采样频率和激光脉宽对全波形激光雷达测距精度的影响.docx资源-CSDN文库

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0. 引　言

激光雷达(Light Detection and Ranging, LiDAR)是一种广泛应用于测绘、目标检测、轨

道检测、导航等领域的新兴技术

[1]

。常见的激光雷达测距方法可分为三角法、直接飞行时

间法(direct Time of Flight, dTOF)和间接飞行时间法(indirect Time of Flight, iTOF)。dTOF 法

又称脉冲飞行时间法，其探测距离较远但测距精度较低，iTOF 法主要有调幅连续波

[2]

(AmplitudeModulated Continuous Wave, AMCW)和调频连续波

[3]

(Frequency Modulated

Continuous Wave, FMCW)，其测距精度较高，但工作距离较近，且存在多值解的问题。

dTOF 激光雷达一般基于时间差测量的方法，主要有脉冲计数法、时间拓展法、基于时间

数字转换器(Time-to-Digital Converter, TDC)的时刻鉴别法和基于模数转换器(Analog to

Digital Converter, ADC)的波形数字化的方法。前 3 种方法本质上都是产生较高的时间分辨

率，测距精度主要由时间分辨率大小决定，一般在分米级到亚厘米级

[4]

，且在用于大动态

范围探测时，回波波形幅度变化大，时刻鉴别阈值的存在会产生较大的测距误差，因此需

要进行校正

[5]

。基于波形数字化的方法能够获得波形的幅值、相位等波形信息，并能够利

用较复杂的算法获得更高的时间分辨率，理论上精度更高

[6]

。

基于波形数字化的处理算法主要有波形形心法

[7]

、模板匹配法

[8]

、高斯拟合法和反卷

积法等。高斯拟合法包括线性高斯拟合法

[9]

(Linear Gaussian Fitting, LGF)，以及在此基础上

优化的加权线性高斯拟合法(Weighted Linear Gaussian Fitting, WLGF)以及迭代加权线性高

斯拟合法

[10]

(Iterative Weighted Linear Gaussian Fitting, IWLGF)，但这 3 种方法都只能拟合

单个波形，无法分解重叠波形。对重叠波形的分解算法主要有期望最大化(Expectation

Maximation, EM)算法

[11]

和 Levenberg Marquardt (LM)算法

[12]

等。

全波形激光雷达测距精度受激光器出光稳定性、激光脉宽、探测器响应时间抖动、电

路噪声、波形形态、波形采样频率和波形处理算法等因素影响。文中通过理论分析推导出

采样频率和激光脉宽对测距精度的影响，并通过实验设置不同的采样频率及激光脉冲宽

度，利用不同算法计算测距精度，由此分析和验证采样频率和激光脉冲宽度对测距精度的

影响。

1. 全波形激光雷达测距原理

1.1 测距原理

全波形激光雷达使用了高采样率的 ADC 芯片，能够得到数字化后的参考光波形及回

波波形，从而使得能够通过数字信号处理的方法得到参考光及回波的时间差，若计算出的

参考光的时间坐标为 μ1μ1，回波的时间坐标为 μ2μ2，即可计算激光雷达与目标之间的距

离 dd，dd 的表达式为：

进而获得波形中心点坐标：

μ=−b12b2μ=−b12b2

(9)

加权线性高斯拟合法

[10]

分析了 LGF 法的噪声影响，并根据噪声影响特点使用了加权

最小二乘法：

B=(XTPX)−1XTPZB=(XTPX)−1XTPZ

(10)

式中：

Pii=1yi(i=1,2,⋯,n)Pii=1yi(i=1,2,⋯,n)

(11)

通过加权，减小了信噪比较低部分的噪声带来的影响，从而提高拟合精度。

由于 WLGF 法中权重是以测量值代替真值进行计算，在信噪比极低的情况下，权重

将出现错误，因此迭代加权线性高斯拟合法

[10]

通过迭代计算估计值，并通过估计值重新分

配权重，以此实现对权重计算和对高斯曲线的拟合。

EM 算法将波形幅值和时间作为概率密度函数，通过 E 步骤和 M 步骤不断迭代分解，

获得所设定模型的各个参数。LM 算法将模型参数求解的非线性过程线性化，并利用最小

二乘法不断迭代，最终获得模型与真实波形的残差平方和最小的模型参数。

2. 采样频率和激光脉宽对测距精度的影响分析

由测距原理可知测距精度与参考光和回波之间的时间差的抖动直接相关，而参考光和

回波之间的时间差抖动会受到许多因素影响，文中将这些因素主要分为两类误差：第一类

误差为波形的时间抖动误差，主要表现为多个重复波形在时间轴上存在抖动；第二类误差

为波形幅值信号的误差，主要表现为单个波形在不同算法或信噪比下计算出的时刻不同。

总的时间误差可认为是：

σ2all=σ21+σ22σall2=σ12+σ22

(12)

式中：σ21σ12 为第一类误差；σ22σ22 为第二类误差。

2.1 第一类误差

第一类误差主要与器件和环境造成的时间抖动有关，其即使在波形信噪比无穷大的情

况下，不同的参考光和回波时间差仍有一定变化。其主要有：

(1) 激光器的时间抖动：包括触发信号与出射光之间的时间抖动

[16]

以及参考光和出射

光之间的时间抖动；

(2) 光电探测器的响应时间抖动：指在反射光到达探测器时产生光电流的响应时间的

不确定性；

(3) 大气折射误差：由空气不均匀引起的光线折射，导致光传播路径的抖动。

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