激光雷达测距原理与其应用

目录

摘要 (1)

关键词 (1)

Abstract (1)

Key words (1)

引言 (1)

1雷达与激光雷达系统 (2)

2激光雷达测距方程研究 (3)

2.1测距方程公式 (3)

2.2发射器特性 (4)

2.3大气传输 (5)

2.4激光目标截面 (5)

2.5接收器特性 (6)

2.6噪声中信号探测 (6)

3伪随机m序列在激光测距雷达中的应用 (7)

3.1测距原理 (7)

3.2 m序列相关积累增益 (8)

3.3 m序列测距精度 (8)

4脉冲激光测距机测距误差的理论分析 (9)

4.1脉冲激光测距机原理 (9)

4.2 测距误差简要分析 (10)

5激光雷达在移动机器人等其它方面中的应用 (10)

6结束语 (11)

致谢 (12)

参考文献 (12)

激光雷达测距原理与其应用

摘要:本文简单介绍激光雷达系统组成，激光雷达系统与普通雷达系统性能的对比，着重阐述激光雷达测距方程的研究。针对激光远程测距中的微弱信号检测，介绍一种基于m序列的激光测距方法，给出了基于高速数字信号处理器的激光测距雷达数字信号处理系统的实现方案，并理论分析了脉冲激光测距机的测距误差。了解并学习激光雷达在移动机器人等其它方面中的应用。

关键词：激光雷达；发射器和接收器特性; 伪随机序列; 脉冲激光；测距误差

Applications and Principles of laser radar ranging Student majoring in Optical Information Science and Technology Ren xiaonan

Tutor Shang lianju

Abstract:This paper briefly describes the composition of laser radar systems, laser radar system and radar system performance comparison of normal, focusing on the laser radar range equation. Laser Ranging for remote signal detection, presents a introduction of a sequence based on laser ranging method m, gives the high-speed digital signal processor-based laser ranging radar digital signal processing system implementations, and theoretical analysis of the pulse Laser rangefinder range error.We understand and learn application of Laser radar in the mobile robot and other aspects.

Key words：Laser radar; Transmitter and receiver characteristics；Pseudo-random sequence；Pulsed laser；Ranging error.

引言：激光雷达是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物，激光具有亮度

高、单色性好、射束窄等优点,成为光雷达的理想光源,因而它是目前激光应用主要的研究领域之一。激光雷达是一项正在迅速发展的高新技术，激光雷达技术从最简单的激光测距技术开始，逐步发展了激光跟踪、激光测速、激光扫描成像、激光多普勒成像等技术，使激光雷达成为一类具有多种功能的系统。利用激光作为遥感设备可追溯到30多年以前，从20世纪60年代到70年代，人们进行了多项试验，结果都显示了利用激光进行遥感的巨大潜力，其中包括激光测月和卫星激光测距。激光雷达测量技术是一门新兴技术，在地球科学和行星科学领域有着广泛的应用.LiDAR(LightLaser Detection and Ranging)是激光探测及测距系统的简称，通常指机载对地激光测距技术，对地激光测距的主要目标是获取地质、地形、地貌以及土地利用状况等地表信息。相对于其他遥感技术，LIDAR的相关研究是一个非常新的领域，不论是在提高LIDAR数据精度及质量方面还是在丰富LIDAR数据应用技术方面的研究都相当活跃。随着LIDAR传感器的不断进步，地表采点密度的逐步提高，单束激光可收回波数目的增多，LIDAR数据将提供更为丰富的地表和地物信息。激光测距可分为星载(卫星搭载)、机载(飞机搭载)、车载(汽车搭载)以及定位(定点测量)四大类，目前激光测距仪已投入使用,激光雷达正处在试验阶段,某些激光雷达已付诸实用.本文对激光雷达的测距原理、发射器和接收器特性、束宽、大气传输以及目标截面、外差效率进行分析, 提出基于伪随机序列的激光测距技术 ,可将激光

雷达的峰值发射功率降到几十毫瓦，并着重研究为消除激光测距雷达固有的测距周期性问题而对距离加偏置值、为降低坐标变换误差而对距离进行校正等问题.

1雷达与激光雷达系统

雷达概念形成于20世纪初，是英文radar的音译，为Radio Detection And Ranging的缩写，意为无线电检测和测距的电子设备，发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率（径向速度）、方位、高度等信息。各种雷达的具体用途和结构不尽相同，但基本形式是一致的，包括:发射机、发射天线、接收机、接收天线，处理部分以及显示器。还有电源设备、数据录取设备、抗干扰设备等辅助设备。雷达所起的作用和眼睛和耳朵相似，它的信息载体是无线电波即电磁波，传播的速度是光速C，其原理是雷达设备的发射机通过天线把电磁波能量射向空间某一方向，处在此方向上的物体反射碰到的电磁波；雷达天线接收此反射波，送至接收设备进行处理，提取有关该物体的某些信息(目标物体至雷达的距离，距离变化率或径向速度、方位、高度等)。测量距离实际是测量发射脉冲与回波脉冲之间的时间差，因电磁波以光速传播，据此就能换算成目标的精确距离。雷达的优点是白天黑夜均能探测远距离的目标，且不受雾、云和雨的阻挡，具有全天候、全天时的特点，并有一定的穿透能力。因此，它不仅成为军事上必不可少的电子装备，而且广泛应用于社会经济发展(如气象预报、资源探测、环境监测等)和科学研究（天体研究、大气物理等)。

LiDAR(Light Detection and Ranging)，是激光探测及测距系统的简称。激光器将电脉冲变成光脉冲发射出去，光接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲，送到显示器。用激光器作为发射光源，采用光电探测技术手段的主动遥感设备。激光雷达是激光技术与现代光电探测技术结合的先进探测方式，由发射系统、接收系统、信息处理等部分组成。发射系统是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器以及光学扩束单元等组成；接收系统采用望远镜和各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等组合。

激光雷达是工作于光波段的新型雷达系统，目前,激光雷达可以采用0.53μm、0.63μm、0.8～ 0.9μm、1.06μm、1.54μm、2μm 和10.6μm等7个波长段,它与微波和毫米波雷达相比, 具有以下独特优势(1) 工作频率高、波长短;(2) 距离、速度和角位置测量精度高;(3) 体积小、重量轻、机动灵活, 利于机载和航天器载。“激光雷达系统将激光用于回波测距、定向，并通过位置、径向速度及物体反射特性识别目标，体现了特殊的发射、扫描、接收和信号处理技术，激光雷达是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物。激光雷达之所以受到关注，是因为其具有一系列独特的优点：具有极高的角分辨率、具有极高的距离分辨率、速度分辨率高、测速范围广、能获得目标的多种图像、抗干扰能力强、比微波雷达的体积和重量小等。但是，激光雷达的技术难度很高，至今尚未成熟，而且在恶劣天气时性能下降，使其应用受到一定的限制。相对于其他遥感技术，LIDAR的相关研究是一个非常新的领域，不论是在提高LIDAR数据精度及质量方面还是在丰富LIDAR数据应用技术方面的研究都相当活跃。与遥感影像技术不同的是，LIDAR系统可以迅速地获取地表及地表上相应地物(树木、建

筑、地表等)的三维地理坐标信息，它的三维特性符合当今数字地球的主流研究需求，随着LIDAR 传感器的不断进步，地表采点密度的逐步提高，单束激光可收回波数目的增多，LIDAR 数据将提供更为丰富的地表和地物信息。对LIDAR 所采集到的地表三维点集进行过滤、插值、分类、分割等处理，可获取各类高精度的三维数字地面模型，还可对地表地物进行分类识别并实现地表地物如树木、建筑等的三维数字重构，乃至绘制三维森林、三维城市模型，构建虚拟现实。激光具有亮度高、单色性好、射束窄等优点，激光本身具有非常精确的测距能力，其测距精度可达几个厘米，而LIDAR 系统的精确度除了激光本身因素，还取决于激光、GPS 及惯性测量单元(IMU )三者同步等内在因素。 激光雷达工作原理与常规雷达大体相同。图 1示典型单基地外差或相干探测的激光雷达框图。从图看出, 激光雷达的制作工艺相当复杂。 它是把待发激光先送入发/收(T/ R )转换开关并用同一窗口发射, 发/ 收和瞄准光路平行对目标扫描; 从目标返回的光信号由扫描光学系统和光束扩展器接收, 这两部分组成光接收器; T/R 转换开关将接收到的光信号送入混频器与本振器的基准光信号混频, 再经成像光学系统聚焦在探测器上进行放大并转换成电信号; 然后经高通滤波器滤除背景和本振低频信号; 激光雷达所测目标距离和速度信息则由信号处理器提取。双基地激光雷达则由分离的光束扩展器和扫描光学系统组成接收器, 省掉了T/ R 转换开关, 其它与单基地激光雷达完全相同。

2 激光雷达测距方程研究【1】【7】

2.1测距方程公式

单基地和双基地激光雷达测距方程的通用公式为：

211

r 2r 222124P ()()()4

4S A A KP T D T R R ηπηπφπ=?Γ (1)式中: S P 为激光发射功率(W);K 为光束分布函数;1A T 为发射器到目标的大气透射率;1η为发射器光学系统效率;φ为束宽或发散度( rad);1R 为发射器到目标距离(m); Γ为目标激光截面(m 2);2A T 为目标到接收器大气透射率;2R 为目标到接收器距离(m);D 为接收窗口径(m);r η为接收器光学系统效率;r P 为接收功率(W)。激光雷达是微波雷

图1典型外差或相干探测激光雷达组成框图

达的发展,测距原理相同。不同之处是微波波长和束宽远大于激光,瞄准误差的影响很小;而激光雷达则相反。为便于比较, 所示微波雷达的通用测距方程为:

212r 2212P ()()()4

44t S A t r A GP

T D T R R ηπηππ=?Γ式中: t G 为发射器天线增益,其中t G = 16K ／2o φ。在外大气层或大气衰减条件下定点测距的单基地激光雷达, 1R = 2R = R , 1A T = 2A T = A T ,若目标角宽在方位和仰角方向上大于发射器束宽, 激光目标截面与照射面积成正比, 即Γ与φ2和R 2 成正比, 光束分布约为均

匀朗伯强度分布。则公式(1)可以简化为: 22r 2

P ()4S A r t P T D R ρηη=式中:ρ为朗伯目标的反射系数。若单基地激光雷达在弱大气衰减条件下对目标测距时,其最大测程经公式(1) 变换得min 1224max r [4P ]S t r R KP D ηηπφ=Γ.

2.2 发射器特性

发射器特性与光束分布函数、束宽及瞄准误差等外部因素有关。

I 光束成形及光束分布函数

光束在激光腔内产生, 其最低阶模(TEMoo) 为高斯模。若忽略瞄准误差而采用均匀光束分布来估算其性能和功率, 则光束分布函数为: K(ψ, φ)

＝

; 式中, ψ为瞄准误差;φ为束宽(发散度)。采用爱里函数描述远

场光束的分布函数为: 12.44(

)(,) 4.181[ 2.44]J K πψφφ

ψφπψ=式中, 1J 为第一类第一

阶贝塞尔函数. 具有高斯强度TEMoo 模的分布函数为:

2222(,)2exp[]R K ψψφω-= 式中, 222200[1()]R ωωλπω=+ 0ω为高斯束腰半

径。

II 束宽 束宽是测量发射光束分布的角宽。其中常规雷达对束宽定义为12

最大值上的全宽度(FWHM ) , 它与光束分布无关。激光雷达束宽采用光学实验能接受而与常规雷达有差别的如下定义:(1) 衍射限束宽 由圆形输出窗均匀发射的光束称为衍射限束宽。其计算公式为: 2.44d φλ= 式中: λ为发射光波长;d 为发射窗通光孔径。采用高斯分布

【4】发射的衍射限束宽为: 1

22002arctan()[1()]R R φφληω=+,高斯束宽是光束横截于发射窗出射口全宽度

2e -的辐射度, 而常规雷达是FWHM 。如把FWHM 转换为2e -高斯束宽后的关系

为:φ= 1.699φFWHM 式中, φFWHM 为12

最大光强度上的全宽度。（2）光束性质 光束性质是实际远场束宽与理论上的衍射限束宽之比,并表示为:M T Q φφ= (3) 发散度与孔径乘积 固体激光雷达中,常用发散度( rad)

和孔径(m ) 乘积来代替光束性质,则Q=X 2.44λ 式中, 1M X d φ=为发散度与孔径乘积（4）非衍射限束宽 即发射光束偏离3λ 的束宽。光束均匀照射输出窗时非衍射限束宽为:(2.44)d φλ=Q 高斯分布非衍射限发射光束的束宽为: 122

002arctan()[1()]Q R R φωλ=+.

III 发射器瞄准误差 瞄准误差主要对空中小目标。如一高精度激光雷达对空中小目标测距, 瞄准误差小可测到其三维空间位置; 稍增大瞄准误差, 即使能精确测到径向距离也会产生横向距离误差.

2.3 大气传输

激光雷达的性能通常受大气传输性能的限制。大气传输性能可以用比尔定

律计算得:21

0exp[(,)]]R A d T l d dl λλαωω=-??式中: d α为大气衰减密度(2m -) ;R 为激

光雷达到目标的距离; l 为距离积分变量;ω为波长积分变量;λ1和λ2分别为最短和最长波长。若大气衰减密度在全光路和光谱区内不变, 可将公式简化为

exp[]A T R α=-式中,α为大气衰减常数(1m -)。

激光雷达大气传输性能之一是晴天大气对激光产生效应, 其中分子吸收和散射与波长相关且距离越长衰减越大。

2.4 激光目标截面

激光目标截面是与激光雷达球面方位或搜索角无关且沿接收光路返回与目标截面相等光强度的全反射球截面(LCS)。其计算公式为: 2=z πρΓ，ρ为球面反射系数; z 为球半径。

镜面反射目标：任何均方表面粗糙度小于激光波长的球面目标将产生镜面反射。镜面反射目标有立体角形反射体和反射板。因其投影面随入射角增大而减小,LCS 与入射角余弦成正比并与照射波长有关。其LCS 为: 424(3)l πλΓ=， l 为立体角形反射体的棱长.

漫反射目标:目标面的均方粗糙度大于激光波长, 反射信号均匀散射. (1) 朗伯面。小于激光雷达束宽的朗伯圆截面, 其计算公式为: 24cos z πρθΓ=式中: ρ为半球朗伯面反射系数之和;z 为朗伯圆面半径; θ为朗伯面的入射角。机载激光雷达对地面装甲、坦克等大于束宽的单目标测量时, 朗伯目标激光截面为:

22R πρφΓ= (2) 悬浮微粒和散射体大气浮粒及雨、

雪是激光雷达需抑制的杂乱回波即散射体。它们均具有后向散射β特征, β与LCS 的关系为: 222R R πφβΓ=? β为大气后向散射系数，ΔR 为激光雷达的距离分辨率。

2.5 接收器特性

2.5.1探测技术【3】 激光雷达探测技术有直接探测和外差探测两种。(1)外差探测

激光雷达外差探测框图见图1接收光信号进入探测器前先与本振CX 光波混频才会聚焦在探测器上, 两路信号产生一个差频外差信号。光外差混频如图2 所示。探测面内两路光信号相前匹配时, 其照射强度为:

2201010()[2cos()]S S t I t C E E E E εδω=++ 10E 和S E 分别为本振信号和接收信号 ε。为真空电介常数;(2) 零差探测 零差探测的本振信号经分光器从发射光源分离出来, 与调制后的接收信号混频产生外差信号, 可省去本振光源。但未经调制的C ω 发射光束与接收、本振信号的频率相同, 差频为零, 仅用于测速不可测距。因此,本振信号从发射光源分离后进入发、收隔振器前应先进行频率调制方可测距.

2.5.2性能限制 外差激光雷达的探测能力受各部件性能、设计质量、光元件质量、灵敏度、探测器频响特性以及目标与接收光轴平行误差的限制。接收器与目标和接收光路与视轴间的任一差值统称接收器瞄准误差。外差接收器灵敏度降低是因偏离信号使外差效率下降引起.

2.5.3接收窗口径 外差探测的有效接收口径受照射目标截面斑纹波瓣的限制,当接收口径大于斑纹波瓣的平均直径时, 有效接收口径为: 1

2

r s (d )D D = ,r D 为接收窗通光孔径; s d 为平均斑纹波瓣直径。

2.6 噪声中信号探测【3】

接收器SNR 是峰值信号功率与均方噪声功率之比。外差激光雷达的信噪比为r P HQ SNR h Bf ηθτ= HQ η为外差量子效率θ为光频B 为接收器有效带宽;f 为脉冲重复频率;τ为脉冲宽度。激光雷达的SNR 因受外部条件约束和技术限制, 经多次测量后可以提高其系统性能。提高探测概率的有效方法是经n 次测量后取信号的平均值。若接收信号与测量相关而与噪声不相关, 则SNR 提高,探测概率增大,误差减小;若信号与测量全相关而与噪声不相关, 从n 次无关的测量中得到

的净SNR 为nee SNR = nee SNR 为净SNR;SNR 为单次测量得到的信噪比。接收器带宽对全系统SNR 影响很大。带宽太宽会进入过剩噪声;反之, 部分有用信号受抑制。抑制的信号或过剩的噪声均会降低SNR 。因此,激光雷达接收器带宽要兼顾系统SNR 。

3 伪随机m 序列在激光测距雷达中的应用

3.1测距原理【1】

图1为伪随机序列激光测距雷达框图,图中,数字信号处理器 ( DSP )作为系统的实时数字信号处理器,实现实时信号处理与控制。可编程逻辑器件 EPLD 作为信号处理板的逻辑控制和地址译码 , 同时 EPLD 作为m 序列的发生器。激光雷达是微波雷达的发展,测距原理相同,不同之处是微波波长和束宽远大于激光,瞄准误差的影响很小;而激光雷达则相反。在大气衰减条件下定点测距单基地激光测距雷达作用方程为2224Pr 4S A t r KP T D R

ηηπφΓ=式中:S P 为激光发射功率(W); K 为光束分布函数;A T 为雷达到目标的大气透射率;Γ为目标激光截面(2m ) ; D 为接收窗口径(m);ηt 为发射器光学系统效率;ηr 为接收器光学系统效率;φ为束宽或发散度( rad) ; R 为雷达到目标的距离; Pr 为接收功率(W) .如果目标角宽在方位和仰角方向上大于发射器束宽 ,激光目标截面与照射面积成正比 ,即Γ与φ2和 R

2成正比 ,光束分布约为均匀朗伯强度分布。则公式简化为222Pr 4S A t r P T D R ρηηπ=，

ρ为朗伯目标的反射系数。当接收回波功率P r 恰好等于最小可检测信号min S 时,可得到激光雷达的最大作用距离2122max min

()4S A t r P T D R S ρηηπ=。 最小可检测信号功率与最小输出信噪比有关,为了提高雷达的作用距离,必须提高激光测距雷达的输出信噪比。而提出利用m 序列的相关特性,采用相关检测理论和相干积累信号处理技术,可提高激光雷达的信号处理增益,从而获得高的测距精度和远的探测距离。这一点可以通过接收机相关接收的扩频增益来体现。m 序列是最长线性移位寄存器序列的简称。m 序列是由多级移位寄存器或其他延迟元件通过线性反馈

光探测器

图2 光外差混频过程

产生的最长的码序列。m 序列的自相关特性:m 序列{1i x =+或- 1 ,i = 1 , ?, N }

自相关函数为1,0;()1,0.N

xx i i i N R x x ττττ-==?==?≠?∑

伪随机序列的相关特性意着当序列足够长的时候,伪随机序列具有尖锐的二电平特性,并接近理想的delta 函数。引用“处理增益”Gp 来描述信号处理机的处理增益。p O I G SNR SNR =，O SNR 为输出信号噪声比;I SNR 为输入信号噪声比。当仅存在加性噪声干扰时,

接收信号可表示为

()()()()()x n s n w n n w n ττ=-+=-+; c(n) 为m 序列码;τ为回波时延;

2[()]P E s n =为发射信号功率;

w ( n) 为高斯白噪声,其均值为0 ,方差为2w σ. 则输入信号信噪比为2I w SNR P σ=.

根据最佳接收理论[4],在输入为确知信号加白噪声的情况下,采用相关接收,输出信噪比最大。数字相关计算公式为：

11()()()()()()()]N N

n n g k x n c n k n c n k c n k w n τ===-=--+-∑∑. 对于上式 k=τ时,

()g k 取得最大值。由m 序列与加性白噪声无相关性,有[()]E g τ=22var[()][()][()]g E g E g τττ=-=

211[()()()()]][()()()()]]N N n m E n c n c n w n m c m c m w m PN ττττττ==??--+---+--=

????

∑∑

22

11[()()()()]N N n m PN E c n c m w n w m PN ττ==+---=∑∑21()()N w n c n c n ττσ=--∑，

2w n m N σ==. 所以,

输出信号噪声比为22[()]var[()]O w w

E g P SNR N g ττσ===.相关信号处理增益为22O w p I w

P N SNR G N P

SNR σσ===. 3.3 m 序列测距精度

根据雷达测距原理,为了使雷达测距不模糊,作发射信号的伪随机序列满足 max c =p c 2R T , max R 是雷达最大的作用距离; p 是伪随机序列周期长度; c T 为伪随机序列的码元宽度。同时,雷达距离分辨力ΔR 由下式决定:c =c 2R T ??

当c T 很小,而p 很大的时候,就能保证高的距离分辨力和远的作用距离。

c T 不能无限小,系统中采用10μs, 所以,理论上激光雷达测距精度由上式有ΔR = 1 500 m ,此分辨力远远不能达到系统测距的要求。所以,系统采用提高采样率和引用插值

的数字处理技术,提高系统的测距精度。A/D 采样频率为f s = 10 ×c

1T = 1 MHz.此时的理论雷达分辨力为10sampling =150m R ?.

采样3点插值计算,可以使理论测距精度小10m. 根据m 序列相关特性,采用的3 点插值公式为

=;

in max =Y +2L R Y Y Y -；max X 为回波与本地序列相关峰所在距离单元;max Y 为相关峰值; L Y 为相关峰左侧距离单元相关幅值; R Y 为相关峰右侧距离单元相关幅值; in Y 为3 点插值所计算的目标位置; in Y 为3 点插值计算所得相关峰。

m 序列激光测距雷达有很多的优点, 属于连续波雷达, 可以充分利用发射机功率, 采用相关检测和相干积累信号处理提高信号处理增益提高激光测距雷达的抗干扰能力和测距精度, 3 点插值算法运用在m 序列测距中能够改善激光雷达的测距精度。

4 脉冲激光测距机测距误差的理论分析

由于激光具有方向性好、单色性好、亮度高的特点,因此,激光测距和光学测距相比,有精度高、快速、测得远的优点。近年来,各国生产和装备于部队坦克、地炮、舰炮、高炮及火控系统的激光测距机已有170余种,并且已经形成了标准化和系列化的产品。除军事应用外,它在大地测量、国民经济建设工程施工中及空间目标的测量方面也被广泛地应用。

4.1脉冲激光测距机原理

脉冲激光测距机的测距原理见下图。由激光发射器对准目标发射一个激光脉冲,然后由接收系统接收从目标反射回来的回波脉冲,通过测定脉冲在待测距离

上往返时间t ,已知光速为c ,则可用(1) 式求得待测目标的距离S 为: S = ct/ 2 （1）由于时间t 十分短, 所以必须用能产生标准固定频率的时标振荡器和电子计数器来记录。如果时标振荡器振荡频率为f ,在测距机和目标之间往返的时间t 内（即取样信号和回波信号之间的时间间隔）包含时标脉冲个数为n ,则待测距离S 为: cn2f

S (2) 式中,c 和f均为已知,只要测出n,便可由(2)式求出

待

测距离S.

4.2测距误差简要分析

激光测距机的测距精度主要依赖于计数器的计数精度和仪器的测距误差。计数精度决定于计数器中基准振荡频率,也就是说,基准振荡器频率一定,那么计数精度

就是一个定值。而测距误差是指测距机的显示结果与实际距离之差。影响测距误差的主要因素：A .晶体振荡器频率稳定度的影响 B.接收系统响应时间的影响C.激光脉冲宽度的影响.

总之,用同一台脉冲激光测距机测量同一远距离目标时,测距机的测距误差为

Δ=Δ+Δ+Δ。

5 激光雷达在移动机器人等其它方面的应用【8】

距离测量是移动机器人必不可少的技术. 目前, 移动机器人中广泛采用激

光测距雷达( 以下简称LRS,Laser Range Sensor)进行三维测距, 这主要有以下几

个原因.

1)作为一种有源测距手段, LRS 测距与无源测距技术相比具有不存在复杂的图

像匹配技术且不易受到环境光照影响等优点.

2)在有源测距仪中, LRS 的测距精度相对较高,方向性好, 镜面反射小而造低.

3) 在直接获取距离的测距方法中, 主要有超声波、短波及激光调制波3 种波源. 但超声波方向性差镜面反射严重且可测距离较短, 短波测距的精度低于激光调

制波且超短波雷达的造价也较高, 而激光调制波与其他波源相比具有以下优点: A．强度大, 这对远距离目标的测量及目标与背景的区分十分有用.

B．光束窄, 平行性好, 散射小, 这保证了很好的测距方向分辨率.

C．一般都是单一频率的光波, 光谱较纯, 这保证了较高的信噪比.

对于移动机器人三维视觉系统中测距方法的评价主要有3 方面: 测距精度、最大可测距离及测距速率, 具体地说, 应考虑以下几方面的因素

视场:只有足够宽的视场才能满足移动机器人航行的需要;

测距能力: 包括最小检测距离及最大检测距离;

准确度及分辨率: 应能满足准确检测障碍物的要求;

检测环境中所有物体的能力: 物体会吸收发射的能量, 目标表面可能是镜面反射或漫反射, 环境条件和噪声可能影响测距过程;

操作的实时性: 快速、实时的数据更新频率要与机器人前进的速度相适应;

解释数据的简练程度: 应该从处理需求的观点出发实现输出格式;

系统结构的紧凑程度: 系统应是模块化结构, 以便于在移动机器人中的维护和升级;

功耗和体积: 功耗应该低, 体积应尽可能小, 以便于LRS 在移动机器人上工作. 作为移动机器人的关键组成部分之一, LRS 在移动机器人中的应用主要有3 个方面, 即:障碍物检测、路标检测及地图匹配、越野行驶时建立地形图.显而易见, 由于LRS 能快速提供环境的三维信息, 移动机器人的发展在一定程度上得益于LRS, 另一方面, 移动机器人应用的需求又反过来推动了LRS 的发展. 由于其本身原理上所固有的以及外部环境等因素的影响, LRS 在移动机器人中的三维测距存在以下不足之处： 1) 噪声问题及环境因素对LRS 测距的影响. 2) 景物空间的非均匀取样及测距盲区问题. 3) 设备误差. 4) 因移动机器人运动而产生的测距问题. 5) 相对测距问题.

激光测距在空间技术中的应用简况 1. 空间碎片探测. 空间碎片俗称太空垃圾, 是指宇宙空间中除正常工作的飞行器外的所有人造物体, 空间碎片的存在严重威胁着在轨运行航天器的安全,空间碎片的不断产生对有限的轨道资源也构成了严重威胁,. 为了安全、持续地开发和利用空间资源, 必须不断提高对空间碎片的跟踪监视技术, 增强对空间碎片环境的分析预测能力, 基于激光测距技术的激光雷达探测系统在空间碎片探测方面具有独特的优点。它采用主动探测方式, 不受光照条件限制, 波束窄, 探测距离远, 空间分辨率高, 测量精度高, 并且可以同时进行测距和测速.2. 对地观测及深空探测. 利用卫星或航天飞机等航天器搭载激光测距装置在空间轨道上对地球或其他星球表面进行观测, 这种激光测距装置通常称激光高度计。

激光雷达是集激光技术、光学技术和微弱信号探测技术于一体而发展起来的一种现代化光学遥感手段,激光雷达由于探测波长的缩短、波束定向性的增强,能量密度的提高,因此具有高空间分辨率、高的探测灵敏度、能分辨被探测物种和不存在探测盲区等优点,已经成为目前对大气、海洋和陆地进行高精度遥感探测的有效手段,广泛地应用于环境监测、航天、通信、导航和定位等高新技术领域。激光雷达可以探测气溶胶、云粒子的分布,也可以进行大气成分、污染环境气体的探测, 对主要污染源、城市上空污染环境物的扩散、沙尘暴过程等进行有效监测,从而进行天气预报和监控大气污染。

6．结束语

综上所述，激光雷达测距技术的应用日益广泛。由于激光雷达独特的物理性能，其全天候、高精度、抗干扰、小型化等得天独厚的优势, 激光测距越来越受

到关注, 已成为空间探测领域一个重要技术手段，在军事和工业等方面有着极高的应用价值。但是,由于激光自身传输中的缺陷、大功率激光器的研制及其相应配套光电设施和技术的限制,目前激光雷达还有许多有待改进的不尽人意之处. 我们相信，随着科学技术的发展，在不久的将来，激光雷达测距技术会在国民经济和军事中发挥越来越重要的作用。

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