光电子学与光电子技术激光雷达
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激光雷达成像技术
1) 激光测距的原理
激光测距的基本原理，是通过测算激光发射、激 光回波信号的往返时间，而计算出目标的距离。
t2 L C
LCt 2
光电子学与光电子技术激光雷达
激光雷达测距方式
1. 时间—时间（直接飞行时间“Direct Time-of-Flight (TOF)” ）
2. 时间—相位————（连续波振幅调制的相位 “Phase-Based AM-CW ）
光电子学与光电子技术激光雷达
光电子学与光电子技术激光雷达
脉冲飞行时间测量法（1）
图-1纯脉冲飞行时间物理过程
光电子学与光电子技术激光雷达
（1）单脉冲激光测距雷达
发射天线
脉冲激光器
泵浦源
接收天线
光电管
显示器
计数器
电子门
脉冲放大 及整形
门控
时标振荡器
复位电路
光电子学与光电子技术激光雷达
CC
CN
L t Nt
从统计规律的，它表征多次测距数据的分散程度，是设备
本身精度高低的标志；二是未修正的系统误差，它是一种
固定的或服从一定函数关系的误差。原则上，系统误差是
可以消除的，但由于采取的修正方法不同，或多或少地要
残留下一部分
随机误差 距离计数器时钟频率漂移引起的频率误差：
当作用距离为R时，计数器频率稳定度为f/f时，所引
测尺频率 测尺长度 精度为1‰
15MHz 10m 1cm
150kHz 1km 1m
15kHz 10km 10m
1.5kHz 100km 100m
测尺长度由测尺频率确定，各测尺间频率相差较大.
光电子学与光电子技术激光雷达
如：为测量276.34m距离，选用10m测尺，精度为1 ‰， 即精度为 1cm,相应测尺频率
R 4 [ N l 0 ( R 1 R 2 R 3 )]
由此可见，随机误差在光脉冲测距过程中是必须考虑的 因素，是无法校正和补偿的，
而系统误差因素在信号检测电路中，可以采取相关技术 措施进行校正和补偿，使其小于随机误差。
校正和补偿系统误差基本原则，也就是在计数器所记录 下的总的脉冲回波延时中，事先扣除掉上述三个因素所产 生的固定延时误差，而固定延时误差将由更精密的激光测 距机实验测量得到。
3. 时间—频率————（连续波振幅啁啾调制 “Chirped AM-CW ），（“连续波频率啁啾调制 “Frequency chirp (FM-CW)” ）
4. 时间—增益————（增益调制）
5. 时间—位置————（MSTIL）
由于工作体制的限制，无法直接获得距离信息，需要通 过调制的方式将距离信息加载到目标强度信息中，再通过对 应的解算方法提取出目标的距离信息。
光电子学与光电子技术激光雷达
连续波幅度调制相位测量法
连续波相位测距雷达是
根据调制光波传播距离的相
位变化来判测目标距离的。
图-2 飞行时间决定相位的物理过程
LCt 2
L
C 2
0
L
C 2 f0
2
f 光电子学与光电子技术激光雷达
Baidu Nhomakorabea
0 为调制频率，
（2) 连续波相位测距
连续波相位测距雷达是根据调制光波传播距离的相位
22
2 f0
系统的分辨率决定于计数脉冲的频率。若要求分辨
力为1m，要求计数脉冲的频率为
L C t C 1
2
2 f0
C
f0
150MHz
21m
由于计数脉冲的频率不能无限止地提高，所以脉冲
激光测距的精度一般较低，现在可以达到mm量级.
光电子学与光电子技术激光雷达
测距（精度）误差
测距误差由两部分组成：一是随机误差。随机误差是服
变化来判测目标距离的。
f0
由于
LCt
L
2
为调制频率， L0
＝ N2
C2C
0
2 f0
1 2
0
L C 2 f0 2
为测尺长度。
L 2 C f0 2 2 C f0 N 2 L 0N N
其中
N 2
是相移不足2π的尾数，
调整 f 0 ，改变测尺长度L0’，使N=0, 测出相位
大气折射率造成的实际光速不等于真空光速的误差。对大目
标有如下经验公式
R2
N 2F0
(c0
c)
n [ 7.7 809 P /T 1 1 6 .2 1 8 e /3 T 8 ] 1 5 6 0 1
P、T分别为大气的压力和温度。
光电子学与光电子技术激光雷达
在计算系统延时误差时，必须考虑回波延时的两种定义 方法：以目标回波脉冲前沿作为它到达时刻；以回波脉冲 中心作为它到达时刻。这两种定义的差异所引起的固定延 时差为3dB /2，可以记为R3。 系统时间延时总误差的修正公式：
L0 2Cff0 0 2 12C L 0 0＝ 13 02 m 1 10 0 80.测15 得 61 .0 38 4m15M H z
选用1000m测尺，精度为1％，即精度为 1m,相应测尺频率
L0
C 2f0
1 20＝ 1000m
测得276m
起的标准误差1服从标准等概率分布E(0,1)，即：
1
R f 23 f
距离计数器中有限分辨率引入的量化误差： 计数器中由于有限分辨率而引入的量化误差也服从等概
率分布，如果计数器光距电离子学分2与光辨电子率2技1为术3激ll0光0,雷则达它的标准误差2为：
由激光脉冲有限上升时间引起的探测误差:
激光发射脉冲有限上升时间所引入的误差也服从等概
光电子学与光电子技术激光雷达
系统误差
在计数器时标振荡器周期T0（相应频率为F0）时间内，光 在真空中传播的距离（T0*c0）/2（1/2是考虑到往返双程）
与计数器分辨率不等引起的误差。这时误差用下式进行修正：
R1
N(l0
c0 2F0
)
式中N是计数器平均读数，c0是真空中光速，F0是计数器
时标振荡器频率。
Δφ，就可得到距光离电子值学与L光.电子技L术激光雷L达'0NL'02'
模糊距离
r AM c
2 2FAM
信噪比与测距 精度
举例1
光电子学与光电子技术激光雷达
实际的相位测距雷达，选用不同的测尺长度， 得到单一的、精确测距结果。
①分散的直接测尺频率方式， 适用于中、短程(<5km)相位式光电测距雷达，
率分布，则它的标准误差3为
3
c
43
式中为回波脉冲前沿，它取决于主脉冲前沿、接收元件 响应时间、负载电阻引起的RC时间延迟和放大器的带宽
目标距离参量估计引起误差
4
2B
1 SNR
从以上随机误差分析来看，主要是计时量化误差1和 探测误差2起作用，其它可能存在随机误差相对于这两 个误差数值都很小，可忽略不计。
1) 激光测距的原理
激光测距的基本原理，是通过测算激光发射、激 光回波信号的往返时间，而计算出目标的距离。
t2 L C
LCt 2
光电子学与光电子技术激光雷达
激光雷达测距方式
1. 时间—时间（直接飞行时间“Direct Time-of-Flight (TOF)” ）
2. 时间—相位————（连续波振幅调制的相位 “Phase-Based AM-CW ）
光电子学与光电子技术激光雷达
光电子学与光电子技术激光雷达
脉冲飞行时间测量法（1）
图-1纯脉冲飞行时间物理过程
光电子学与光电子技术激光雷达
（1）单脉冲激光测距雷达
发射天线
脉冲激光器
泵浦源
接收天线
光电管
显示器
计数器
电子门
脉冲放大 及整形
门控
时标振荡器
复位电路
光电子学与光电子技术激光雷达
CC
CN
L t Nt
从统计规律的，它表征多次测距数据的分散程度，是设备
本身精度高低的标志；二是未修正的系统误差，它是一种
固定的或服从一定函数关系的误差。原则上，系统误差是
可以消除的，但由于采取的修正方法不同，或多或少地要
残留下一部分
随机误差 距离计数器时钟频率漂移引起的频率误差：
当作用距离为R时，计数器频率稳定度为f/f时，所引
测尺频率 测尺长度 精度为1‰
15MHz 10m 1cm
150kHz 1km 1m
15kHz 10km 10m
1.5kHz 100km 100m
测尺长度由测尺频率确定，各测尺间频率相差较大.
光电子学与光电子技术激光雷达
如：为测量276.34m距离，选用10m测尺，精度为1 ‰， 即精度为 1cm,相应测尺频率
R 4 [ N l 0 ( R 1 R 2 R 3 )]
由此可见，随机误差在光脉冲测距过程中是必须考虑的 因素，是无法校正和补偿的，
而系统误差因素在信号检测电路中，可以采取相关技术 措施进行校正和补偿，使其小于随机误差。
校正和补偿系统误差基本原则，也就是在计数器所记录 下的总的脉冲回波延时中，事先扣除掉上述三个因素所产 生的固定延时误差，而固定延时误差将由更精密的激光测 距机实验测量得到。
3. 时间—频率————（连续波振幅啁啾调制 “Chirped AM-CW ），（“连续波频率啁啾调制 “Frequency chirp (FM-CW)” ）
4. 时间—增益————（增益调制）
5. 时间—位置————（MSTIL）
由于工作体制的限制，无法直接获得距离信息，需要通 过调制的方式将距离信息加载到目标强度信息中，再通过对 应的解算方法提取出目标的距离信息。
光电子学与光电子技术激光雷达
连续波幅度调制相位测量法
连续波相位测距雷达是
根据调制光波传播距离的相
位变化来判测目标距离的。
图-2 飞行时间决定相位的物理过程
LCt 2
L
C 2
0
L
C 2 f0
2
f 光电子学与光电子技术激光雷达
Baidu Nhomakorabea
0 为调制频率，
（2) 连续波相位测距
连续波相位测距雷达是根据调制光波传播距离的相位
22
2 f0
系统的分辨率决定于计数脉冲的频率。若要求分辨
力为1m，要求计数脉冲的频率为
L C t C 1
2
2 f0
C
f0
150MHz
21m
由于计数脉冲的频率不能无限止地提高，所以脉冲
激光测距的精度一般较低，现在可以达到mm量级.
光电子学与光电子技术激光雷达
测距（精度）误差
测距误差由两部分组成：一是随机误差。随机误差是服
变化来判测目标距离的。
f0
由于
LCt
L
2
为调制频率， L0
＝ N2
C2C
0
2 f0
1 2
0
L C 2 f0 2
为测尺长度。
L 2 C f0 2 2 C f0 N 2 L 0N N
其中
N 2
是相移不足2π的尾数，
调整 f 0 ，改变测尺长度L0’，使N=0, 测出相位
大气折射率造成的实际光速不等于真空光速的误差。对大目
标有如下经验公式
R2
N 2F0
(c0
c)
n [ 7.7 809 P /T 1 1 6 .2 1 8 e /3 T 8 ] 1 5 6 0 1
P、T分别为大气的压力和温度。
光电子学与光电子技术激光雷达
在计算系统延时误差时，必须考虑回波延时的两种定义 方法：以目标回波脉冲前沿作为它到达时刻；以回波脉冲 中心作为它到达时刻。这两种定义的差异所引起的固定延 时差为3dB /2，可以记为R3。 系统时间延时总误差的修正公式：
L0 2Cff0 0 2 12C L 0 0＝ 13 02 m 1 10 0 80.测15 得 61 .0 38 4m15M H z
选用1000m测尺，精度为1％，即精度为 1m,相应测尺频率
L0
C 2f0
1 20＝ 1000m
测得276m
起的标准误差1服从标准等概率分布E(0,1)，即：
1
R f 23 f
距离计数器中有限分辨率引入的量化误差： 计数器中由于有限分辨率而引入的量化误差也服从等概
率分布，如果计数器光距电离子学分2与光辨电子率2技1为术3激ll0光0,雷则达它的标准误差2为：
由激光脉冲有限上升时间引起的探测误差:
激光发射脉冲有限上升时间所引入的误差也服从等概
光电子学与光电子技术激光雷达
系统误差
在计数器时标振荡器周期T0（相应频率为F0）时间内，光 在真空中传播的距离（T0*c0）/2（1/2是考虑到往返双程）
与计数器分辨率不等引起的误差。这时误差用下式进行修正：
R1
N(l0
c0 2F0
)
式中N是计数器平均读数，c0是真空中光速，F0是计数器
时标振荡器频率。
Δφ，就可得到距光离电子值学与L光.电子技L术激光雷L达'0NL'02'
模糊距离
r AM c
2 2FAM
信噪比与测距 精度
举例1
光电子学与光电子技术激光雷达
实际的相位测距雷达，选用不同的测尺长度， 得到单一的、精确测距结果。
①分散的直接测尺频率方式， 适用于中、短程(<5km)相位式光电测距雷达，
率分布，则它的标准误差3为
3
c
43
式中为回波脉冲前沿，它取决于主脉冲前沿、接收元件 响应时间、负载电阻引起的RC时间延迟和放大器的带宽
目标距离参量估计引起误差
4
2B
1 SNR
从以上随机误差分析来看，主要是计时量化误差1和 探测误差2起作用，其它可能存在随机误差相对于这两 个误差数值都很小，可忽略不计。