激光雷達(dá)測距測速原理

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1、激光雷達(dá)測距測速原理1.激光雷達(dá)通用方程激光雷達(dá)方程用來表示一定條件下，激光雷達(dá)回波信號的功率，其形式如下：為回波信號功率，為激光雷達(dá)發(fā)射功率，K是發(fā)射光束的分布函數(shù)，分別是激光雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)到目標(biāo)和目標(biāo)到接收系統(tǒng)的大氣透過率，分別是發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)的透過率，為發(fā)射激光的發(fā)散角，分別是發(fā)射系統(tǒng)到目標(biāo)和目標(biāo)到接收系統(tǒng)的距離，為目標(biāo)的雷達(dá)截面，為接收孔徑。方程作用：激光雷達(dá)方程可以在研發(fā)激光雷達(dá)初期確定激光雷達(dá)的性能。其次，激光雷達(dá)方程提供了回波信號與被探測物的光學(xué)性質(zhì)之間的函數(shù)關(guān)系，因此可以通過激光雷

2、達(dá)探測的回波信號，通過求解激光雷達(dá)方程獲得有關(guān)大氣性質(zhì)的信息。2.激光雷達(dá)測距基本原理2.1脈沖法脈沖激光雷達(dá)測距的基本原理是，在測距點(diǎn)向被測目標(biāo)發(fā)射一束短而強(qiáng)的激光脈沖，激光脈沖到達(dá)目標(biāo)后會反射回一部分被光功能接收器接收。假設(shè)目標(biāo)距離為L，激光脈沖往返的時(shí)間間隔是t，光速為c，那么測距公式為L=tc/2。時(shí)間間隔t的確定是測距的關(guān)鍵，實(shí)際的脈沖激光雷達(dá)利用時(shí)鐘晶體振蕩器和脈沖計(jì)數(shù)器來確定時(shí)間t，時(shí)鐘晶體振蕩器用于產(chǎn)生固定頻率的電脈沖震蕩T=1/f，脈沖計(jì)數(shù)器的作用就是對晶體振蕩器產(chǎn)生的電脈沖計(jì)數(shù)N

3、。如圖所示，信息脈沖為發(fā)射脈沖，整形脈沖為回波脈沖，從發(fā)射脈沖開始，晶振產(chǎn)生脈沖與計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)時(shí)間上是同步觸發(fā)的。因此時(shí)間間隔t=NT。由此可得出L=NC/2f。圖1脈沖激光測距原理圖1.1相位法相位測距法也稱光束調(diào)制遙測法，激光雷達(dá)相位法測距是利用發(fā)射的調(diào)制光和被目標(biāo)反射的接受光之間光強(qiáng)的相位差包含的距離信息來實(shí)現(xiàn)被測距離的測量。回波的延遲產(chǎn)生了相位的延遲，測出相位差就得到了目標(biāo)距離。假設(shè)發(fā)射處與目標(biāo)的距離為D，激光速度為c，往返的間隔時(shí)間為t，則有：圖2相位法測距原理圖假設(shè)f為調(diào)制頻率，N為光

4、波往返過程的整數(shù)周期，為總的相位差。則間隔時(shí)間t還可以表示為：所以：定義為測尺或刻度，為余尺則：因?yàn)長是已知的，所以只需求出N和，就可得知目標(biāo)距離D?？梢酝ㄟ^儀器測得，但不能測得N值，因此上面的方程存在多值解即，測距存在多樣性。假設(shè)我們能預(yù)先知道目標(biāo)距離在一個(gè)刻度L之內(nèi)，即N=0，此時(shí)測距結(jié)果將是唯一的。假設(shè)光調(diào)制頻率，則L=1000m，當(dāng)被測距離小于1000m時(shí)，測距值是唯一的。1.1對比分析激光雷達(dá)脈沖法測距：優(yōu)點(diǎn)：測量距離遠(yuǎn)，一般大于1000m。系統(tǒng)體積小，抗干擾能力強(qiáng)。缺點(diǎn)：精度較低，一般大

5、于1m。激光雷達(dá)相位法測距：優(yōu)點(diǎn)：測量精度高。缺點(diǎn)：測量距離較近，一般為一個(gè)刻度L內(nèi)的距離。（300-1000m）。受激光調(diào)制相位測試精度和相位調(diào)制頻率的限制，系統(tǒng)造價(jià)成本高。相位法測距存在矛盾：測量距離大會導(dǎo)致精度不高，要想提高精度測量距離又會受限（刻尺L較短）。1.激光雷達(dá)測速基本原理激光雷達(dá)測速的方法主要有兩大類，一類是基于激光雷達(dá)測距原理實(shí)現(xiàn)，即以一定時(shí)間間隔連續(xù)測量目標(biāo)距離，用兩次目標(biāo)距離的差值除以時(shí)間間隔就可得知目標(biāo)的速度值，速度的方向根據(jù)距離差值的正負(fù)就可以確定。這種方法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，

6、測量精度有限，只能用于反射激光較強(qiáng)的硬目標(biāo)。另一類測速方法是利用多普勒頻移。多普勒頻移是指當(dāng)目標(biāo)與激光雷達(dá)之間存在相對速度時(shí)，接收回波信號的頻率與發(fā)射信號的頻率之間會產(chǎn)生一個(gè)頻率差，這個(gè)頻率差就是多普勒頻移。它的數(shù)值為：式中，為多普勒頻移，單位Hz。為激光雷達(dá)與目標(biāo)間的徑向相對速度m/s。為發(fā)射激光的波長，單位m。當(dāng)目標(biāo)向著激光雷達(dá)運(yùn)動時(shí)，回波信號頻率提高也就是激光雷達(dá)與被測目標(biāo)的距離減??；反之，回波信號的頻率降低，激光雷達(dá)與被測目標(biāo)距離增大。所以只要能夠測量出多普勒頻移，就可以確定目標(biāo)與激光雷達(dá)的

7、相對速度。對于車載激光雷達(dá)，就可以根據(jù)自身車速推算出被測目標(biāo)的速度。數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集剔除粗差濾波分割面片組合地物特征城市地物點(diǎn)云塊特征識別建模識別點(diǎn)云塊特征城市地物地物特征面片組合分割濾波剔除粗差