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文中研制的激光雷达系统组成如图1所示。包括激光器、伪随机码生成器、光电调制器、整形发射光学分系统、接收光学分系统、盖革APD、时刻鉴别器和上位机等。
发射阶段:单光子激光雷达使用窄线宽、高峰值功率的激光器作为信号源,激光调制器根据伪随机码序列对激光器输出激光产生强度调制,脉冲宽度即伪随机码周期[7],调制激光由掺铒光纤放大器(EDFA)进行脉冲信号放大。最后使用光束整形光学分系统将激光发射出去。实验中使用衰减器控制出光功率。
探测阶段:激光经过目标反射,通过接收光学分系统回到激光雷达,经透镜耦合入单模光纤中,由单光子探测器将光信号转化为电脉冲信号后输出,再由光子计数器中脉冲幅度甄别电路,对脉冲信号进行判决。将甄别后的码元序列与原始伪随机码序列进行相关运算,由相关峰值位置确定的目标距离导致的延时量,通过计算求得目标距离。时序控制器用于控制伪随机码调制序列的周期,以及光子计数器对回波信号进行计数,激光雷达主要设计指标如表1所示。
表 1 激光测距雷达主要指标要求
Table 1. Main specifications of ranging lidar
No. Parameter Value 1 Ranging range/km 20 2 Ranging accuracy/m 0.1 3 Data update rate/Hz 10 4 Target size 2 m×2 m×2 m 5 Target reflectivity 0.3 6 Wavelength/nm 1 550 7 Weight/kg 10 8 Volume/L 30 -
笔者课题组使用1 550 nm的DFB激光器,光谱宽度5 nm,发射平均功率80 mW。激光经过ixBlue公司的MX-LN-10强度调制器后,输出伪随机码信号。该调制器的最大调制速率达1 GHz,消光比最高30 dB。伪随机码信号由FPGA产生,调制频率为100 MHz,码长为14阶。调制器工作在quad+点,激光经过调制器后输出与调制信号正向的激光脉冲。强度调制器工作在quad+点,输出信号的消光比约26 dB,使用偏压控制电路实时跟踪quad的位置,并调整供电电压。工作点控制精度约0.2 V。
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激光经过EDFA放大为平均功率约20 W的激光后,激光功率可调,NA为0.09,模场直径25 μm,由焦距250 mm、通光孔径45 mm的准直扩束镜发出,发散角约0.1 mrad。在20 km远的位置,激光直径为2 m。
由于接收端通光孔径较大,为了减小光学系统的体积和质量,使用收发分置的光学设计方式[8-9]。接收端光学系统焦距为354 mm。激光回波通过接收光学系统耦合到单模光纤中,然后入射到APD光敏面上。
发射和接收光学系统全部采用三片式设计,在激光发射和接收端使用五维调整架调整光轴方向。发射光学系统采用逆向设计,视场内各像点85%的能量集中在25 μm的范围内,系统像质可以保证出射光束的高斯分布传递。
接收光学系统为透射式,其视场内各像点85%的能量集中在13 μm的范围内,50%的能量集中在8 μm范围内。由于盖革APD的光敏面较小,使用单模光纤进行耦合,并且考虑到加工装调误差,可以保证系统50%的耦合效率。
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APD选择北京敏光科技有限公司生产的型号为LSISPAD-C-SMFA的InGaAs探测器。此款探测器在盖革模式下探测速率可达200 MHz以上,后脉冲概率0.73% (1 μs),探测概率优于18%,暗计数率低于7×10−6。APD周围电路主要包括升压和正弦淬灭电路,淬灭正弦信号周期为100 MHz。
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信号经过放大后由IO口进入FPGA,并在FPGA中进行累加和相关计算,最后输出结果经过串口传入上位机中进行显示。
FPGA的主要作用包括(1)产生伪随机信号输出并储存;(2)计算接收信号相关检测的移位结果;(4)统计计算测距结果,并输出高精度数据。相关检测输出的数据是以脉冲宽度整数倍的结果,文中使用的脉冲宽度为10 ns,其能够探测的最小距离为1.5 m。为了进一步提高系统测距精度,需要使用统计算法进行计算。
探测到的电信号脉冲半宽度约2 ns。由于探测概率为泊松分布,在探测过程中,单次回波信号将会在置信区间内波动。当回波个数足够多时,回波信号可以认为是高斯分布。因此,在输出计算结果时,将结果进行高斯拟合,可获得高精度统计测距结果。
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制冷器使用紫铜加风扇的制冷形式,使用四级TEC制冷器进行制冷,通过热敏电阻对制冷温度进行反馈,制冷控制电路采用PID控制,温度控制精度优于0.1 ℃,加敷保温材料并隔绝空气。实验室环境下,最低制冷温度可达−42 ℃。
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对于空间目标测距系统,系统性能评价的主要指标包括测距精度、分辨率、测量范围和信噪比。其中测距分辨率由系统的调制频率决定。对于伪随机码调制的激光测距系统,其激光光源通常采用连续半导体激光器,通过电光调制器将连续激光调制为伪随机编码的脉冲激光。测距精度与激光发射的峰值功率、接收光学天线的口径以及探测器灵敏度等因素有关,是激光雷达参数设计时需要重点关注的指标。因此,可以将以上相关因素反映到信噪比中。
(1)测距分辨率
伪随机码调制激光测距系统的距离分辨率由码速率f(即脉冲宽度)决定,码速率f与距离分辨率Δd的关系如下:
$$\Delta d = \frac{c}{{2f}} = \frac{{c\Delta t}}{2}$$ (1) 式中:c为光速;Δt为码元宽度。
(2)探测距离
以某型号卫星尺寸为例,卫星本体立方体边长约2 m,帆板展开约10 m×2 m,最大尺寸约22 m×2 m。由于帆板对1 550 nm激光反射率较低,通常只有5%,且基本为镜面反射,因此在计算中仅考虑由卫星本体产生的回波信号。
当目标相对距离为20 km时,光斑发散角0.1 mrad,则激光雷达方程为:
$${P_r} = \frac{{2{\eta _{{\rm{atm}}}}{\eta _a}\rho {P_T}\cos \alpha S{S_e}}}{{{\pi ^2}{\theta ^2}{R^4}}}$$ (2) 式中:PT为激光发射峰值功率;Pr为探测器接收到的光功率;ηatm为大气通过率;ηa为光学系统通过率;Se为入瞳面积;S为目标反射面积;R为探测距离;ρ为目标反射率。
(3)信噪比
伪随机码测量信噪比SNR与测量的次数有关,可以表示为:
$$\begin{array}{l} {\rm{SNR}} = \dfrac{{\sqrt n {N_{signal}}}}{{{N_{noise}}}}=\dfrac{{\sqrt n 2{\eta _{{\rm{atm}}}}{\eta _a}\rho {P_T}\cos \alpha S{S_e}}}{{{N_{noise}}hv{\pi ^2}{\theta ^2}{R^4}}} \\ \end{array} $$ (3) 式中:n为测量次数;hv为单光子能量。
(4)测距精度
测距精度可以表示为[10]:
$$\sigma {\rm{ = }}\frac{{\Delta d}}{{\sqrt {SNR} }} = \frac{c}{{2f\sqrt {SNR} }} = \frac{{\Delta t}}{{2\sqrt {SNR} }}$$ (4) 可知,测距系统距离分辨率和信噪比越高,距离精度越高。
当测距数据更新率为10 Hz时,每个探测周期应不大于0.1 s。文中使用XC7A200T-2FBG676C FPGA开发板进行嵌入式程序开发。为了实现10 Hz探测速率,结合FPGA上逻辑计算单元数量(215360个),采用累加同或计算简化后,m码序列最长为14阶。
根据公式(3)、(4),测距精度为1 m、信噪比为5时,系统调制频率为:
$$f{\rm{ = }}\frac{c}{{2\sigma \sqrt {SNR} }} \geqslant 67\;{\rm{MHz}}$$ (5) 同理,测距精度为0.1 m、信噪比为10时,系统调制频率为500 MHz。提高系统调制频率可以提高系统探测精度。然而,脉冲频率提高将导致伪随机码长度增加,或者使用精确门控方法增加探测距离。增加码长将导致信号输出频率下降,增加门控将导致系统复杂的提升。同时高频率淬灭电路复杂度高,不利于系统高可靠性设计。
由于盖革模式APD的被动淬灭时间约十几 ns,显然不适用于文中系统[9-12]。在相同偏置电压条件下,APD接收相同数量光子后光电流大小基本相同。因此,主动淬灭时光电流脉冲宽度基本相同。经测量,文中盖革APD光电流宽度约5 ns,且上升沿时间基本相同,约2 ns。因此,当合理设置光电流阈值,可以获得较精确的回波脉冲时间。文中使用的FPGA开发板时钟分频最高为800 MHz。为保证高频率主动淬灭电路正弦信号波形质量,伪随机码调制频率及正弦淬灭频率为100 MHz。后续在上位机对接收信号进行处理,也可以提高探测精度。
通过移位相关计算,相关结果为一个序列信号
$\delta \left( 1 \right)$ ,$\delta \left( 2 \right)$ ,···,$\delta \left( k \right)$ ,···,$\delta \left( {{2^{{N}}}{\rm{ - }}1} \right)$ ,其中k表示相关计算移位间隔数量。最高值对应的移位间隔即为测量值。但是由于激光信号在探测器中存在时间抖动,抖动造成同或计算相关峰展宽,且服从高斯分布。$$\delta \left( k \right) = \frac{1}{{\sqrt {2\pi } \sigma }}\exp \left( { - \frac{{{{\left( {k - \mu } \right)}^2}}}{{2{\sigma ^2}}}} \right)$$ (6) 均值即为峰值位置。通过最小二乘法计算可以有效提高探测距离精度。
第n次相关计算结果为
${\delta _n}\left( 1 \right)$ ,${\delta _n}\left( 2 \right)$ ,···,${\delta _n}\left( k \right)$ ,···,${\delta _n}\left( {{2^{{N}}}{\rm{ - }}1} \right)$ 时,前次相关结果之和为:$$\begin{array}{*{20}{c}} {{\delta _{sum}}\left( k \right) = \displaystyle\sum\limits_{i = 1}^n {{\delta _i}\left( k \right)} }&{k = 1,2,\cdots,{2^N} - 1} \end{array}$$ (7) 此时,累加结果依然服从高斯分布。文中使用相邻20次累加结果,计算分布结果中的均值位置。数据处理流程如图2所示。
由于高轨阴影区非常短暂,需要考虑太阳入射角确定时的探测角度。由公式(3)可知,当探测距离距离为20 km时,信噪比SNR与反射光夹角α及发射功率PT的关系如图3所示可实现较大观测角范围的探测需求。
当探测距离发生变化时,信噪比变化如图4所示。20 km距离处,激光回波信噪比优于5。
由图形可分析出,当光学天线口径固定时,提高激光峰值功率可以在一定范围内对信噪比有明显提升。当发射功率固定、观测角接近垂直时,激光雷达接收光学系统接收到的噪声光子越少,其信噪比明显增加。考虑到接近过程的时间,选择激光发射功率为20 W时,接近停靠过程中信噪比SNR大于5。
因此,选择光学天线口径为0.1 m,激光发射峰值功率为20 W时,能够获得较高的信噪比,且满足系统的探测精度要求,详细指标情况如表2所示。
表 2 远程空间测距激光雷达主要指标
Table 2. Main specifications of long distance space ranging lidar
Composition Item Specification Laser and transmitting optical system Wavelength/nm 1 550 Modulation frequency/MHz 100 Pulse width/ns 10 Laser pulse energy/nJ 20 Numerical aperture 0.09 Divergence angle/mrad 0.1 Mode-field diameter/mm 23 Receiving optical system Receiver aperture/mm 100 Optical efficiency 50% Optical band width/nm 5 Focal length/mm 354 Photon counting Detection probability ≥18% Photon counting rate/MHz 200 Dark count rate/kHz 20 Range resolution/m 3 Cumulative frequency 214−1
High precision ranging lidar based on pseudorandom code modulation
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摘要: 伪随机码调制激光测距系统通过发射高阶调制激光,实现高频率、低峰值功率探测,利用高频率探测和统计实现高信噪比,具有系统体积小、质量轻的特点,是一种适合远距离的激光雷达系统。但是测距精度与调制频率有关,以往研究中通常使用高调制频率实现高精度测量。文中研制了一台伪随机码调制的激光雷达样机,采用调制重复频率100 MHz、入瞳直径0.1 m的光学天线,通过对周期内回波信号进行高斯统计,在信噪比为5时的实验室环境下实现了0.1 m的高精度测距。通过理论和试验分析证明了通过提高时钟频率和信噪比可以有效提高测距精度。Abstract: Pseudo random code modulated laser ranging system could detect high frequency and low peak power by emitting high-order modulated laser, and achieve high signal-to-noise ratio by using high frequency detection and statistics. The system has the characteristics of small volume and light weight. It is a lidar system suitable for long distance. However, the measurement accuracy is related to the modulation frequency. In the past, high modulation frequency was usually used to achieve high-precision measurement. A laser radar prototype modulated by pseudo-random code was developed, which adopted 100 MHz modulation repetition rate, optical antenna with pupil diameter of 0.1 m. Through Gaussian statistics of the echo signal in the cycle, the high-precision ranging of 0.1 m was achieved in the laboratory environment when the signal-to-noise ratio was 5. Through theoretical and experimental analysis, it is proved that the measurement accuracy can be effectively improved by increasing the clock frequency and signal-to-noise ratio.
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Key words:
- lidar /
- pseudo random modulation /
- Geiger mode
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表 1 激光测距雷达主要指标要求
Table 1. Main specifications of ranging lidar
No. Parameter Value 1 Ranging range/km 20 2 Ranging accuracy/m 0.1 3 Data update rate/Hz 10 4 Target size 2 m×2 m×2 m 5 Target reflectivity 0.3 6 Wavelength/nm 1 550 7 Weight/kg 10 8 Volume/L 30 表 2 远程空间测距激光雷达主要指标
Table 2. Main specifications of long distance space ranging lidar
Composition Item Specification Laser and transmitting optical system Wavelength/nm 1 550 Modulation frequency/MHz 100 Pulse width/ns 10 Laser pulse energy/nJ 20 Numerical aperture 0.09 Divergence angle/mrad 0.1 Mode-field diameter/mm 23 Receiving optical system Receiver aperture/mm 100 Optical efficiency 50% Optical band width/nm 5 Focal length/mm 354 Photon counting Detection probability ≥18% Photon counting rate/MHz 200 Dark count rate/kHz 20 Range resolution/m 3 Cumulative frequency 214−1 -
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