基于直線型Sagnac 干涉儀結構的脈沖激光雷達*

袁羽齊，陳雯柏

（1.北京郵電大學國際學院，北京 100876；2.北京信息科技大學自動化學院，北京 100101）

0 引言

脈沖激光雷達原理簡單、實現方便、技術成熟度高，在導彈制導、船舶導航、三維成像、戰場偵察、氣象觀測、現代制造、三維形態測量、自動駕駛等軍事和民用領域有著廣泛的應用［1-6］。但在日光環境下，激光雷達難以達到夜間的運行效果。太陽光會產生干擾，在接收信號中形成難以消除的噪聲［7-8］。評估太陽背景噪聲是激光雷達設計的重要步驟，Agishev 等提出了結合APD/PMT 型激光雷達探測器硬件參數，預測其接收的太陽背景噪聲的公式［9］。Gluckman 等在設計激光雷達算法時指出，將太陽背景輻射與有用信號分離是設計信號處理算法時的關鍵步驟［10］。然而在大多數情況下，激光雷達白天探測時通過濾波器和信號處理算法進行抑制，并不能徹底移除太陽背景噪聲［11］。此外，在附近有多個脈沖激光雷達同時工作時，脈沖激光雷達可能會由于從其他激光雷達系統接收到的脈沖干擾而完全無法工作［11-13］。為了解決這些問題，一些脈沖激光雷達方案開始通過將發射信號分成多個脈沖來引入編碼技術。但是，測距性能與系統的峰值功率成正比，將可用能量分成多個脈沖會導致測距性能的下降。另外，這種技術受電學方法產生的碼率和碼長的限制，需要價格昂貴的隨機碼發生器和高速外部調制器，成本高且維護、調試困難［14］。基于相干技術調頻連續波（FMCW）雷達可以很好地抵抗抗背景光的干擾，但其機制復雜、計算能力需求大，成像速度也較慢，且探測精度高度依賴于“啁啾”的線性度，還沒能看到市場化的前景［15］。光學混沌激光雷達理論上具有很強的抗干擾能力［16］，但是由于混沌光信號生成需要復雜的光學系統，嚴重地制約了混沌激光雷達的普及和商業化。由于激光波束很窄，空間干擾概率較低，到目前為止，激光雷達的干擾問題尚未引起足夠的重視，但是，隨著人工智能技術的深入發展，智能車輛的駕駛環境從結構化道路拓展向非結構化道路，需要處理的問題越來越復雜，激光雷達的干擾問題將成為重要的研究方向［17-18］，為解決脈沖激光雷達環境光干擾的問題，本文提出一種直線型光纖Sagnac 干涉儀結構的脈沖，激光雷達方案。利用此方法探測待測目標的激光脈沖，往返兩次通過延遲干涉儀形成直線型Sagnac 干涉，其干涉脈沖由平衡光電探測器檢出，利用飛行時間法來進行待測目標距離檢測，環境干擾光單次通過延遲干涉儀，因不符合相干條件，經過平衡光電探測器光電轉換后被抵消。該方案相較于傳統方案雖然增加了干涉儀結構，但考慮到利用光纖來實現延遲反射儀是成熟的技術，成本不高，也不增加過多體積，其系統復雜度只是略有增加，但可有效地抵消太陽光等背景環境光的干擾。

1 脈沖激光雷達的背景光干擾問題

激光雷達系統原理如圖1 所示。光發射器由脈沖驅動器和半導體激光裝置組成，產生具有峰值功率的短激光脈沖，然后直接發送到待測目標。光接收器對待測物體的反射脈沖信號進行處理，利用脈沖的飛行時間來計算目標距離。

光接收器接收到的光信號要超過一定的閾值才能被正確檢測到，衡量激光雷達發射功率與接收功率之間的關系可用式（1）表示。

其中，Pr為接收功率，Ps為發射激光的峰值功率，Tα為發射器到目標的大氣透過率，ρ 為目標系統反射系數，D 為接收天線孔徑，ηs為發射光學天線系統效率，ηγ為接收光學系統天線效率，R 為發射器到目標的距離。

根據式（1）可以確定激光雷達的接收功率。在接收功率一定的前提下，影響激光雷達性能取決于噪聲的大小。激光雷達光電檢測的噪聲來源主要有：散粒噪聲、熱噪聲、1/f 噪聲，產生-復合噪聲和背景噪聲等。其中，背景噪聲主要包括從太陽、地球、星體、大氣、云或一些人造光源輻射到光電探測器的光信號。激光雷達的探測光線有一定的偏角，這使得在距離遠處激光雷達的光斑增大，被探測物體上的探測光輻射照度減少。當探測光輻照度小于背景噪聲在探測物體上的輻照度時，背景噪聲會將探測信號淹沒。

太陽光是激光雷達背景噪聲的一個主要來源，從下頁圖2 可以看出，在激光雷達常用的1 550 nm、905 nm 與850 nm 中都含有一定的光譜背景噪聲，其中850 nm 尤為嚴重。這也是盡管硅基CMOS 探測器在850 nm 處比在較長波長處的靈敏度高得多，但大多數廠商還是選擇環境光干擾更小的905 nm或1 550 nm 的光源的原因。這也從一個側面說明了對于脈沖激光雷達，目前還沒有很好的環境光干擾抑制技術。這個問題對多個激光雷達間的光干擾問題來說更為棘手。

圖2 環境中太陽光譜輻照度

2 抵消背景光干擾的激光雷達系統

在介紹本文提出的抵消背景光干擾激光雷達系統前，先分析一下光相干時間和相干長度的概念。相干時間反應同一光源在不同時刻發出的光的干涉性，即凡是在 s 時間內發出的光都是相干的，相干長度l 定義為相干時間乘以介質中的光速。在真空中，對于中心波長為，帶寬為的光源，其相干長度l 如式（2）所示：

如果假設波長為1 550 nm，光源的帶寬為10 nm，可以簡單地計算出此光源的相干長度為0.24 mm。

2.1 基于直線型Sagnac 干涉結構的脈沖激光雷達方案

圖3 為本文提出的抵消背景光干擾的脈沖激光雷達方案的系統結構。下面利用光的相干長度概念來分析其抵消背景光干擾的原理。圖3 中，從光源發出的脈沖光信（脈沖寬度為）號經過光環形器1 進入馬赫曾特延遲干涉儀的一個輸入臂，馬赫曾特延遲干涉儀的臂長差為T，進一步假定＜T；經過馬赫曾特延遲干涉儀后，光脈沖信號變成相距為T 的兩個光脈沖，這一對光脈沖信號經過環形器2 后，由光學發送天線準直后形成激光雷達探測信號；此一對激光雷達光探測信號被目標體反射后回到激光雷達的光學接收天線，并由環形器2 再次引入馬赫曾特延遲干涉儀；進入延遲干涉儀的一對回波光探測信號耦合進延遲干涉儀的兩個臂傳輸后，由另一段的耦合器耦合出干涉儀，進入平衡光電探測器進行光電轉換，并對轉換后的電信號作減法輸出。

圖3 抗背景光干擾的脈沖激光雷達方案

上述探測光在馬赫曾特延遲干涉儀中的兩次傳輸過程，如圖4 所示。

圖4 延遲干涉儀中的探測光信號傳輸

圖4 顯示了探測光信號在延遲干涉儀中往返通行后的4 種不同路徑，將其命名為a1、a2、b1 和b2。其中光信號a2 和b1 通過等長的光路，它們是相干光，將在平衡探測器中檢測出電脈沖。由于＜T經過a1 和b2 傳輸的光脈沖信號無法相遇，它們將分別最終在進入平衡探測器的兩個臂上均等輸出，因此，將被抵消掉。這里假定＜T 只是為了分析方便，當＞T 時，只要信號光源的相干長度大于T 時，a1 和b2 傳輸的光脈沖信號也會被平衡探測器抵消，圖3 和圖4 中探測信號光的這種干涉方案也被稱作直線型sagnac 干涉儀結構［19］，此干涉儀結構方案被廣泛應用在光纖周界傳感等領域。

由圖3 可知，激光器發出的光注入到光纖中，入射光的光場可以表達為：

式中，E0為光波的振幅，ωc為光波的頻率，k0為光波在真空中傳播的常數，n 為石英單模光纖纖芯的折射率，x 為光波傳播過程中通過的光程

圖3 中的延遲干涉儀可以進一步由圖5 所示的方式表示，圖5 中T1表示光纖耦合器Coulper1 的瓊斯矩陣（或稱傳輸矩陣），T2表示延遲干涉儀兩個傳輸臂的瓊斯矩陣，T3與T1相同于光纖耦合器的傳輸矩陣。

圖5 利用瓊斯矩陣分析延遲干涉儀

光纖耦合器1 和光纖耦合器2 的耦合系數為0.5，其瓊斯矩陣為：

延遲干涉儀兩個傳輸臂的瓊斯矩陣T2可以表示為：

根據圖5 以及式（4）和式（5），延遲干涉儀輸出端口7 和8 的輸出結構可以表示為：

式（6）描述了信號光單次經過延遲干涉儀的情況，圖4 所示的完整的光信號分析要再次利用從式（6）所示的方式，這里不再進一步分析。

2.2 抵消背景光干擾的機理分析

下面分析如何利用直線型Sagnac 干涉儀抵消環境干擾。

2.2.1 太陽光等背景干擾的抵消

背景干擾中的太陽光是寬帶光源，根據前面關于光源相干長度的討論，其相干長度要遠在毫米（mm）以下。進一步假定探測脈沖的寬度為1 m，延遲干涉儀的臂長差就要大于1 m。這樣，圖3 所示進入延遲干涉儀的寬光譜的太陽光就遠離干涉儀的相干條件，無法在臂長差1 m的馬赫曾特干涉儀上實現干涉輸出，因此，平衡探測器將抵消進入延遲干涉儀的太陽背景干擾光。

2.2.2 其他傳統TOF 激光雷達干擾的抵消

如果干擾信號是其他傳統TOF 激光雷達照射在待測目標體上的光脈沖信號，根據前面的討論，只要延遲干涉儀的臂長差大于干擾光脈沖信號的脈寬，干擾光脈沖將無法在延遲干涉儀上相遇并干涉，因此，將被平衡探測器抵消。目前市場上的TOF激光雷達的脈沖寬度基本為米（m）級別，而圖4 方案中延遲干涉儀的臂長差可以方便地定位1 m～10 m、1 m～100 m 級別。這樣，傳統TOF 激光雷達的脈沖光信號將很容易被抵消。進一步考慮到目前非相干TOF 激光雷達光源的相干長度一般不超過10 m，因此，即使其脈寬大于延遲干涉儀的臂長差，也不會形成干涉條件，因此，將被抵消。

2.2.3 其他與本方案同類型的激光雷達干擾抵消

最后討論與本方案同類型的激光雷達之間光干擾的抵消方案。根據前面討論適當選取光源的譜寬，可以很容易地將其相干長度控制在毫米以下，甚至幾十微米的量級，這樣只要可能構成干擾的兩個激光雷達的延遲干涉儀的臂長差的差值大于此相干長度，就能避免兩個激光雷達之間的干擾。在1 m～10 m、1 m～100 m 甚至更高的延遲干涉儀臂長差范圍內，可以有幾十萬個不相干的激光雷達方案，這類似于通信領域的空分復用的概念，將大大降低不同激光雷達間干擾的可能。

3 試驗研究

本節基于OptiSystem 仿真平臺，對直線Sagnac結構脈沖激光雷達，與傳統的TOF 激光雷達的抗干擾性能進行仿真研究。

下頁圖6 為傳統的TOF 激光雷達仿真圖。主要仿真過程為：比特序列發生器1 產生序列1000000000000000，此序列利用脈沖發生器產生電驅型號驅動直接調制激光器1 產生一個脈沖激光，利用反射鏡1 來表示激光雷達待探測物體，利用光衰減器來表示雷達方程中的綜合損耗；利用比特序列發生器2 產生序列10101111111111111 來模擬產生背景光干擾信號，其中，連1 部分表示太陽光等緩變的光信號1010 表示其他激光雷達的干擾信號；激光雷達發出的探測脈沖光信號與背景光干擾信號合路后由APD 光電探測器檢測，經過濾波后由示波器顯示。

圖6 傳統TOF 方案脈沖激光雷達系統仿真

圖7 為本文提出的直線型光纖Sagnac 結構抗背景光干擾脈沖激光雷達的仿真圖。該方案在圖6基礎上，增加了兩個延遲馬赫增特干涉儀（延時33 ns）來模擬圖3 所示的直線型Sagnac 方案結構，增加了兩個光信號時域顯示儀，來觀察兩個不同序列產生的光脈沖信號。圖6 與圖7 設置相同的仿真條件，如表1 所示。

圖7 直線Sagnac 結構脈沖激光雷達抗干擾性能仿真

表1 仿真條件

圖8 給出了本文提出的直線Sagnac 結構脈沖激光雷達方案，與傳統TOF 激光雷達的抗干擾性能比較。圖8（a）、圖8（b）分別為兩個方案中信號探測光的脈沖和背景干擾光信號的可視化結果；圖8（c）為基于圖6 搭建的傳統TOF 激光雷達仿真系統的雷達接收端信號可視化仿真結果，圖8（d）為基于本文提出的直線Sagnac 結構脈沖激光雷達方案，搭建的激光雷達仿真系統的雷達接收端信號可視化仿真結果。比較圖8（c）和圖8（d）可以看出，傳統的TOF 激光雷達檢測到的是33 ns 處的激光雷達探測信號和背景光干擾信號的混合信號，無法加以區分。而本文提出的方案，雷達接收端信號只將33 ns處的激光雷達探測信號檢出，背景光干擾信號基本上被消除。

圖8 本文方案與傳統TOF 激光雷達的抗干擾性能比較

4 結論

本文提出了一種新型的直線型光纖Sagnac 干涉儀結構的脈沖激光雷達方案。其優點在于，通過探測目標的激光脈沖往返兩次通過延遲干涉儀形成直線型Sagnac 干涉，使得平衡光電探測器能夠檢出干涉脈沖，而抵消掉環境干擾信號。雖然增加了干涉儀結構使得系統復雜度略有增加，但考慮到利用光纖來實現延遲反射儀是成熟的技術，成本不高，也不增加很多體積，因此，這是可以接受的。

當綜合考慮探測光的相干長度、延遲干涉儀的臂長差等因素的條件下，此方案不僅能有效抵消太陽光等背景環境光的干擾，還能解決不同激光雷達之間的相互干擾，此方案實現形式簡單，性能可靠，預計未來將在軍事和民用領域得到廣泛的應用。