英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
车载多普勒激光雷达在1.55微米波段的距离和速度测量的演示
摘要
由于激光束的高方向性，激光雷达与毫米波雷达（MWR）相比可以提供更好的空间分辨率。然而，商用车载激光雷达采用距离微分方法来估计目标速度，这具有耗时过长和引入大误差的问题。本文提出了一种新的多普勒激光雷达方案，用于在汽车应用中同时测量目标距离和速度。该方案包括一个新的激光雷达架构，一种新的调制传送信号的方法，以及利用反射信号计算距离和速度的方法。传输信号的长度为几微秒，使得在汽车应用中实现高速扫描成为可能。另外，基于Simulink / Matlab的仿真验证了该方案的可行性。最后，进行同步距离和速度测量的实验演示。实验的移动目标是附着在电磨机上的高反射片。
一、引言
与毫米波雷达（MWR）相比，激光雷达具有空间分辨率高的优点，在智能交通系统（ITS）中作为传感器使用时，具有从周围车辆中区分行人的能力。一般来说，MWR的空间分辨率接近1米，而激光雷达可以达到几十厘米。虽然激光雷达感知面部表情或服装外观的性能不够高，但可以区分行人和车辆，这对于避免交通事故非常重要。最近开发的高分辨率激光雷达系统的一些例子在[1] - [5]中给出。由于激光束的方向性，在汽车中使用激光雷达的另一个重要好处是，一辆车的光束不可能被另一辆车的接收镜接收，从而将不希望的串扰的可能性降到最低。此外，与MWR相比，激光雷达的尺寸，重量和价格有可能大大降低。目前MWR比激光雷达便宜。当然，这是因为MWR的发展历史比激光雷达长。MWR价格低的另一个原因是看重它在不久的将来有商业化的潜力，所以有许多的财政资源和研究为它的发展提供可能。但是，激光雷达的成像质量要好于MWR；因此，在不久的将来，它的发展有可能超越MWR。在十年前，光通信领域几乎所用的光学器件都是美国或日本制造的，导致光学器件价格高昂; 然而，这种情况已经发生改变。随着发展中国家光学设备的生产发展，使得成本降低了一个数量级以上。例如，光隔离器的价格从最初的$3000下降到$90。此外，在光通信领域，使用混合互补金属氧化物半导体(CMOS)或Si / Ge技术广泛开发工作在1.55mu;m的集成光学收发器。光纤放大器也被广泛应用于电信，接入网络，有线电视网络系统等[6]，[7]。所有这些将有助于降低激光雷达的制造成本，尽管使用的光学元件还不是汽车行业的标准元件。参考文献[8]显示了一个紧凑的车载激光雷达系统，其尺寸比商用系统大大减小。通过使用光学集成技术，尺寸可能会进一步缩小。
尽管激光雷达比MWR的视野更好，但其性能还有待进一步提高。 为了构建一辆拥有智能交通系统(ITS)的汽车，对于潜在障碍物的相对距离，速度，方位和高度等信息的了解都是必要的，以便控制单元能够控制汽车的行为。 使用商用车载激光雷达[9]对激光传播时间测量，可以高精度确定目标距离。方位角和仰角可以从激光束发射的方向获得。不幸的是，目标速度不能用这些激光雷达系统来测量。他们要么不提供速度信息，要么只是通过简单的距离划分来计算速度。 在参考文献[10]中讨论了在车辆环境中不能使用传统多普勒激光雷达的原因。
本文的目的是展示我们新开发的多普勒激光雷达系统，与用于天气检测，火控，预警系统和地形检测的传统激光雷达相比，它可以同时对目标距离和速度进行高精度测量。车载激光雷达的关键在于实时性要求高。美国国家航空和航天局（NASA）使用传统的频率调制连续波（FMCW）方法[11]设计了一个激光雷达系统来辅助空间探测，它对于目标距离和速度的测量精度很高（1厘米和1厘米cm / s）。但是，所使用的传输信号的长度不能满足实时性要求。FMCW信号的一个周期超过6 ms，这意味着在1 s内不能超过200次测量。另一方面，目前商用的具有高扫描速度的车载激光雷达能够以每秒2万次以上的速度进行测量。
本文首先提出了一种实现车载激光雷达的新架构和一种新的发射信号调制方案，使得所提出的激光雷达能够同时测量目标的距离和速度。信号的长度保证了高速扫描的可行性。然后，我们描述了用于从接收信号中获得目标距离和速度的信号处理方法。最后，进行仿真和实验验证所提出的方法。在实验中，激光器选用1.55mu;m的人眼安全波长。
图一
二、提出的激光雷达的体系结构
图一显示了的用于测量目标距离和速度的车载多普勒激光雷达系统的示意图。使用窄线宽的偏振激光作为光源，以提高目标速度的测量精度。输出激光由分光器分成两束，其中一束作为参考信号，另外一束传输给外部调制器。调制器使用编码发生器的调制码序列调制激光器的振幅，并将调制的激光发送到准直透镜。调制部分由调制器和编码发生器组成。从车辆发射激光到准直透镜以收集目标的距离和速度信息。从目标反射的激光通过耦合透镜耦合到光纤。接收到的激光被分成两部分，其中一部分被发送到光电二极管（PD）PD2，另一部分被发送到耦合器。发送到PD2的激光被转换成电信号并被用于获取目标距离信息。作为参考信号的激光发送到耦合器并发送到PD1。PD1输出接收和参考信号的差频信号。用傅立叶分析获得多普勒频率，从而获得目标速度信息。为了保持光信号的偏振状态不变，使用光纤保持激光的偏振状态。
对于CW激光雷达，PD1的光敏表面的总光功率可以表示为
（1）
这里，E1，E2，f和fD分别表示参考信号的强度，传送到PD1的接收信号的强度，发射激光的光频以及多普勒频率。phi;1和phi;2是参考信号和接收信号的相位。事实上，PD有一个上限截止频率，因此，PD1的输出信号可以表示为
（2）
去除高频分量后。这里下标b表示它是差频信号。
为了获得多普勒频率，傅立叶分析要求差频信号的长度至少覆盖（2）表示的正弦波的一个周期。由于这个原因，传统的多普勒风力激光雷达传输长脉冲，这导致差拍信号是一个加窗的连续正弦波。例如，对于1.55微米波段的激光，速度为1米/秒的目标会产生的多普勒频率。这里，v和lambda;t分别是目标速度和激光波长。如果差拍信号覆盖多普勒正弦波的一个周期，则距离分辨率将是。这里，c和W分别是光速和未调制的发射激光脉冲所需的宽度。这种利用长脉冲的风多普勒激光雷达的例子可以在[12]中找到。显然，这种方法不能用于车载激光雷达，因为对于驾驶员这些距离信息还不够。
另一个是考虑在脉冲多普勒雷达中使用的方法[13]。对于这种雷达，最大速度和最远距离服从公式（3）
（3）
将传输激光的光速和波长代入（3），即可得到
(4)
在大多数情况下，车载激光雷达的可测量距离需要大于100 m，这意味着最大速度不超过0.58125 m/s。显然，脉冲激光雷达的方法不能满足车载应用的要求。
脉冲多普勒雷达采用傅立叶分析来计算多普勒频率以及采用数据积累方法[14]来计算目标距离。最大速度受到傅立叶分析的时频特性的限制，而最远距离受到数据积累方法的限制。为了突破（3）所强加的限制，我们应该避免使用将这两种方法进行目标距离和速度测量。一般的考虑是为目标速度测量保留傅里叶分析，同时为测量距离放弃数据积累。
为了测量目标距离，解决最大距离（受发射信号的能量限制）和距离分辨率之间的矛盾，已经提出了大量的调制方案来增加发射信号的带宽。在光场中，幅度调制相比相位调制和频率调制更容易实现。为此，已经提出了调制码来调制CW激光器的振幅。经典的方法之一是通过使用随机假噪声（PN）码来调制发射信号的幅度[15]。这样，由（2）式表示的差拍信号变成
(5)
这里，c（t）是调制码的连续形式，可以表示为
(6）
其中（n）是第n个调制码。上标〜表示代码序列是一个数组，其索引是一个非负整数。[A]将元素A四舍五入到最接近的小于或等于A的整数。tau;c是代码宽度。
图2中的细黑线表示由PN码调制的差拍信号的例子。沿水平轴的网格表示一个码位的时间间隔。根据奈奎斯特采样定理，采样频率应该大于多普勒最大频率的两倍。图中所示的采样时钟满足这个要求。显然，代码值为“1”的前两个时钟的采样数据来自正弦波，而代码值为“0”的随后两个时钟的采样数据不是来自正弦波。因此，不能从PN码调制的多普勒信号获得等距采样数据，并且不能使用傅立叶分析来获得多普勒频率。
一个可行的调制编码方案是将一个PN码序列和一个周期脉冲序列或者逻辑相结合，如图3所示。周期脉冲具有与PN码相同的宽度tau;。使用从周期性脉冲时隙采样的差拍信号数据来计算多普勒频率和目标的速度。当PN码中插入一个周期性的脉冲时，波形将在图2粗红线所示的两个时钟时间内被修改。这样，等距多普勒正弦波采样数据就可以通过傅里叶分析得到。
三、距离和速度计算中的问题
目标距离是通过将光速乘以发射和接收信号之间的一半时间差而获得的。一般来说，接收到的信号被掩埋在雷达接收器的热噪声中，并且是不可见的。为了定位接收信号的位置，通常使用调制码与从接收信号解码的码之间的相关函数。相关函数由下式给出
（7）
与（6）相同，其中是调制码。代表从PD2输出的电信号解码的代码。直观地，在光学仪器中,单极代码对应于不同的光强度。然而，在使用（7）计算PN码的自相关函数时，我们发现相关函数将具有大的基数，如图4所示。为了增加抗噪声能力，使用双极性代码来计算相关函数，即
（8）
这里，F表示单极到双极代码转换。从图4所示的结果可以看出，使用双极性代码大大降低了基数。使用双极性代码计算相关函数的类似工作可以在[16]中找到。
当周期脉冲插入PN码时，自相关函数的峰值会变宽。为了减少周期性脉冲的影响，图3所示的周期T应尽可能大。在图[3]中所示的调制码的相关函数表明，当T大到码宽tau;的十倍时，周期性脉冲的影响可以忽略不计。另一方面，当T较大时，由于多普勒信号的采样频率变低，所以通过激光雷达可以测量的最大速度减小。最大可测速度是 （9）
从实际的角度来看，当T =6tau;时，周期性脉冲对距离测量的影响可以忽略不计。因此，如果码宽是2纳秒，最大可测量的相对速度为32.29米/秒，距离分辨率为30厘米。如果调制码中的脉冲数选择为600，则传输信号的长度将仅为1.2mu;s，使得开发高扫描速度的车载激光雷达成为可能。
接收信号的功率很大程度上受物体的距离，大小和反射率的影响，而噪声功率通常是固定的。因此，没有固定的最佳阈值来将PD2输出的电信号解码成（7）中定义的码序列（i）。根据电信理论，最佳阈值为（a b）/2，其中a和b分别是代码1的平均噪声级和电平。假设没有收到反射信号，那么
（10）
其中xi（i = 1，...，L）代表噪声的采样数据，L是总采样数据的数量。
如果反射信号叠加在m到n之间的数据上，即，
（11）
其中Xi（i = m，...，n）表示叠加在噪声上的反射信号
（12）
可以派生出来。这里，M = n-m 1是反射信号中代码1的总数。如果噪声的平均值为0，则可以将接收信号的解码阈值选择为Lp /（2M），这可以很容易地从采样数据中计算出来。
- 通过傅立叶分析进行速度测量的数据分组
从PD1输出的部分电信号由触发器启动，每次结束以覆盖背散射光的整个信号长度，用于计算目标速度。如果最大测量距离设计为150米，则光的传播时间将小于1微秒。因此，如果触发器设置在传输开始时，2.2微秒将足以覆盖反向散射光的信号长度。采样时钟的周期被设置为码宽。这样就获得了一个时间间隔等于代码宽度的数据序列。然后，从这些数据中，我们需要从周期脉冲的时隙中找到采样数据。一种方法是利用PD2的输出信号定位接收信号的头部，然后根据代码的构成从周期性的脉冲时隙中找到数据。该方法需要考虑从PD2和PD1输出的信号之间的时间延迟，这是由不同长度的光纤连接到接收透镜后的分束器引入的。一个相对简单的方法是将采样数据分成6组，因为周期脉冲每6位插入PN码，如图5所示。图中的Gn为第n（n = 1，2，... ，6）组。傅立叶分析适用于六个独立的数据组。在六个傅立叶分析中，其中一个有最大的峰值，对应于多普勒频率。
- 双重抽样的必要性
在理想情况下，编码1的脉冲是矩形波。但是，这受激光雷达传输通道带宽的限制，因此当矩形脉冲通过激光雷达接收器时会产生上升沿和下降沿。如果采样周期等于码宽，则由于激光雷达回波在时间上随机接收，所以采样时钟有可能位于脉冲的上升沿或下降沿。所需采样周期为码宽的一半，如图6所示。采样数据根据时钟分为两组，以实线和虚线表示，其中一组必须是接收信号的正确采样。
- 仿真结果
为了验证所提出的速度测量方法的可行性，我们构建了一个Matlab / Simulink模块，如图7所示。每个功能模块的输出信号特性用蓝色框显示。正弦波1输出没有幅度调制的接收光信号，，其中ft和fD分别是发射的激光光学频率和多普勒频率。从Workspace导入Matlab工作区的调制代码。导入的码序列与相应的时间
全文共10408字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[15782]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
