脈沖激光雷達變頻測距技術理論研究

鄧 全，馬 敏，李 麗

(中國電子科技集團公司第二十七研究所，河南鄭州450047)

1 前言

激光雷達(light detection and ranging，Lidar)是一種可以精確、快速地獲取目標三維空間信息的主動探測設備，其主要作用是探測、識別、跟蹤目標。目前，激光雷達以其分辨率高、抗干擾能力強、隱蔽性好等優點，在精密測量、偵察監視、火控制導等領域有著廣泛的應用。

距離信息是激光雷達獲取目標三維空間(ρ、α、β)的重要參數之一。因此，激光雷達的關鍵任務之一就是精確、快速地測量脈沖飛行時間t并解算出目標距離。激光測距從技術角度可以分為三類:脈沖激光測距、調幅連續波激光測距和調頻連續波激光測距［1］。相比其他兩種方式，脈沖激光測距以其峰值功率高、探測距離遠、結構簡單并且對光源相干性要求低等優點獲得廣泛的應用。但是，傳統的脈沖測距系統精度低，一般為米級，難以適應某些領域對高精度距離信息的需求。

在衛星編隊飛行、星間導航、航天器交會對接等領域對測距精度要求很高(精度要求為厘米甚至毫米量級)。傳統的脈沖測距系統無法該滿足要求，雖然可以采用多次測量求取平均值的方式提高測距精度，但又存在測量時間長、數據率低的問題。本文正是針對上述現實需求，提出了脈沖激光雷達變頻測距的新思路，通過理論探討，為脈沖激光雷達高速、高精度測距提供依據。

2 變頻測距的理論基礎

2.1 脈沖測距原理及誤差分析

脈沖激光測距原理是在測距點向被測目標發射一束窄而強的激光脈沖，光脈沖經目標反射后被測距系統接收機接收，設光脈沖從發射點到被測目標間來回一次所經歷的時間間隔為t，則測距點與被測目標之間的距離R為:

式中，R為目標距離;t為光脈沖往返時間;c為光速;n為計數器計數結果;f為計數時鐘頻率。對式(1)兩端取微分，得:

由式(2)可見，影響脈沖法測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、時鐘頻率誤差以及測量計數誤差［2］。其中，第1項誤差可以采用測量環境參數來降低;第2項誤差可以通過選用高精確度和穩定度的時鐘源來減小(高精度的晶振頻率穩定度小于5×10－6);第3項計數誤差是時間間隔測量的主要誤差源，直接影響著測距誤差的大小，所以時間間隔測量精度基本決定了脈沖激光測距系統的精度。

目前，實現脈沖測距時間間隔測量的方法主要有模擬法、數字法和數字插入法［3］。相對其他兩種方法，數字插入法的時間間隔測量精度最高。在數字插入法中，延遲線插入法(Delay-line，DL)是利用信號在延遲線上通過CMOS門時的固定時延來實現時間間隔精確測量的，具有測量范圍大、線性好、測量精度高以及測量速度快的優點，綜合性能最好［4－5］。在高精度測距領域，業界大都采用了德國ACAM公司的TDC(Time-to-Digital Converter)系列芯片。該芯片正是采用了延遲線插入技術，其測時精度可以達到百皮秒量級［4－5］。

2.2 變頻測距原理

變頻測距技術是在脈沖激光測距基本原理的基礎上，運用時序控制、數據處理的手段，通過多周期時間間隔測量的方法實現高精度距離測量的技術。它又可分為主動變頻和被動變頻兩類。

2.2.1 主動變頻測距

主動變頻測距是在脈沖激光定頻測距的基礎上演變而來的。當前，脈沖激光定頻測距技術已經十分成熟，定頻脈沖測距系統框圖如圖1所示。

圖1 定頻脈沖測距系統框圖

定頻脈沖測距的過程為:激光發射機在終端機主控電路的控制下，以固定頻率向目標發射激光脈沖，同時光學系統進行主波采樣確定發射時刻，開啟測時電路TDC計時。探測器接收被目標反射回的激光信號，經放大、降噪處理后，在接收通道生成回波信號，停止TDC計時。測時電路TDC模塊測量起止信號的時間間隔t，經數據轉換、處理即可得到目標的距離信息。為提高精度，常采用N次測量后取平均值的處理方式，但是測量時間也相應增加了N倍。

定頻測距的主、回波時序如圖2(a)所示。圖2(a)中T1為固定測量周期，t1為單次測量時延，t2為本周期內的數據處理及空閑等待時間。從圖2(a)可見，隨著距離由遠及近，t2的空閑等待時間會越來越長。為了充分利用t2的空閑等待時間，可以在滿足數據處理及外圍驅動電路響應時間的前提下，根據距離的遠近實施測量周期的主動變頻。這就是主動變頻測距的技術思路，其時序如圖2(b)。

圖2 定頻與主動變頻測距時序圖

在圖2(b)中，測量周期T1'不再是固定頻率，而會隨著距離由遠及近而由長變短，即測距頻率得到提高;t1仍為測量主、回波的時延;t2'仍為一個周期內的數據處理及空閑等待時間。圖2中t2'相對t2已經顯著變小，由于每周期內數據處理時間恒定，意味著系統空閑等待時間變少。因此，主動變頻測距技術有效利用了系統周期內的空閑等待時間。在相同時間內，主動變頻測距可以提高距離測量的頻率，從而增加距離測量的次數N。由統計理論可知，N次測量取平均值可以使測量精度相對單次測距提高倍［6］。因此，主動變頻測距與定頻測距相比，可以增加測量次數N值得到更多測量數據，經數據處理即可得到更高的測距精度。

目前，在許多高精度測距應用領域，距離測量的動態范圍大，測距精度常與距離相關。如某系統中，數據刷新率為500 Hz(2 ms)，測距范圍20 km～0.8 m，對應測距時間為 133.33 μs～ 5.33 ns，距離精度要求為(3 σ值):

如果系統采用5 kHz(200 μs)定頻測距方式，在500 Hz(2000 μs)數據率條件下，可以測量10次，求取平均值則測距精度相比單次測距提高。對于遠距離而言，該方法可以滿足精度要求。但對于近距離如150 m以內，對應測量時間不大于1 μs，除去必要的數據處理和驅動電路的響應時間外(12 μs左右)，大部分時間處于空閑等待狀態，且不能有效提高測距精度。相反，如果采用主動變頻測距技術，以距離為變頻依據，在不小于1000 m時，頻率設置為5 kHz(200 μs);在小于1000 m時，頻率設置為 50 kHz(20 μs)，在同樣的測量時間 2000 μs(數據率500 Hz)內，可以測量100次，精度相比定頻單次測距可提高10倍，相比定頻10次測距求平均值法可提高倍。

2.2.2 被動變頻測距

主動變頻測距雖然可以在一定程度上提高精度，但由于主動變頻測距每個測量周期仍需要進行一次數據讀取、存儲、處理的過程，故圖2(b)中的t2'沒有得到更徹底地減少。如果采用多周期連續測量的方法，則只需進行一次數據處理，在節約測量時間的同時，還可以再次提高變頻測距的測量次數N。這就是被動變頻測距研究的主要內容。

被動變頻測距技術(國內也有學者稱之為自觸發脈沖測距［7－8］)的主要思路是利用激光接收單元的輸出信號再次觸發激光發射。其完整的過程為:激光發射機向目標發射激光脈沖，經主波采樣啟動TDC計時;激光接收單元接收到激光脈沖之后，并不立即關閉TDC計時，經固定延時后，再次去觸發激光發射單元產生下一個激光脈沖。這樣發射→接收→延時→再次發射就形成了周期振蕩信號T，經過多個周期后再關閉TDC計時。很顯然，目標距離越遠，激光從發射到接收所經歷的時間越長，在延時一定的情況下信號的周期越長，計數值越大;距離近則周期短、計數值小。可見TDC計數周期的大小反映了距離的遠近。測量多個周期后，經解算就可以得到激光脈沖的飛行時間，從而可計算出距離。被動變頻測距的時序如圖3所示。

圖3 被動變頻測距時序圖

在圖3中，待測量為主、回波時延t1，回波再次觸發主波的固定時延為t2，TDC測時電路測量N個周期的時延為t。設TDC提供的時標頻率為f，通過測量N個周期的計數，光走過的總路程為s，并結合式(1)，有:

則:

式中，d為光的單次單程距離;n為測量時間t內的計數器值;n2為固定時延t2內的計數器值。

被動變頻測距技術的理想模型是t2=0，即接收到回波信號后立即觸發主波。但在實際應用中，當距離比較近時，例如測量距離為1.5 m，此時振蕩回路頻率將高達100 MHz。目前，測距用激光器的發射重頻無法達到這個量級(半導體激光器重頻一般為10 kHz，光纖激光器一般為100 kHz)，而且對于激勵源驅動放大電路響應速度要求太高，難以達到。因此，被動變頻測距中必須人為地加入固定延時，以適應外圍電路能夠響應的最高頻率。

首先，分析被動變頻測距技術的高精度測距優勢。在圖3中做如下假設:設一次變頻測量周期為Tr，測量次數為Nr，而TDC提供的時標脈沖周期為T0(即測時分辨率，)，完成測量時的計數個數為N0，可以得到:

對式(5)兩端求導，可得:

由于測量次數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)可化簡為:

設系統要求的距離精度為Δd，則根據式(1)，Tr的測量精度必須達到:

由式(9)并結合ΔN0=±1可得:

由式(9)可以看出，在測時分辨率T0一定時，隨著測量次數Nr的增大ΔTr必然減小，即測量精度得到了提高。式(10)是系統設計時，根據系統的距離精度要求來確定多周期測量次數的。

被動變頻測距的另一突出優點是高速。如前所述，定頻測距及主動變頻測距技術為提高測量精度，在無法提高計數頻率的情況下，常采取多次測量求平均值的方法。雖然N次測量取平均值可以使測量精度相對單次測距提高倍，但測量時間相應增加了N倍［8］。例如TDC_GP1芯片處理一次測量結果的時間約為4.2 μs，如果測量距離為10 m，激光往返一次的時間約為0.067 μs，若按照多次測量取平均值的技術思路則大部分時間浪費在數據處理上了，嚴重影響了激光測距的連續測量能力。而被動變頻測距中，由于是多周期連續測量，N次測量只需進行一次數據處理、存取，在有效減小測量誤差的同時，節約了(N－1)次數據處理時間，獲取距離測量值的速度更快。

3 變頻測距技術的制約因素分析

通過主、被動變頻測距技術的理論探討，可以得出:變頻測距的實質是充分利用系統空閑等待時間，通過提高測量頻率，進行多周期連續測量，達到高速、高精度測距的目的。因此，主、被動變頻測距技術能夠在同樣的測量時間下，達到更高的測距精度;或者在同樣的測量精度要求下，能夠有更快的測量速度，從而有效地克服了傳統激光測距方法中存在的提高測距精度和縮短測量時間兩者之間的矛盾。

但是，變頻測距技術也有許多制約因素，系統設計時必須認真考慮:

1)對外圍電路重復頻率要求高。任何情況下，變頻測距的最高頻率都必須在外圍電路(如激光器、激勵源)重頻所允許的范圍內。因此，總體設計時必須對此進行深入分析、全面考慮。

2)變頻測距尤其是被動變頻測距，時序控制較為復雜，容易對系統的時序安排造成沖擊。變頻測距中由于測距頻率變化，測距周期不確定，容易造成數據輸出與系統時序之間的沖突。因此，如何合理安排測量時序，降低沖突風險是變頻測距技術不可回避的難題。

3)被動變頻測距技術在公式推導中假定了回波再次觸發主波的時延為固定值。但是，根據工程經驗，由于激勵源驅動電路為模擬電路以及回波脈沖幅度的變化，該時延值并不固定。也就是說，變頻測距技術引入了一個新的誤差源。因此，從系統的角度如何減小該固定時延的誤差，成為被動變頻技術能否實現高精度測量的關鍵。

4)變頻測距尤其是被動變頻測距，再觸發的輸入條件是目標回波。因此，它嚴重依賴于目標特性，應用領域限于目標穩定跟蹤狀態，或者回波率為100%的固定目標。一旦目標丟失，系統進入搜索捕獲狀態，則變頻測距技術將不再適用。因此，進一步研究定頻測距與變頻測距的融合技術，使得系統能夠適應搜索、捕獲、跟蹤全過程，是促進變頻測距技術實用化、工程化的核心問題。

4 結束語

與激光測距的傳統方法相比，本文提出的變頻測距技術除具備傳統測距所具有的測量距離遠、系統結構簡單等優點外，還具有測量精度高、測量速度快等優點，能夠克服高精度測量和高速測量之間的矛盾。但是，變頻測距技術的制約因素也較為突出，限制了該技術的工程化應用。下一步研究工作將以某工程應用為背景(精度要求為5 mm)，在本文變頻測距技術理論研究的基礎上，進行工程化設計，并通過試驗為變頻測距技術的工程化應用積累數據，推動該項技術的實用化、工程化應用。

［1］ CHEN Qiansong，ZHAO Dalong.Study on self-triggering pulsed time-of-flight laser range finding［J］.Chinese Journal of Lasers，2004，31(6):745 －747.(in Chinese)陳千頌，趙大龍，等.自觸發脈沖飛行時間激光測距技術研究［J］.中國激光，2004，31(6):745 －747.

［2］ HUANG Zhen，LIU Bin.Research on parallel counting pulsed laser ranging［J］.Laser ＆ Infrared，2006，36(6):431 －433.(in Chinese)黃震，劉彬.并行計數法脈沖激光測距的研究［J］.激光與紅外，2006，36(6):431 －433.

［3］ HUO Yujing，CHEN Qiansong.Review on time-of-flight measurement of pulsed laser radar［J］.Laser ＆ Infrared，2001，31(3):136 －137.(in Chinese)霍玉晶，陳千頌，等.脈沖激光雷達的時間間隔測量綜述［J］.激光與紅外，2001，31(3):136 －137.

［4］ DENG Quan，LI Lei.A high precision time measurement and its application in pulse laser ranging［J］.Electronic and Electro-optical Systems，2010，2:11 － 12.(in Chinese)鄧全，李磊，等.高精度時間測量技術及其在脈沖激光測距中的應用［J］.電光系統，2010，2:11－12.

［5］ Germany-ACAM. TDC-GPX Datasheet ［EB/OL］.May4th，2005.www.acam.de.

［6］ LONG Zhuoqun，GONG Xuemei.Measurement of laser multi-cycle distance pulsed flying time［J］.Journal of Xi’an Aerotechnical College，2009，27(5):16 － 17.(in Chinese)龍卓群，貢雪梅.激光多周期測距脈沖飛行時間的測量［J］.西安航空技術高等專科學校學報，2009，27(5):16－17.

［7］ YANG Xiao，SUN Zhao.Study on time-of-flight measurement of self-triggering pulsed laser ranging［J］.Electronic Design Engineering，2012，20(1):110 － 111.(in Chinese)楊曉，孫釗.自觸發脈沖激光測距飛行時間測量研究［J］.電子設計工程，2012，20(1):110 －111.

［8］ TONG Minming，ZHANG Zheng.The design of laser ranging system with TDC-GP1［J］.Industry and Mine Automation，2006，5:58 －60.(in Chinese)童敏明，張徽.采用TDC-GP1的激光測距系統設計［J］.工礦自動化，2006，5:58 －60.