定值。但是，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，由于激勵(lì)源驅(qū)動(dòng)電路為模擬電路以及回波脈沖幅度的變化，該時(shí)延值并不固定。也就是說(shuō)，變頻測(cè)距技術(shù)引入了一個(gè)新的誤差源。因此，從系統(tǒng)的角度如何減小該固定時(shí)延的誤差，成為被動(dòng)變頻技術(shù)能否實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量的關(guān)鍵。

4)變頻測(cè)距尤其是被動(dòng)變頻測(cè)距，再觸發(fā)的輸入條件是目標(biāo)回波。因此，它嚴(yán)重依賴(lài)于目標(biāo)特性，應(yīng)用領(lǐng)域限于目標(biāo)穩(wěn)定跟蹤狀態(tài)，或者回波率為100%的固定目標(biāo)。一旦目標(biāo)丟失，系統(tǒng)進(jìn)入搜索捕獲狀態(tài)，則變頻測(cè)距技術(shù)將不再適用。因此，進(jìn)一步研究定頻測(cè)距與變頻測(cè)距的融合技術(shù)，使得系統(tǒng)能夠適應(yīng)搜索、捕獲、跟蹤全過(guò)程，是促進(jìn)變頻測(cè)距技術(shù)實(shí)用化、工程化的核心問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

與激光測(cè)距的傳統(tǒng)方法相比，本文提出的變頻測(cè)距技術(shù)除具備傳統(tǒng)測(cè)距所具有的測(cè)量距離遠(yuǎn)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)外，還具有測(cè)量精度高、測(cè)量速度快等優(yōu)點(diǎn)，能夠克服高精度測(cè)量和高速測(cè)量之間的矛盾。但是，變頻測(cè)距技術(shù)的制約因素也較為突出，限制了該技術(shù)的工程化應(yīng)用。下一步研究工作將以某工程應(yīng)用為背景(精度要求為5 mm)，在本文變頻測(cè)距技術(shù)理論研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行工程化設(shè)計(jì)，并通過(guò)試驗(yàn)為變頻測(cè)距技術(shù)的工程化應(yīng)用積累數(shù)據(jù)，推動(dòng)該項(xiàng)技術(shù)的實(shí)用化、工程化應(yīng)用。

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