激光雷达测距测速原理

激光雷达测距测速原理

1. 激光雷达通用方程

激光雷达方程用来表示一定条件下，激光雷达回波信号的功率，其形式如下：

212222124 (44)

t a t a r r r t KPT T D P R R ππθπηη=Γ r P 为回波信号功率，t P 为激光雷达发射功率，K 是发射光束的分布函数，12a a T T 分

别是激光雷达发射系统到目标和目标到接收系统的大气透过率，

t r ηη分别是发射系统和接收系统的透过率，t θ为发射激光的发散角，12R R 分别是发射系统到目标和目标到接收系统的距离，Γ为目标的雷达截面，r D 为接收孔径。

方程作用：激光雷达方程可以在研发激光雷达初期确定激光雷达的性能。其次，激光雷达方程提供了回波信号与被探测物的光学性质之间的函数关系，因此可以通过激光雷达探测的回波信号，通过求解激光雷达方程获得有关大气性质的信息。

2. 激光雷达测距基本原理

2.1 脉冲法

脉冲激光雷达测距的基本原理是，在测距点向被测目标发射一束短而强的激光脉冲，激光脉冲到达目标后会反射回一部分被光功能接收器接收。假设目标距离为L ，激光脉冲往返的时间间隔是t ，光速为c ，那么测距公式为L=tc/2。

时间间隔t 的确定是测距的关键，实际的脉冲激光雷达利用时钟晶体振荡器和脉冲计数器来确定时间t ，时钟晶体振荡器用于产生固定频率的电脉冲震荡

∆T=1/f ，

脉冲计数器的作用就是对晶体振荡器产生的电脉冲计数N 。如图所示，信息脉冲为发射脉冲，整形脉冲为回波脉冲，从发射脉冲开始，晶振产生脉冲与计数器开始计数时间上是同步触发的。因此时间间隔t=N ∆T 。由此可得出

L=NC/2f。

图1 脉冲激光测距原理图

2.2相位法

相位测距法也称光束调制遥测法，激光雷达相位法测距是利用发射的调制光和被目标反射的接受光之间光强的相位差包含的距离信息来实现被测距离的测量。回波的延迟产生了相位的延迟，测出相位差就得到了目标距离。

假设发射处与目标的距离为D，激光速度为c，往返的间隔时间为t，则有：

2D

t

c

图2 相位法测距原理图

假设f 为调制频率，N 为光波往返过程的整数周期，∆ϕ为总的相位差。则间隔时间t 还可以表示为：

12t N f

π∆ϕ⎛⎫=+ ⎪⎝⎭ 所以：

1222c D ct N f π∆ϕ⎛⎫==+ ⎪⎝⎭

定义2c L f =为测尺或刻度，2N π

∆ϕ=∆为余尺 则：

()D L N N =+∆

因为L 是已知的，所以只需求出N 和N ∆，就可得知目标距离D 。N ∆可以通过仪器测得，但不能测得N 值，因此上面的方程存在多值解即，测距存在多样性。假设我们能预先知道目标距离在一个刻度L 之内，即N=0，此时测距结果将是唯一的。

2D L π

∆ϕ= 假设光调制频率150f kHz =150f kHz =，则L=1000m ，当被测距离小于1000m 时，测距值是唯一的。

2.3 对比分析

激光雷达脉冲法测距：

优点：测量距离远，一般大于1000m 。系统体积小，抗干扰能力强。

缺点：精度较低，一般大于1m 。

激光雷达相位法测距：

优点：测量精度高。

缺点：测量距离较近，一般为一个刻度L 内的距离。（300-1000m ）。受激光调制相位测试精度和相位调制频率的限制，系统造价成本高。相位法测距存在矛盾：测量距离大会导致精度不高，要想提高精度测量距离又会受限（刻尺L 较短）。

3. 激光雷达测速基本原理

激光雷达测速的方法主要有两大类，一类是基于激光雷达测距原理实现，即以一定时间间隔连续测量目标距离，用两次目标距离的差值除以时间间隔就可得知目标的速度值，速度的方向根据距离差值的正负就可以确定。这种方法系统结构简单，测量精度有限，只能用于反射激光较强的硬目标。

另一类测速方法是利用多普勒频移。多普勒频移是指当目标与激光雷达之间存在相对速度时，接收回波信号的频率与发射信号的频率之间会产生一个频率差，这个频率差就是多普勒频移。它的数值为：

2d v f =λ

式中，d f 为多普勒频移，单位Hz 。v 为激光雷达与目标间的径向相对速度m/s 。λ为发射激光的波长，单位m 。

当目标向着激光雷达运动时0v >，回波信号频率提高也就是激光雷达与被测目标的距离减小；反之0v <，回波信号的频率降低，激光雷达与被测目标距离增大。所以只要能够测量出多普勒频移d f ，就可以确定目标与激光雷达的相对速度。对于车载激光雷达，就可以根据自身车速推算出被测目标的速度。