基于OptiSystem的调频连续波激光测距系统仿真文献综述
2020-04-15 17:05:24
在工业化国家,测距正处在一个重要的时期,特别是在一些应用上,比如非破坏性试验,工业上预测性的维护或者虚拟现实。激光测距在提高公司的生产力或者产品的质量上很有发展潜力,特别是测量一个模糊的目标,很多公司都会选择非接触测量。灵活的非接触距离测量的基本原理是将一个信号(无线电,超声波或者光波)入射到一个物体上并且处理反射回来信息或者分开信息以确定距离。如果需要高分辨率的距离探测器,就必须选择激光源,因为无线电或超声波不能充分聚焦,除此之外,激光测距设备通常用在3D视觉传感器,距离控制系统或定位中。
在军事领域,随着低截获概率雷达在战场上应用优势日益明显 ,对低截获雷达的研究也日益广泛,雷达对目标的探测能力主要表现在雷达威力上由其发射的平均功率决定,连续波雷达的发射功率电平就比同样平均功率的脉冲雷达的峰值功率低,因此,同样战场环境下,连续波雷达被侦察到的概率就远远小于脉冲雷达,可以大大提高战场生存能力。
比较于传统的激光雷达系统,线性调频连续波(LFMCW)激光雷达通过使用线性调频信号(LFM)对发射激光进行调制,可在一次探测过程中同时完成对距离和速度的探测。在对目标的探测过程中,LFMCW激光雷达的探测信息包含在回波信号的频率当中,探测过程中受大气的影响较小。
因为信号具有较大的时宽带宽积,相对于传统的调制信号,该型雷达可以在保持探测距离不变的情况下,具有较高的分辨率。但常用的LFM激光雷达多为直接检测方式的结构,对于远距离目标的探测灵敏度较低探测性能较差。而一个基于相干检测的激光雷达系统LFMCW结构较为复杂,且对于信号的检测及处理电路具有很高的要求,系统实现难度大,成本较高。
对于LFMCW激光雷达的研究,早在上世纪70年代在美国就己经开始。LFMCW激光雷达诞生的早期,其功能较多的使用于测距领域。限于当时探测器技术的发展水平较低,为了保证雷达的探测性能,该型雷达的结构多为相干外差结构。
2001年,日本三菱公司设计出一种采用LFM信号调制的1.55um波段的相干激光测风雷达,该型雷达采用外差的检测结构,接收端由双探测器组成。在激光脉冲信号输出能量为10.9mJ的条件下,对距离1.4km处的固定目标进行风速测量,测量精度可达0,14m/s(标准误差条件下)。当测量距离为5km时,接收端信噪比能够达到1dB。
2002年,瑞典吕勒奥理工大学的Daniel Nordin设计了一套接收端采用自混频的LFMCW激光雷达实验系统,用于距离与速度的测量实验。
2002年,缅因州立大学的Stephen Drew,Nuri W.Emanetoglu等人,利用研制的SG-OEM(增益对称光电混频器)对ARL的线性调频激光雷达系统进行改进,以取代原来系统当中的MSM探测器。改进后的激光雷达系统,工作波长设定为对于人眼安全的1550nm波段。由于采用的混频器件自身具有增益,可以降低跨阻放大器的增益要求,提高接收信号的带宽,改善系统的噪声性能,并且可以使得雷达系统小型化,使其无论在军事领域还是民用领域都具有极高的应用前景。
国内对于激光雷达的研究起步较晚,且研究多集中于接收信号处理等理论性的研究,对该型雷达回波信号检测系统的研究较少。2007年,北京航空航天大学的杨远洪等研制了一种全光纤结构的LFMCW相干激光雷达,系统的工作波长为1550nm,发射光平均功率为20nW,在接收端选用全光纤器件和单模光纤搭建光外差探测光路,并通过掺馆光纤放大器对接收到的回波微弱信号放大,但文献中并未给出系统探测的测量数据。
中国科学院上海技术物理研究所的孟昭华、洪光烈等人,在2009年研发出一套由四个光电探测器所组成的全光纤激光信号检测系统。通过实验研究得出,该系统的相干效率可达到0.85以上,具有极佳的微弱激光信号检测的灵敏度,但测量精度较低,只有10%左右。2010年,孟昭华等人搭建了一套由该检测系统所组成的线性调频激光雷达系统,通过对系统的实验测试得出,当本振功率为1mW时,该雷达系统可以获得的最小检测功率优于1nW,时间分辨率小于1ns。
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