高轉(zhuǎn)速掃描激光雷達(dá)中探測器偏離焦平面的應(yīng)用

周 昊， 毛慶洲， 胡雪晴， 魏伊可， 張 旭

（武漢大學(xué) 遙感信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430079）

1 引 言

激光雷達(dá)（Light Detection and Ranging， Li-DAR）是一種快速獲取目標(biāo)三維空間信息的主動探測技術(shù)，廣泛應(yīng)用于測繪、遙感、目標(biāo)檢測、軌道檢測、導(dǎo)航和自動駕駛等領(lǐng)域［1-5］。在測量不同距離的目標(biāo)時，激光雷達(dá)返回的回波能量會達(dá)到非常大的動態(tài)范圍，根據(jù)激光雷達(dá)方程［6］，同一目標(biāo)在10 m 和1 000 m 處的回波能量相差可達(dá)40 dB。為了兼顧更高的測距精度和更遠(yuǎn)的測距能力，激光雷達(dá)常使用脈沖式激光和波形數(shù)字化的測距原理［7］。這就要求回波信號處于高速模數(shù)轉(zhuǎn)換（Analog to Digital Converter， ADC）芯片的模擬輸入電壓范圍內(nèi)，既要保證遠(yuǎn)距離回波信號高于檢測閾值，又要保證近距離回波信號不高于最大電壓，避免波形失真導(dǎo)致測距精度嚴(yán)重下降。

為了提高激光雷達(dá)的動態(tài)范圍，常用方法大致分為三類。從電子學(xué)角度，通過多路電路放大，實現(xiàn)不同的信號放大倍率，再通過選通模塊獲得有效信號［8-9］；自動增益控制技術(shù)，通過信號反饋調(diào)節(jié)電路增益系數(shù)實現(xiàn)信號的不同放大倍率，但存在反饋周期，不能很好地滿足地物多變的測量環(huán)境［10］；對數(shù)放大器［11］，其對弱信號的放大倍率高，對強(qiáng)信號的放大倍率低，但會加大噪聲，使得信噪比降低。從光學(xué)角度，使用多光路分光［8］，利用一定的分光比在不同光路獲得不同功率的光信號；孔徑光闌自動調(diào)節(jié)技術(shù)［12］，通過信號強(qiáng)弱的反饋操控孔徑光闌尺寸的變化，改變進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的光通量，該方法同樣存在反饋周期，且需新增機(jī)械控制部件，提高系統(tǒng)復(fù)雜度；旁軸收發(fā)光學(xué)系統(tǒng)［13］，通過收發(fā)光軸的非同軸設(shè)計降低近距離收光率，提高動態(tài)范圍，缺點是存在測距盲區(qū)。在信號處理角度，使用飽和信號的處理算法［14］解算近距離飽和信號的測距值，缺點在于飽和信號失真嚴(yán)重，測距精度較差；使用時數(shù)轉(zhuǎn)換（Time to Digital Converter， TDC）和ADC組合的方式［15］，利用TDC 對近距離強(qiáng)信號進(jìn)行測距，ADC 對遠(yuǎn)距離弱信號進(jìn)行測距，實現(xiàn)大動態(tài)范圍測距，該方法也會增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

在高轉(zhuǎn)速掃描激光雷達(dá)系統(tǒng)中，激光從發(fā)射到目標(biāo)回波返回存在時間差，會存在不同程度的脫靶現(xiàn)象，導(dǎo)致遠(yuǎn)距離回波經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)聚焦后無法完全被探測器接收，從而限制了測遠(yuǎn)能力。針對這種現(xiàn)象，胡以華等通過設(shè)計調(diào)節(jié)裝置，使得接收視場預(yù)先偏離一定角度來保證動態(tài)視場與激光束重合，但不同作業(yè)航高需設(shè)置不同調(diào)節(jié)檔，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度［16］。王春暉等使用會聚光束掃描降低脫靶量，但僅適用于小角度掃描［17］。Fu 使用校正鏡對偏移方向進(jìn)行實時補(bǔ)償，需要額外增加掃描補(bǔ)償機(jī)構(gòu)［18］。Ito 等使用雙楔形鏡補(bǔ)償脫靶量，在增加系統(tǒng)復(fù)雜度的同時需要對雙楔形鏡進(jìn)行精確控制［19］。此外，縮短焦距、使用微透鏡、半球鏡或錐形鏡等措施通過增加視場角也能改善脫靶現(xiàn)象，但視場角增大的同時會帶來更大的背景噪聲。本文提出了一種通過調(diào)節(jié)探測器靶面和焦平面的相對位置，改變不同距離回波光斑的收光率，從而改善高轉(zhuǎn)速掃描激光雷達(dá)的脫靶現(xiàn)象，提高遠(yuǎn)距離回波收光率的同時降低近距離強(qiáng)回波的收光率，擴(kuò)大激光雷達(dá)的動態(tài)范圍。

2 原 理

2.1 激光雷達(dá)系統(tǒng)組成

本文搭建的激光雷達(dá)系統(tǒng)如圖1 所示。其中，激光器用于發(fā)射脈沖激光；光學(xué)系統(tǒng)用于發(fā)射脈沖激光的準(zhǔn)直和目標(biāo)回波的聚焦；掃描機(jī)構(gòu)用于改變激光出射方向，掃描待測目標(biāo)；探測器用于將參考光和目標(biāo)回波進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換；整形及放大電路用于將探測器光電轉(zhuǎn)換后的微弱信號進(jìn)行整形放大；ADC 采集電路利用高速ADC 芯片將回波模擬信號進(jìn)行數(shù)字化；控制和信號處理模塊用于處理數(shù)字化回波信號，并輸出測距值，此外還有對激光器、掃描電機(jī)和外圍傳感器等部件的控制。

圖1 高轉(zhuǎn)速掃描激光雷達(dá)系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Composition of high speed scanning LiDAR system

2.2 激光雷達(dá)動態(tài)范圍分析

由激光雷達(dá)系統(tǒng)組成可知，回波信號分別經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換、電路放大、波形數(shù)字化及信號處理等步驟后解算為測距值，因此，激光雷達(dá)的動態(tài)范圍由光學(xué)動態(tài)范圍、模擬電路動態(tài)范圍和數(shù)字信號處理動態(tài)范圍共同決定。

光學(xué)動態(tài)范圍主要通過控制進(jìn)入探測器的光通量，壓縮光信號的動態(tài)范圍，因此它與模擬電路動態(tài)范圍和數(shù)字信號處理動態(tài)的范圍相互獨立。

電路放大采用多通道放大技術(shù)，使用多路不同增益的放大電路同時對信號進(jìn)行放大，利用多個ADC 通道采集不同放大倍率的模擬信號時，數(shù)字信號處理動態(tài)范圍最大為：

其中：k為ADC 通道數(shù)；為第i個通道中有效波形信號的最大幅值，由輸入波形信號最大幅值、量化位數(shù)和信號直流分量決定；為第i個通道中有效波形信號的最小幅值，由輸入波形信號最小幅值、噪聲和信號檢測能力決定。

本文在現(xiàn)有基礎(chǔ)上改變探測器靶面位置，使得不同距離回波對應(yīng)的接收光學(xué)系統(tǒng)效率發(fā)生改變，通過提高光學(xué)動態(tài)范圍達(dá)到提高激光雷達(dá)動態(tài)范圍的目的。

2.3 高轉(zhuǎn)速掃描激光雷達(dá)中的脫靶現(xiàn)象

在常用的旋轉(zhuǎn)反射鏡、多面鏡等掃描方式中，由于激光發(fā)射到回波接收存在時間差（Δt），在這個時間差內(nèi)，掃描機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)了一定角度，導(dǎo)致目標(biāo)回波被激光雷達(dá)接收時激光焦點與瞬時視場角中心產(chǎn)生偏移，即回波經(jīng)接收光學(xué)系統(tǒng)聚焦位置與探測器靶面中心產(chǎn)生了偏移，如圖2 所示。偏移的角度為：

圖2 高轉(zhuǎn)速掃描激光雷達(dá)中的脫靶現(xiàn)象Fig.2 Off-target phenomena in high scanning speed Li-DAR

其中：n為激光掃描線轉(zhuǎn)速，R為目標(biāo)與激光雷達(dá)之間的距離，c為光速。顯然，目標(biāo)距離越遠(yuǎn)、激光掃描角速度越高，偏移角度越大。當(dāng)偏移角度超過視場角后，系統(tǒng)無法接收到回波信號，產(chǎn)生脫靶現(xiàn)象，這會嚴(yán)重影響激光雷達(dá)高轉(zhuǎn)速掃描下的遠(yuǎn)距離測距能力。

3 探測器偏離焦平面的作用原理

3.1 徑向偏離

根據(jù)脫靶現(xiàn)象的特點，如圖3 所示，人為地將探測器靶面朝著遠(yuǎn)距離回波聚焦點進(jìn)行徑向偏離，使得遠(yuǎn)距離回波重新回到視場中，從而解決高轉(zhuǎn)速掃描條件下遠(yuǎn)距離回波的脫靶問題。

設(shè)接收光學(xué)系統(tǒng)的焦距為f，根據(jù)式（2），不同距離的目標(biāo)回波中心在焦平面上的位移量為：

在系統(tǒng)的最高轉(zhuǎn)速和最遠(yuǎn)測距指標(biāo)的限制下，回波光斑中心在靶面上的位移在0～?xmax之間。由于圓形探測器靶面存在半徑為r的約束，為保證系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下、對不同距離目標(biāo)的有效探測能力，徑向偏離值d需要滿足：

考慮到實際條件中激光束能量分布、目標(biāo)物表面特性、離焦、衍射和像差等因素的影響，回波聚焦在探測器靶面上為空間能量分布的光斑，在光斑靠近探測器邊緣時，接收到的回波能量也會發(fā)生不同程度的衰減。這種衰減無疑會降低遠(yuǎn)距離回波被接收的能量，從而影響激光雷達(dá)的遠(yuǎn)距離探測性能；而對于近距離回波，根據(jù)激光雷達(dá)方程，回波能量與距離平方成反比，近距離回波往往過強(qiáng)，導(dǎo)致信號飽和失真，此時衰減反而是有利的。

因此，理論上通過合理地調(diào)節(jié)探測器靶面的徑向偏離，能夠改善高轉(zhuǎn)速掃描激光雷達(dá)中的脫靶現(xiàn)象，提高遠(yuǎn)距離目標(biāo)的探測能力，并降低近距離目標(biāo)的強(qiáng)回波被接收的能量，從而提高激光雷達(dá)的測距動態(tài)范圍。

3.2 掃描方式的影響

掃描方式對脫靶現(xiàn)象有著重要的影響。式（2）中使用激光掃描線轉(zhuǎn)速而非電機(jī)轉(zhuǎn)速，是因為激光掃描線轉(zhuǎn)速不僅與掃描機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速有關(guān)，還與掃描方式有關(guān)，例如采用四棱鏡、激光發(fā)射和反射光均處于掃描平面的掃描方式時，激光掃描線轉(zhuǎn)速為掃描機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速的兩倍［20］。

當(dāng)探測器不隨掃描機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)時，回波光斑的位置不僅隨目標(biāo)距離的變化而變化，還與激光偏折方向有關(guān)。例如RIEGL VUX-1 的45°轉(zhuǎn)鏡實現(xiàn)的360°視場角掃描方式中，脫靶位移量的方向會隨轉(zhuǎn)鏡角度的變化而變化，相同脫靶量的光斑軌跡最終形成圓環(huán)狀，無法通過徑向偏離的方式解決脫靶問題；而RIEGL VUX-240 的四棱塔鏡掃描方式中，相同脫靶量的光斑軌跡最終形成1/4 圓弧狀，因此能夠通過徑向偏離的方式解決脫靶問題，如圖4 所示。

圖4 45°轉(zhuǎn)鏡和四棱塔鏡掃描方式的脫靶光斑軌跡Fig.4 Off-target spot trajectories in 45° rotating mirror and quadrangular tower mirror scanning modes

3.3 軸向偏離

如圖5 所示，遠(yuǎn)距離回波可近似為平行光，光斑聚焦在光學(xué)系統(tǒng)焦點；近距離回波聚焦在焦點之后的位置，該位置由高斯成像公式［21］計算獲得，即：

圖5 軸向偏離示意圖Fig.5 Schematic diagram of axial deviation

其中l(wèi)i為像距。一般而言，激光雷達(dá)的探測器靶面與光學(xué)系統(tǒng)之間的距離是固定的，因此不同距離的回波都會存在一定的離焦。工程應(yīng)用中，只要保證離焦光斑尺寸小于探測器靶面尺寸，即可保證回波能量全部被探測器接收。

不考慮衍射、像差等因素的影響，點光源在探測器平面的光斑直徑Dd可以由幾何關(guān)系得到，即：

當(dāng)離焦光斑尺寸大于探測器靶面尺寸時，僅有探測器靶面內(nèi)的回波能量被接收，等效于視場光闌限制了收光孔徑。遠(yuǎn)距離回波能量被衰減對于激光雷達(dá)系統(tǒng)而言是不利的，因此常常將探測器靶面固定在光學(xué)系統(tǒng)焦點附近或遠(yuǎn)距離回波能量最大的位置。

近距離回波能量衰減對于激光雷達(dá)系統(tǒng)而言是有利的，因此利用探測器靶面軸向偏離的離焦特性，理論上在軸向偏離量合理的情況下，同樣能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離目標(biāo)的微弱回波能量被全部接收，近距離目標(biāo)的強(qiáng)回波能量被衰減，進(jìn)而提高激光雷達(dá)系統(tǒng)的測距動態(tài)范圍。

3.4 回波光斑在探測器靶面上的能量分布

平行光線經(jīng)過理想光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)會聚于一點，實際過程中，由于激光束能量分布、目標(biāo)物表面特性、異性孔徑光闌［22］、離焦、衍射和像差等多種因素的影響，回波聚焦在探測器靶面上為具有一定空間能量分布的光斑。為方便分析，激光視為高斯光束，目標(biāo)視為朗伯體平面，并忽略像差的影響。根據(jù)高斯光束的傳播特性［23］，激光雷達(dá)發(fā)出的激光在距離為R的目標(biāo)上形成的光斑光強(qiáng)分布為：

其中：x，y代表徑向的空間位置，ω(R)為目標(biāo)位置光強(qiáng)降為中心光強(qiáng)1/e2處的光束半徑，Ie為光強(qiáng)系數(shù)，λ為波長，ω0為束腰半徑，α為激光發(fā)散角。根據(jù)高斯成像公式，理想條件下其在像平面的光強(qiáng)分布為：

其中Ir也為光強(qiáng)系數(shù)。考慮衍射和離焦情況，無窮遠(yuǎn)點光源發(fā)出的平行光經(jīng)異形孔徑光闌和光學(xué)系統(tǒng)后，像方空間的光強(qiáng)分布為［22］：

其中：?z為離焦量，A為入射平面波振幅，k為波數(shù)，t(x，y)為異形孔徑復(fù)振幅透過率。

近距離的點目標(biāo)可以等效為無窮遠(yuǎn)目標(biāo)經(jīng)過凹透鏡后，再由光學(xué)系統(tǒng)聚焦，如圖6 所示。此時，該虛擬凹透鏡與光學(xué)系統(tǒng)組成的等效光學(xué)系統(tǒng)的焦平面為近距離點目標(biāo)的像平面，即等效焦點為像距。

圖6 近距離目標(biāo)的等效光學(xué)系統(tǒng)Fig.6 Equivalent optical system for close-range targets

因此，對于近距離目標(biāo)，式（11）中的等效焦距和等效離焦量隨目標(biāo)距離R的變化而變化，即：

將點光源的光強(qiáng)三維空間能量分布視為點擴(kuò)散函數(shù)，最終回波光斑在探測器靶面位置的光強(qiáng)分布為：

考慮脫靶現(xiàn)象產(chǎn)生的光斑偏移和探測器徑向偏離，此時落在靶面上的能量占比（以下稱為收光率）為：

4 實驗結(jié)果與分析

為了驗證上述理論，直觀地反映探測器偏離焦平面的影響，以及獲得探測器偏離焦平面的實際效果，實驗分為數(shù)值仿真和實測實驗。

數(shù)值計算參數(shù)設(shè)置如下：激光波長λ=1 550 nm，激光發(fā)散角α=0.5 mrad，接收光學(xué)系統(tǒng)口徑D=40 mm，焦距f=32 mm，探測器靶面半徑r=100 μm，激光掃描線轉(zhuǎn)速n=75 Hz，目標(biāo)距離R=1～1 000 m，光速c=299 792 458 m/s。其余參數(shù)或參數(shù)變更會在實驗中進(jìn)行說明。

4.1 徑向偏離仿真

設(shè)置軸向偏離量ld=0，即探測器位于焦平面，此時收光率與徑向偏離量和目標(biāo)距離的關(guān)系如圖7 所示。

圖7 徑向偏離與收光率的關(guān)系（n=75 Hz）Fig.7 Relationship between radial deviation and light-receiving efficiency（n=75 Hz）

在目標(biāo)距離較近時，回波光斑基本不產(chǎn)生偏移，當(dāng)徑向偏離量超過探測器半徑時，回波收光率減少。當(dāng)目標(biāo)距離逐漸變遠(yuǎn)時，回波光斑產(chǎn)生偏移，此時人為將探測器靶面朝著回波光斑偏移方向進(jìn)行徑向偏離，能夠保證遠(yuǎn)距離回波能量被完全探測，反之則會導(dǎo)致遠(yuǎn)距離回波收光率急劇下降。徑向偏離量超過探測器半徑后，中近距離回波收光率會迅速降低。

目標(biāo)距離固定的情況下調(diào)整徑向偏離量，收光率在1～0 之間存在一定的漸暈，這是因為回波光斑具有一定尺寸，漸暈時僅部分能量被探測器接收。近距離回波收光率降低，漸暈增大，是由于此時成像面位于焦平面之后，探測器靶面上的光斑為離焦圖案，光斑增大甚至超過了探測器靶面直徑，導(dǎo)致收光率下降。

4.2 軸向偏離仿真

收光率與軸向偏離量和目標(biāo)距離的關(guān)系如圖8 所示。在n=0 Hz，d=0 μm 的條件下，遠(yuǎn)距離回波成像面接近焦平面，近距離回波成像面在焦平面之后，探測器靶面與成像面不一致導(dǎo)致探測器靶面上的光斑出現(xiàn)不同程度的擴(kuò)大，造成收光率的變化。因此，圖8（a）中隨著軸向偏離量的增大，即探測器靶面朝焦后移動，近距離回波的收光率提高，達(dá)到一定距離后遠(yuǎn)距離回波光斑大于探測器靶面半徑，收光率降低。反之，探測器靶面朝焦前移動，則會使近距離回波的收光率降低。由于軸向偏移會改變光斑尺寸，為保證某一距離的回波光斑被探測器全部接收，軸向偏離的調(diào)節(jié)存在一個窗口范圍，超出窗口范圍后收光率會下降。

圖8 不同條件下軸向偏離與收光率的關(guān)系Fig.8 Relationship between axial deviation and light-receiving efficiency under different conditions

當(dāng)存在脫靶現(xiàn)象時，不同距離的收光率會變化。如圖8（b）所示，在n=75 Hz，d=0 μm 的情況下，目標(biāo)距離越遠(yuǎn)，光斑中心與靶面邊緣越接近，從而導(dǎo)致軸向偏離的窗口范圍縮小直至消失。

在加入徑向偏離d=50 μm 后，如圖8（c）所示，軸向偏離的窗口范圍隨著距離的增加先增大后減小。這是由于加入徑向偏離后，窗口范圍最大時，該距離的回波脫靶量正好為徑向偏離量，而遠(yuǎn)于或近于該距離的回波都偏離靶面中心，造成軸向偏離的窗口范圍減小。隨著徑向偏離量增加至d=100 μm，如圖8（d）所示，軸向偏離窗口范圍最大對應(yīng)的距離更遠(yuǎn)，而近距離目標(biāo)的窗口范圍逐漸縮小直至消失。

因此實際應(yīng)用中，軸向偏離與徑向偏離都會影響收光率，徑向偏離一方面能夠改善遠(yuǎn)距離目標(biāo)的脫靶現(xiàn)象，另一方面會影響軸向偏離的窗口尺寸，設(shè)計時需要綜合考慮。

4.3 徑向偏離實驗

為了驗證徑向偏離的影響，首先使用平行光管將探測器靶面中心與無窮遠(yuǎn)回波光斑中心調(diào)節(jié)至重合。實驗?zāi)繕?biāo)為窗戶外建筑物群，激光沿水平面方向掃描（為獲取盡可能多的目標(biāo)，略微調(diào)整了俯仰角），掃描方式為四棱塔鏡掃描，激光掃描線轉(zhuǎn)速分別設(shè)為10，75 Hz。每次調(diào)節(jié)10 μm的徑向偏離量，并采集建筑物群截面的點云。

從每個點云中以10 m 為分區(qū)統(tǒng)計區(qū)域內(nèi)所有目標(biāo)亮度的平均值，共150 個分區(qū)，覆蓋0～1 500 m 的目標(biāo)。最后對同一距離分區(qū)的亮度平均值進(jìn)行歸一化，作為收光率。實驗結(jié)果如圖9 所示。在激光掃描線轉(zhuǎn)速為10 Hz 時，遠(yuǎn)距離回波脫靶現(xiàn)象不明顯，可以看到實驗設(shè)備最遠(yuǎn)能夠測到約1 300 m 處的建筑，徑向偏離量在超過±100 μm 后，所有距離回波的收光率都急劇下降。在激光掃描線轉(zhuǎn)速為75 Hz，徑向偏離量為0 μm 時，最遠(yuǎn)僅能測到約800 m 處的建筑，在反方向增大徑向偏離量后，脫靶問題更為嚴(yán)重，遠(yuǎn)距離回波探測能力隨之下降。在增大徑向偏離量后，逐步能夠測到約1 100 m 和1 300 m 的目標(biāo)，說明高轉(zhuǎn)速下，將探測器進(jìn)行合理的徑向偏離能夠解決遠(yuǎn)距離回波的脫靶問題。在徑向偏離量超過100 μm 后，近距離回波收光率下降而遠(yuǎn)距離回波收光率仍有較高水平，與理論分析一致。

綜上所述，高轉(zhuǎn)速下，探測器朝著遠(yuǎn)距離回波脫靶方向進(jìn)行合理的徑向偏離后，能保證遠(yuǎn)距離收光率，解決脫靶問題，也能降低近距離強(qiáng)回波的幅值，提高測距的動態(tài)范圍。

4.4 軸向偏離實驗

從仿真結(jié)果來看，軸向偏離對近距離回波的影響更為顯著。為此，設(shè)置了分別距離激光雷達(dá)5，15，50 m 的標(biāo)準(zhǔn)反射率板作為待測目標(biāo)。與徑向偏離實驗中一樣，首先使探測器靶面中心與無窮遠(yuǎn)回波光斑中心重合。

實驗中，激光掃描線轉(zhuǎn)速以75 Hz 對3 個目標(biāo)進(jìn)行掃描，通過10 μm 的步進(jìn)調(diào)節(jié)軸向偏離量，并分別統(tǒng)計每個目標(biāo)在點云中的亮度平均值。對每個目標(biāo)點云的亮度平均值分別做歸一化處理，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為收光率。

進(jìn)行了兩組實驗，實驗結(jié)果如圖10 所示。圖10（a）中垂直于脫靶位移方向的徑向方向偏差為0 μm，圖10（b）中垂直于脫靶位移方向的徑向方向偏差為70 μm。從結(jié)果可以看出，實測收光率基本符合理論分析的規(guī)律，差異來源可能包括像差、激光與光軸角度偏差、探測器靶面響應(yīng)均勻性、人工調(diào)節(jié)誤差等因素的影響。當(dāng)垂直于脫靶位移方向的徑向方向偏差從0 μm 增大至70 μm時，最大收光率的軸向偏離量窗口也從約210 μm變窄至約60 μm，5 m 近距離回波在焦平面處的收光率也從0.78 降至0.42，而遠(yuǎn)距離回波收光率基本不變。

圖10 不同條件下軸向偏離與收光率的實驗結(jié)果Fig.10 Experimental results of axial deviation and lightreceiving efficiency under different conditions

在第一組實驗中，軸向偏離量分別為-100，0，100 μm 時，50 m 目標(biāo)的收光率分別為0.94，1.00，0.97，5 m 目標(biāo)的收光率分別為0.35，0.78，0.99，即僅通過調(diào)節(jié)軸向偏離量，在遠(yuǎn)距離回波收光率基本不變的情況下，近距離回波收光率可降低約70%。

綜上所述，探測器位于焦前位置，既能保證遠(yuǎn)距離收光率，又能降低近距離強(qiáng)回波的幅值，提高測距的動態(tài)范圍。

5 結(jié) 論

為解決高轉(zhuǎn)速掃描激光雷達(dá)中的脫靶問題，并在已有的電路和信號處理動態(tài)范圍的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高激光雷達(dá)的測距動態(tài)范圍，本文提出了探測器偏離焦平面的方法。首先，介紹了掃描激光雷達(dá)的系統(tǒng)組成、動態(tài)范圍和高轉(zhuǎn)速下的脫靶現(xiàn)象。然后分析了探測器在徑向和軸向上偏離的作用效果、回波光斑在探測器平面位置的能量分布。最后，通過數(shù)值仿真，給出了收光率隨目標(biāo)距離、激光掃描線轉(zhuǎn)速、徑向偏離量和軸向偏離量的變化情況，并進(jìn)行了實驗驗證。實驗結(jié)果表明，實測數(shù)據(jù)基本符合理論模型，在75 Hz 四棱塔鏡掃描方式下，通過調(diào)節(jié)徑向偏離，最遠(yuǎn)測距目標(biāo)從約800 m 提高至約1 300 m；通過調(diào)節(jié)軸向偏離，保證遠(yuǎn)距離回波收光率基本不變的情況下，5 m 目標(biāo)的收光率可降低70%左右。該方法基本解決了遠(yuǎn)距離回波脫靶問題，提高了高轉(zhuǎn)速掃描激光雷達(dá)的測距動態(tài)范圍，為工程實踐提供了理論支撐，具有一定的指導(dǎo)意義。