（光学工程专业论文）用于汽车防撞系统的小型高频激光测距机研究(1).pdf

硕 士 论 文用于汽车防撞系统的小型高频激光测距机研究 ab s t r a c t as th e r e ta i n n 划 m b e r o f a u t o m o hi l e b ass b arpl y inc edr e 沈 n t y e azs， ro adt ra ffi c s a fe tyh asbc enre g ar d edas峨 沁 ialpr o bl em. n 五 s di ss e rt at i o nis in t e n d edtodesi gnalaser r 越 堪 旅 ngsy s t e mwhic h can be理 沁 d ina u t o mo blie 朗 t i v e sa fe tysy st eln . t b e sy st e md etects the ro ads ta 加 inthe di 油 an c e us in g l 出 犯 r be aj ” . it can assistthe driv ertoe sti m a t e th e ri sk le vel and b r ake eat li erinthe 山 川 g er o uss i 加 at l on. t h e 血si gns 户 戈 l fi c ation ofal 吐 o m obilepr ec r as h sy st e m】 坦 v e beenanal ys edin面5 di ss e rt ai on. t 七 ena d e ta l l edte c 俪司 p a n ” n e t e r ofl r an g e fi n d e r w hi chcan beu s e d in 朗 t o m obilep r e c rash syst e mb a s 卜 笼 n 扭 o pos ed. re】 at edth eoryand c ri ti c aip io bi ems of 】 朋 “r a n g e 6 n d erha v e be eddi sc u 5 目 . b y wel 沙 曲 g the p ro s an d c o 幻 ofk j 刀 dsoftangin g m etho ds ， t 七 e tech n i 司 sc he m e of而ni at 也 让 ed， hi 沙丘 e n q uen c y di odelaser 介 in g e 如d er 】 l a s bee nd ecided. t h e p r oj e ctad o p t s 州 se d l 记 r rangi ng innoncoh e r e n t d e t e c t m ode ， us esa 905 帅 p ul 刘 】 别 “ 汀di o de as the l 50 吟 ， d e t ec ts。 材 ect 侧thas l n gl e a p d ， 目。 pts a hi gh一 s pe e dco u n t e r ac 场 e v ed inap ro gr an坦 b l el o gi cd e v ， c e ( c p l d ) to m e a s u 了 ethe 朗 c ur a t e tim e 一 f- ffight i d t 州al . afu n t i o n alp r o t o ty peof做gefi n d erare man u fac奴 ir e d us i ng the sc b e dul ed 让 沁 知 吐 司 sch曰 的 e ， p r e l 玩 面axy ex lx 们 m e n tsare m adeus in gthe p r o t o type 枪y w o rds : las erran g e fmd 饥i as e r d io de， a p d ， p r o p a g at l o n d e l ay， c p l d 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果， 尽我所知， 在 本学位论文中， 除了加以 标注和致谢的部分外， 不包含其他人已 经发 表或公布过的研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。 与我一同工作的同 事对本学位论文做出的贡献均 已 在论文中作了明确的说明。 研 究 生 签 名 : 且叫当 鬓 一 洲 夕 年 夕 月3日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电 子和纸质文档， 可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内 容， 可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、 借阅或上网公 布本学位论文的部分或全部内容。 对 于保密论文，按保密的 有关规定和程序处理。 研 究 生 签 名 : 血 迷 j 红 ) 口 夕年 7 月;日 硕士论文用于汽车助掩系统的小型局频激光测邵机研究 .绪论 1 . 1课题的研究背景 在当今世界上，平均每分钟至少有一人死于车祸。根据巴黎经济合作与发展组 织的 统计， 由车祸造成的 医疗费， 财产损失费，以 及其它费 用，总计将 达到世界 gdp 的1 % 一 3 % 。 仅 美国 就 达 到加 00亿 美 元 191 。 当 然 ， 这 些 统 计 数 字 还 不 包 括 那 些无 法用货币 衡量的损失。 长期以 来， 研究人员 和工程师为 这些可 怕的数 字所震 惊， 全 世界的汽车工程师都在作各种方式的尝 试、 努力减少车祸的发生。 在美国 、欧洲和日 本， 在一些 研发 项目 中， 工程师正采用先进的微处理器、雷 达、 高 速ic， 以 及信号处理芯片 和算法改造 汽车工业， 超级计算机可以让设计人员 设计出能 够吸收尽可能多的 撞击能量的车架和 车体、 更 合理受力的安全 气囊和安全 带等， 这些被动防 护手段可以 在发生事 故时保护车内 人员的安全， 从而降低车辆每 百万公 里的 死亡人数。 然而， 最终要 解决的， 唯一能够拯救更多生命、更多伤者和 节省更多 金钱的办法， 首选是装 备a b s 、 e s p 等主动安全防护系 统。 防撞系统是基 于主 动安 全防护的前沿技术， 将 防撞系统整合进 入整车制造必 将是未来汽车工业的 发展方向，美国、日本、欧盟等国都投入巨资研发高速公路汽车防撞装置。 从1 997 年开 始， 很多奔 驰车型 上安装了车距 监控防撞系统 11 01 。该系统是一个 智能型升 级版的自 动定速巡航系 统，由 测距雷 达、 d t r监 控电脑、指示灯等组成。 系统 通过雷 达传感器侦测前方障 碍物距离车头的 远近， 当发现障碍物已 达到危险范 围，则 赘告灯会依障碍物的实际 距离亮起，当 距离过近时， 警告喇叭会 “ 嘀嘀” 响 起， 以带告驾 驶者 注意前方障碍 物已 经接近车体，同时d 仅 电 脑会通过车身电脑 网 络c a n 一 b a s 与 发动机电脑、 变速器电 脑及a b s 、 e s p 刹车系 统电 脑通 讯， 通过 限 制发动机 输出转 速，调节刹车 作用力 及变速箱挡位，控制定速巡航的车速。 1 9 9 吕 年5 月 ， 丰 田 首 次 推 出自 适 应 车 速 控 制 ( 人 c c ) 系 统 叫 。 系 统 采用 激光 束或雷达来 测量本车与前车间的距离和 相对速度。如果有一轿车从前方插入车道， 且距离小于预定的最小距离， 系统 将启动刹车， 使轿车最大 刹车 加速度达到3. 5 n 公 5 ， 直到尾随距离达到 所要求的距离。 若前车加 速或驶离该车道， 系统将打开油门 直到 尾车到达驾驶员所设定的控制速 度。 1 9 9 9 年9 月 美 洲 虎j 略 峪 开 始 为 它 在 德国 和 英 国 境内 销 售的x k r 小 轿 车 和 敞 蓬 小 汽 车 提 供acc 系 统 t.叹 2 000 年9 月， 梅塞德斯 奔驰和凌志加 入自 适应车 速控制行列. 凌志为它的 顶 级车l s 43o 装备了a c c系统。 梅塞德斯则 在它的c等级和5 等级型号 装备了 a c c 系 统， 在 欧 洲 销 售 t101. 硕 士 论 文用于汽车防撞系统的小型高频激光测距机研究 随后，通用、福特、 o p e l ， s a a b ，以及 v o l v o也在他们的某些车型上装备 a c c 系统，汽车防撞系 统的发 展逐渐进入成熟期， 相关产品 的竞争也日 趋激烈。 我国汽车工业起步较晚， 汽车防撞系统的研制更是落后于世界先进水平，研制 出自主知识产权的、具有世界先进水平的防撞系统，其社会效益和经济效益都是巨 大的。 表卜 1 为主要汽车防撞系 统制造商的产品性能指标 网 1 : 表 卜 1主要汽车防撞系统制造商产品 s aabi beotahamte mi c 刃词 e sa. 5 采用技术毫米波雷达旋转激光雷达人工视觉 多激光束雷达 毫米波雷达 数据率50 hz4 0hz2 5 hzi 0 0 h之25 1 1 2 延时20 ms2 5 n l 名40 ms1 0 ms40 ms 视场角 1 0 0。 2 7 0.6 0。3xl s.6 0. 测程0 . 5一2 0m0.3一2 0m0一40 m 0. 5一6m 0一 6 0m 测距精度 0 . im 0.0 5m3%0 . lm l m， 5% 角分辨率 1 01 。1 . 1 5 “2。 测速精度 5% 土i k p h 6% 1 0 k p h土 0 . z k p h 1 . 2本论文的主要工作 本 论文主 要研究用于汽车防撞系 统小 型高 频激光测距机的相关理论和关键技 术， 采用脉冲半导体激光器研制一种小型高频激光测距样机，并利用所研制的激光 测距机样机进行测距实验， 探索适用于车载防撞系统这一场合的激光测距机。围绕 课题设计本论文主要做如下的研究工作: 1 .讨论测距体制，在此基础上 提出了一种采用半导体激光器的 小型高频激光 测距机 研究 方案。 采用直接探测脉冲激光探测体制， 以波长为9 05lun 的脉冲半导体 激光器 作为 激光光源，利用单元 a p d探测器进行探测， 采用可编程逻辑器件构成 的高速计数器来获得激光脉冲飞行的精确时间. 2 . 对窄脉冲、大电流半导体 激光 器的 控制和驱动电 路实现机理 进行理论和实 验研究。设计发射功率稳定、频率可控的激光发射电路。 3 . 对宽带低噪声激光回波信号处理电路进行设计和分析。 设计雪崩光电二极 管前置 放大电 路和后序电 压放大电 路， 对时刻前 沿判别 方法进行研究， 设计有效的 时刻鉴 别电 路对回波信号进行处理， 控制漂移误差。 4 . 对时间间隔测量电路进行设 计和分 析。探索可靠的时间数字转换器插补方 法，对快速测距进行研究，设计测距精度小于土0. 5 米的计时电路。 、 硕 士 论 文 用于汽车防掩系统的小型高频激光测压机研究 2 .汽车激光防 撞系统概述 2. 1主 要技术分析 从目前掌握的技术来讲，汽车防撞系统可用超声波、红外、激光和微波技术实 现.这些技术都具有自己的优点和缺点，需要进一步的改进和完善。 2. l i超声波技术 由脉冲信号发生器产生的脉冲信号一路送单片机控制器，另一路用以调制超声 波. 经 脉冲调制后的超声波放大 后经送波器向外 辐射. 当己 调超声波在前向( 或 后向 ) 碰到其它汽车而反射回来之超声波由受波器接收并经放大、检波、再放大后送到单 片机 控制 器进行数据处理。 在单片 机控制器中首 先对接收到的 回波信号与脉冲信号 发生器送入的参考信号进行比较，从而计算出延时和与之相应的两车间距离，当计 算出的距离达到预置的减速距离时，控制器输出减速信号自 动控制汽车减速;当距 离达到 预置的 刹车距离时， 控制器则 及时输出刹车 信号立即 刹车以 防撞车114 1 . 超声 波雷达结构简单、价格低廉、体积小、重量轻。缺点是易受到大气紊流和气涡的影 响， 而且超声波的速度对温度的变化非常敏 感， 在天 气变化时， 不能精确测距。 此 外，由于超声波能量与距离的平方成正比而衰减的，故距离越远，反射回的超声波 越少， 灵敏度下降，其作用距离只能达到几 米到十几米，一般被用作倒车雷达。 2. 1 .2被动红外线技术 被动红外线传感器是基于测量传感器附 近物体所发射的热能来实 现测 距的。 这 种传感器不可能很准确 地确定物体的 距离， 它主 要用于报替系统， 如探测 车道上 的 行 人等114 ! 。 无源红外线 传感器的主要 优点 是成本低 且尺寸小， 主 要缺点是响应时 间 过长， 使驾驶员 得到的提前报警常常不足以躲 避碰撞， 这就限 制了 其在防撞系 统的 应用。 2. i j激光测距技术 目 前 用于防撞系统的主要是脉冲式激光测 距， 激光器发出 光脉冲的同 时， 计数 器开始 工作， 当光从目 标 返回测距仪的 接收装置时， 计数器停止计数，从计数器 所 记 的 脉 冲 个 数， 就 可 以 得出 所 测 量的 距 离 【14 。 由 于 光 波 的 速 度 很 快， 几十 米 的 距离 走 一 个 来 回 仅 需 1 0 、左 右 ， 这 样 对 计 数 器的 要 求 很 高 ， 并 且 距离 越 短， 误 差 也 就 硕 士 论 文用于汽车防掩系统的小型高频激光测即机研究 越大。由于光束很集中，激光雷达主要用于大范围直线距离的测量.激光雷达量程 大、 方向 性强 且响应时间快， 但成本高、 易 受外界环境( 如雨 雪雾等天气因素、 传感 器表 面脏) 的影响。 2.l 4视频成像技术 采用c c d摄像机采用目 标图 像， 并对目 标进行相关处理。 c c d摄像机给出的 图像是二维数字图像，可以用计算机存储和处理。这种图像帧频一般为 25h z ，可 以 矩阵形式存在计算机中， 然后进行处理、 显示和寻找其可 识别 特性 ( 用专门的模式 滤波器 ) ， 可用最大响应位置作为模式匹配过程的初始测 试点。 从原理上看， 图像处 理技术能给出近距离图像，小到 0. 3 m，大到 50m远。但由于人的尺寸和形状差异 很大，所以图像分析系统很难区分出 i o m远的高个成人和z m远的儿章。 这个问题 可通过将图像处理系统与测距系统 ( 如 超声测 距仪) 相结合得以 解决11 41 . 但由于其高 成本和对外部环境敏感影响到其在大多数车辆上使用。 2. l s f mc w 雷达技术 采用频率调制的高频电磁载波 ( 一般为微波频率或者更高、 通常为锯齿形信号) ， 原理是发射和反 射信号之间的不同 频率与前面物 体的 距离成比 例11 4 。 另外， 利用反 射信号的多普勒效应能用来判断前面车辆和物体之间的相对速度。 其突出优点是能 穿透泥土和飞 溅物， 并且窄 波束和宽波束均可以 使用， 因而能够把波束宽 度调 制得 适于特殊用途。其主要缺点是微波和毫米波频段的电磁装置成本相对较高。 2. 1 .单脉冲雷达技术 单脉冲雷 达发 射的不是连续的 波，而是很短的电 磁波信号。 在发 射脉冲之后， 接收器按一定的时间间隔对返回 信号进行 采样， 以确定前方 物体的距离。 其主要 优 点是用频 率很 低的 低成本电子 装置 就能获 得与f m c w 雷达相同的分辨率， 它对运 行环境要 求同f m c w 雷达一 样好。由于需要宽 频带的 接收器，故单脉冲雷达容易 受 到 外 界 电 磁 波 干 扰 114 。 2. 2防撞系统方案设计 经过慎重的比 较， 最终 选择脉冲式激光雷达用作防撞系统，主要有以 下原因 : 激光雷达测程远、 测距精度高、 方向 性好、 反应速度快，适合高速行驶汽车的 防撞需要: 硕士论文用于汽车防撞系统的小型高频激光测距机研究 随着半导体技术的飞速发展，半导体激光器的制造工艺得到很大的提高，采用 半导体激 光器的 激光雷达具有全固 态、 体积小、 重量 轻、 发 射频率高、 价格便宜等特 点; 激光雷达能够穿透较轻的雨雾雪等障碍物，保证防撞系统的正常工作; 在暴雨、浓雾、大雪等恶劣天气情况下一方面高速公路关闭、驾驶者会降低车速， 另一方面路面状况和特性发生了很大的变化， 如果驾驶者仍然依靠防撞系统高速行 驶，很有可能会出现意想不到的情况，造成不必要的损失。 2 3系统组成和工作原理 2 3 )系统组成 激光防撞系统安装在汽车前保险杠的中间 位置，由 激光雷达、 光扫描系统、 数 据处 理控制系统、显示面板、 报警装置、 紧急 刹车装置和参数设置等部分 组成 ( 如 图2 . 1 所示) ，各部分功能如下: 激 光 雷 达声 光 报 替 光扫描系统 数据处理 控 制 系 统 紧急刹车 显 示 面 板 片 今 刽卜 ，叫参 数 设 置 图 2 . 1 激光防撞系统结 构框图 激光雷达: 其作用是对汽车前方公路 上宽1 . 5 z m ， 长200 m范围的区域进行 重频 测距， 将激光距离传输给数据处理 控制系 统进行处理。 光扫描系统:由 旋转电 机、 轴角编码 器、 反光镜组成，其作用是将固定角度入 射的 激光 束转换成椭圆形的扫描光束， 对前方道路 进行水平、 高低方向上的扫描测距。 数据处理控制系统:对激光雷达和光 扫描系统的数据 进行相关处理，判定出目 标形 状、 数量、 速 度、 距离及分布状况， 并对危险目 标进行跟踪， 当目 标达到预先 设 定的 危险 速度/ 距离阐 值时， 控制显示面板、 报警装置、刹车装置进应相关动作. 显示面板:显示目标数量、速度、距离及分布状况。 声光报警装置: 预普信号的实 现方式，当 数据处 理控制系统计算出的目 标 距离 处 于预警信号门 限内 时，发出 声音和 灯光报警信号， 提醒驾驶者采 取预警措施。 紧急刹车装置:当数据处理控 制系统计算出的目 标距离处于紧急刹车时间门限 内时， 启动紧急预带措施，包括紧急 刹车、 关闭发 动机、 准备好泄能 设施等。 参数输入:对预替的时间门限、 距离范围、汽 车状态等参数进行修改， 减小 虚 带率的发生。 硕 士 论 文用于汽车防撞系统的小型高频激光测距机研究 2. 5本章小结 在本 章里， 介 绍了汽车防撞系统所 采用的 几种主要技术， 对各种技术进行了 分 析论证， 确定了 汽 车激光防撞系统的设计方案。 最后，结 合本设计所设计 项目的 具 体要求，给出了激光测距分系统的各项设计指标，为后续测距机制的探讨和具体实 现提供了宏观的定位和依据。 硕 士论 文用于汽车防撞系统的小型高频橄光测距机研究 3 .激光测 距系统原理与总体方案 3.1测距体制概述 一个典型的激光测距系统应具备以下几个单元: 激光发射单元、 激光接收单元、 距离计 算与显示单元、 准直与聚 焦单元。 系统工作时，激光由发 射单元 发射， 以光 速到 达目 标物后反射回来， 被接收单元接收， 通过 距离计 算与显示单元得到目 标物 距离。 根据激光测距的基本原理，激光测距技术可以分为激光飞行时间测距和非飞行 时间激光测距两类，其中飞行时间测距根据所发射激光状态的不同，可分为脉冲激 光 测距和连续波激光测距， 后者根据起止时刻标识的不同 又分为相位激光测距和调 频激光测距。 非飞行时间激光测距技术是指在测距时并不像飞时测距法直接或者间 接获得激光飞行时间，而是基于光子计数或者数学统计的方法来得到目标物距离。 以上介绍的方法中，被广泛应用的是脉冲激光测距和相位激光测距，其他测距 方法的应用范围较为有限，仅在特定条件下应用. 3.l i脉冲激光测距 目 前，脉冲激光测距己获得了广泛的应用，如地形测量、战术前沿测距、导弹 运行轨道跟踪、以及人造卫星、地球到月球距离的测量等。脉冲激光测距利用激光 脉冲持 续时间 极短，能量在时间上 相对集中，瞬时功率很大( 可达兆瓦 ) 的 特点， 在 有合作目 标的情况下，脉冲激光测距可以达到极远的测程:在进行几公里的近程测 距时， 如果精度要求不高， 即 使不使用合作目 标， 只是利 用被 测目 标对 脉冲激光的 漫反射所取得的反射信号，也可以进行测距。 一个典型的脉冲飞行时间激光测距系统通常由以下五个部分组成: 激光发射单 元、回波接收单元、信号处理单元、高精度时间间隔测量单元和处理控制单元。激 光发射 单元在某时 刻发射一激光脉冲，起始触发信号s t a r t ，开始时间间隔测量; 光脉冲 从发射天线向目 标发射出去， 经距离l 到达目 标后 被反 射; 接收 通道的光电 探测器 接收到返回 脉冲， 经放大后到达信号的放大 及整形 单元， 产生 一终止 s t o p 信号、 终止时间间隔测量: 高 精度计数单元把所测得的时间间隔结果夕输出到处理 控制 单元， 最后得到距离r 。 左 = 三 2= 号 (trm ， 一 俪 盯 ， = 三 c 山 ( 3 一 1 ) 硕 士 论 文 用于汽车防撞系统的小型高频激光测距机研究 图3 一 1脉冲激光测距基本原理 从激光飞 行时间t 出 发来考虑距离l 的 精度， 测量系统的测量精确度主要依 赖 于接收通道的带宽、激光脉冲的上升沿、探测器的信噪比 ( 峰值信号电流与噪声电 流均方根值之比)和时间间隔测量精确度。时间间隔测量精确度和脉冲激光测距系 统总的时间分辨率夕有关，时间分辨率夕受下列因素的影响:激光器的脉冲宽度 ( 持续时间);反射器 ( 反射 目 标)和光接收系统对脉冲的展宽;计数器的频率上 限等。 对于脉冲 测距来说， 距离l 的测 量精度关键是如何精 确稳定地 确定t 的 起止时 刻和精确测量 t ，它们各自对应的是时刻鉴别单元和时间间隔测量单元。激光光速 很快， 计数频率的高 低直接影响着所获得的 测距精度。 例如， 当 测距 巧 0 0 d i 时， 光 脉冲往返时间t = z l /c= 1 0ps ， 如果 这时 采用时钟 脉冲频 率为巧 o m e 比 ， 那么在1 0 户 5 时间间隔 应记数 巧 00个脉 冲，也 就是 说每个脉 冲所代表的 距离为l m 。在 检测中 如 有一个脉 冲的 误差， 其测距误差则有lm。 这 对远距离测距来说尚 能允许， 但对近距 离如5 0m 来说， 其相对误差就太大了。 提高 计数时钟脉冲频率或者采用 传递延 迟计 数法可以 减少这一误差。 另外， 光在大气中传播速 度c 是受大 气折射率变化影响的， 取决于 大气折射率 的取值精度，它还受环境温度、气压及大气湍流的影响，精度一般可以 达到 1 。 书 o ppm ) . 双 ( 多 ) 波 长 激 光 测 距 可以 避 免 大 气 对 测 量 精 度的 影 响。 3. 1 .2相位法激光测距 相 位法激光测距是用连续调制的 激光光束照射被测目 标， 通过测量光束往返中 产 生的相 位变化， 换 算出 被测目 标的距离， 这种相 位式激光测距法相对误差仅有百万分 9 硕 士 论 文用于汽车防撞系统的小型高频激光测距机研究 之一，在几千米的距离上误差只有几毫米。 其基本原理如图3 一 2 所示:其中d 可以看作是测量点与 目 标的往返距离，a为发射 点， b 为接收点，护 是a 、 b 两点间电 信号的相位差。 图3 一 2相位激光测距基本原理 距离和相位间的关系是: 。 = 生 。 t 2 ( 3 一 2 ) _， 、 ， . 护 、 1 = 扫 ，宁 夕 一 2 万 f ( 3 一 3 ) 其中 沪 为不足一周期的相位 值， 伪 调制频率， n 为正整数. 式中c 是光速，1 是激光调制频率，测定光波往返过程中的整周期及不足一个周期 的正弦函数的相位，就可以确定光波的往返时间的间隔，进而计算出距离. 令 l 二 共， 作 为 测 尺长 度， 则 由 (3 一 ) 、 (3 .3) 式 可 得 z 了 d = nl+ 丝l 2 万 ( 3 礴) 其中 n 是光波全行程中的整周期数。由 ( 3 一 4) 可知， 用单一的频率测距时无法确定 n 的 值，即 测距仪存在多 值性问 题。 解决多值性问题， 采用在测距仪内 设若千个辅助 的调制频率， 主 要有两种方案: 一是对于中长 程测 距仪， 采用集中的间 接测尺频率方 式， 设定精测和 粗测两 个调制频率， 一般精测频率为15 m 妇 比 ， 测尺长为10 米， 粗频为 1 50k l l z ， 测尺长为1 00 0 米。 例如要 测量5 84.7 6 m 的 距离时， 选用测尺长 度l， ， 为10 0 0m 的调制光作为粗尺， 选用测尺长度l sz 为1 0m 的 调制光作为精 尺。 如果 测相系统的 测相 精度为1 喻， 则用ls i 可 测得不 足10 0 0m 的 尾数5 84m ， 用场可测得不足1 0m的尾数 4. 76m ， 将两者结合 起来就可以 得到5 84.7 6 m . 这样， 就解决了 测距仪高 精度和长测程 之间的矛盾， 其中 最短的测尺保证了必 要的 测距精度， 最长的 测尺则 保证了 测距 仪的 测程。 1 1 3侧距机制类比及 在本设计中的实 用性 在相干检测系统中， 信号可以 通过调幅， 调频 或调相的方式调制到光 载波上， 当 信号光传输到接收端时， 首先与一本振光信号进行 相干混合， 然后由 探测器探测， 这 l 0 硕 士 论文 用 于 汽 车 防 撞 系 统 的 小 型 高 频激 光 测 距 机 研 究 样光电 流与信号光场和本振光场的乘积成正比， 从而大 大提高 接收灵 敏度。 理论上可 以 达到 探测器的 量子噪声极限. 通常相位分辨率要 达到一个周期 (2厅 ) 的 千分之一是很 容 易 的 ， 目 前已 有 文 献 指 出 ， 以 调 变 频 率声 为 3 00 州 压 匕 ( 调 变 波 长儿为 l m ) ， 而 相 位 分 辨率可以达到四千分之一，则距离分辨率约为0 . 1 2 n u n 。 但是， 相位检测一般只能检测到两 信号间 不满一个周期的相对相 位差必， 无法得 知实际相位的大小。因此， 要同时保持高分辨率与大的测量范围， 就必须利用数个不 同 的调 制频率对同 一距离作测量， 如此 大大增 加了 系统的电 路复杂程 度。 通常， 较复 杂的电 路也多半意味着较复杂的 设计限制， 较 大的 体积， 与较高的功率消耗。 它要求 严格的 空间和时间相干条件， 其光学系统的要 求也比 脉冲型系统要复杂和严格得多， 性能也没有脉冲型检测系统稳定。 一般而言， 相位型激光测距方式的分辨率比脉冲型激光测距方式要高， 但是脉冲 激光测距却有以下几项优点: 第一， 在相同的总平均光功率输出的条件下，脉冲光波 型激光 测距仪可测量的 距离 远比 连续光波型激光测 距仪要长。 主要是因为脉冲激光通 常可以 有很高的 瞬间 输出光功率， 使较远处的目 标物仍能反射回足够被检测到的光 信 号 强度。 第二， 测距速度较快， 脉冲激光 测距只 需要收到回波脉冲即结 束计时， 所以 采取某些计时方式时，其单次测量所需要的时间非常短。 反之，由于相位法所测量的 是 两个“ 连 续信号” 间的 相对相位差， 因 此在测 量时间 上也比 较费时， 这对于汽车 导 航激光雷 达或三维影像 激光雷达 等必须进行高频测距的系统而言， 是一项不利因素。 第 三， 不需 要合作目 标， 隐蔽和 安全性能好。 连续 波激光测距通常需要在目 标物处 放 置 反射镜 等装置， 来提高回 波功 率， 而脉冲激光测 距有 很高的 瞬时 功率， 不需要目 标 有合作性， 这在很多应用 环境下是非 常重要的。 另一 个方面， 脉冲 波激光测距由于 是 瞬时 发 射激光脉冲，其隐蔽性和安 全性均较高. 本项目 要求车载，因此必须做到小型化、 低功耗; 要求在短时间内对前方运动 目 标做出快速反应，因此测量必须达到较高的频率，介于以上两点原因， 决定采用脉冲 激光测距的方案。 3 j侧距系 统总体方案 3. 1 1光源的选择 在激 光器的 选用这一问题上， 无法使用像h e 一e ， 染料和固体这一 类的 激光器， 这 些激光 器要消 耗很大的电能， 这对于 使用电 池供电 的系统来说无疑是不 行的。 况且 也 很难在 体积上做的很小， 不符合小型 化的 要求. 因 此选用体积和能 耗非常小的 半导 体激光二极管作为探测光源进行测距。 另一方面， 项目 本身涉及的是民 用领域，因此必须 考虑系统的 安全性。 按国 标 皿 1 硕 士 论 文用于汽车防撞系统的小型高频激光测距机研究 g b 7 247 一 1 9 9 5 激光产品的辐射安全、设备分类、要求和用户指南，对激光危害的 分类分为四类， 等级越高， 激光的辐射危害性越大， 其最安全的标准为1 类激光器 ( 固 有安全) 标准， 即任何情况下不会超过最大允许照射量 ( a e l ) 或工程设计保证安全。 方案中采用的大功率脉冲半导体激光器尽管标称的瞬间发射功率较大， 但是发射 激光脉冲的频率和脉宽可以调节其驱动电路的有关电参数进行控制， 通过控制发射参 数 可以 使发 射光达 到1 类激光器标准，保证人眼安 全。 据现有资料报道，要想最大测程达到或超过2 00米，脉冲半导体激光器的功率至 少要达到z o w， 否则，信号将淹没在噪声之中而难以发现。 而且单次发射的光脉冲的 功率随着测 频的 升高而降低， 主要取决于 脉冲 波形的高电 平的占 空比， 同时还必须考 虑l d 的电 光转换效率。 根据研究目 标要求，综合考虑以上所述的峰值功率、重复频率、脉冲宽度、驱 动电 源、 发光面积、 发散角 和成本等因素， 发射机中的 半导 体激光器采用p e rk l n e liner 公司 生产的多量子阱 ( m u 】 ti 一 伽田加 mwe l din g a a s 半导 体激光器p g e w z s 09。 p e 比 i n 侧 m er公司 生产的p g e w 系 列半导 体激光器分两类:单单元发光和多单 元发 光。 多单元发 光比 单单元发 光半导 体激光器的峰值功率更高， p g e w z s 09是双 单元发光的半导 体激光 器，p g e wz s 09 半导 体激光器的 发光面为长方形，大小为 22 5x 1 2 0 让 m。 温度为 23时，p g e wz s 0 9半导体激光器的峰值功率为 3 0 w ( 脉宽为 3 0 n s ) 。 其 输出 功率与驱动激 光器的电流 基本呈线性关系 ( 如图3 一所示) 。 在激光器pn 结 正向电流达到25a时，输出功率到达峰值 30w。 .曰.月.口 .、留. .七.口 .侣.悦皿甘6 乃书皿二，.口.叹 .，皿月. 召.一且万卜 图3 一 3 p g e w z s o g 输出功率与输 入正向电 流的 关系 p g e w z s o g的另一 个重要参数是占 空比，p g e w z s 09 可耐受的 最大占空比 为 0. 0075% 。 这个参数和脉宽直接决定了 激光器发射的 最大 频率，以 脉宽 1 0 11 5 ， 测频 2. s k h z 为例计算，激 光器在这种情况下的占 空比 为: 硕 士论 文 用于汽车防撞系统的小型高频激光测距机研究 = ( l o x l o 一 9 ) x ( 2 .s x l o 3 ) = 2 .s x l o 刁 = 0 0 0 2 5 % 该激光器基本可以满足系统高重复频率的要求。 3. 2 .2 探测器的选择 在激光测距系统中， 由于需要精确测量激光脉冲的飞行时间， 所以对光电检测传 感器的响 应时间 有很高 的要求， 另外， 由于传感 器接收 的是反 射回来的信号， 所以 应 该对 微弱信号 敏感， 根据这两点要 求， 可供选择的 光电 传感 器有p m t 、p in型光电二 极管和 雪崩光电 二级管apd . 其中 p m t 尽管有高的 增益和较 低的 噪声， 但它体积大， 抗外部强 磁干扰差， 动态响 应范围 较小并需要多组电 压， 一般较少在脉冲激光测距系 统中使用。 p in型光电探测器和a p d 都是在半导体p n 结光电 探测器的基础上发展而来的， 两 者性能对比如表3 一 1 所示。 轰3-1光电探测器性能对比 器件类型 p in型光电二极管 雪崩光电二极管 优点 低功耗、小型化、 要求偏置电压小 低功耗、小型化、 较高的信噪比 缺点 灵敏度不如雪崩 二 极管 要求偏置电压高 ( 1 0 0 v ) 应用 近距离测距 远距离测距 雪崩光电 二极管具有体积小、 重量 轻、 功 耗低、 可靠 性高、 抗强 磁场干 扰和动态 范围 大等优点， 特别是其响应时间短， 由 于内 倍增效应， 它对 微弱 信号也 有相当高的 灵敏 度， 所以 既能保证激光测距系统的 测距精 度， 又能扩大测 距范围， 雪崩 光电二 极 管目 前己 经被广泛应用于多个领域， 诸如激光测距、 光子 相关性研究、 光电 探测等 等。 雪崩光电二 极管是 利用pn结在高反向电压下 产生的 雪崩效应来工作的一种二极 管。 这种管子具有普通硅光电 二极管 p in光电二 极管所没有的内增益光伏 特性，而 在 光电 探测系统中， 大多数是 对微 弱信号的检测， 采用内 增益的光探测器有助于对微弱 信号的 探测。 雪崩二极管是具有内 增益的光伏探测器件。 它是利用光生载流 子在高电 场区的雪 崩效 应而获得光电 流的增益的， 无光照时， pn结不会发生雪崩效应;只有 当 外界 有光照时， 激发出的光生 载流子才能引 起雪崩效应。 雪崩光电 二极管的反相工 作偏压 通常略低于pn 结的击穿电 压。若反相偏压超过器 件的 击穿电 压时， 器件将无 法工作，甚至烧毁。 半导 体雪 崩光电二 极管的 测量光谱范围与 其材 料有关。 51 、 g e 和in g a a s 型 a p d 的 光谱 敏感区分 别为 4 0 0 一 1 10 0 山 叮 、 8 00一 巧5 0 切 m 和9 0 0 一 17 0 0 nnl 。 其中 压 c 几 a s 型apd 的 工作频率 最高，噪声 最小， 但价格也 最高。 l 3 硕士论文用于汽车防撞系统的小型高频橄光测距机研究 论文 所采用的a p d 探测器是 p er k l neliner 公司 生产的c 3 o 7 37e 5 00，这 是一款硅外 延扩散型雪崩二极管，它具有噪声低、响应速度快、倍增因子适中和成本低等优点。 c 30737e5 00探测器典型的 性能参数如表 所示， 由 表3 一 2 可知， c 30737 e500探测 器 的 光敏面 面积为 0. 196 nun z . 表3 一 2 c 3 0 7 3 7 e 5 0 0 探测器典型的1作参数 最小值典型值最大值单位 光敏面直径 0.5 n ， n l 击穿电压1 602 0 0v 增益s o o iun 1 0 0 电流响应率8 0 o inn 5 0aj w 温度系数 ( 固定增益) 0.6vi 暗电流 l 5力 a 噪声电流0 .2 7州召 丽 结电容3 p f 响应时间 0. 3ns nep8 0 0 n mm= 1 0 0 6 .4p 刃 闷一丽 c 3 0737e500探测器电流响应度的光谱特性如图3 一所示，由图可知在波长9 05nm 处c 3 0 7 3 7 e 5 0 0 探测器的电流响应度约为3 8 a 乃 万 。 ， . . 到 . . .山曰 . 臼侧. 翻 . 汁 / 、 、) 一 一 / / / ， l l / 厂 、 / 了) 一 、 、 . . .口 . 口 图 3 碑 电 流响应 度的 光谱特性曲 线 要使apd 正 常工作， 必须在 妙d 两 端加反向 偏压， 反向 偏压的 大小决 定倍增因 子 的大小， 两者关系 如图 3 一 5 所示。 硕士论文用于汽车防撞系统的小型高频擞光侧距机研究 g . 卜v . 叮 ， “ v o 份明.欲. 00 n m( 赶. 0 ) / 一一 一. 尸尸口 / / . . 种一 . 一 口 户一 口 盖.口 叨eo刀aq即， 田， ， 口1 汤， 加1 月 日1 印 声 阵 自司 认 点 砚声( .怡 图3 一 5倍增因 子与反向 偏压关系曲 线 由图可以看到， 在22、 8 00钊 m 的情况下， 要获得10的增益必须在ap d 两端加9 0v 左右的反向偏压。激光发射的激光脉冲上升沿约为4 ns，由探测器的参数表可知，其 响应时间相当快，仅为0. 3 ns，因此探测器完全可以满足系统的需要。 1 2 3测程理论 分析 对激光测距系统而言， 待测物的距离 越远， 回 波强度也越小， 当回波强度小到和 噪声 相当， 系统无法分辨时的最远 距离， 就称此距离为 最大探测距离。 影响脉冲激光 测距系统的因素有: 脉冲激光发出的峰值功率、 待测物的反射率及可供反射的表面积、 环境与大气对光波的影响、发射接收系统的光透过率以及各项噪声的大小。 由 于激光测距机发射光束的发散角 通常为 皿习 d 量级， 目 标对接收机而言 可以 看作 小 面 元. 假 设目 标 与 激 光 测 距 机 的 距离 为 r ， 激 光 在 大 气 中 的 单 程 透射 率 为几 ， 目 标 被 照 射 部 分 在发 射 激 光光 束 横 截 面 方 向 的 投影 面 积为 鸿 ， 目 标 处 的 激 光 光 束 横 截 面 积 为 鸿 ， 目 标的 法向 为 on ， 发 射 机的 发 射 光 学 系 统 光 轴与目 标 法向 on 的 夹 角 为夕 ， 如 图3 一 6 所示。 硕 士 论 文用于汽车防撞系统的小型高频橄光侧距机研究 鸿 图 3 一 激光器 和目 标物的空间关系 假 设 激光 器 输 出 的 光 功 率 为君 ， 发 射 光 学 系 统的 效 率( 透 过率 ) 为从 ， 则 经 过 大 气 传 输 后 到 达目 标 处 的 总 激光 功 率 为 几 瓶 。 为了 简 化 计 算， 假 设发 出 光 束 在 横 截面 上 各 处的 功率是均匀的，则目 标被照射部分的 入射通量为 电 几 “ 味 奇 ( 3 一 5) 考虑在系统中目 标一般为车辆或者 行人， 面 积较大。 也就是说激光光束面积是小 于目 标反射面面积的。 此时，目标被照射部分在发射激光光束横截面方向的投影面积 碑 与 目 标 处 的 激 光 光束 横 截 面 积鸿 相 等 。 由 ( 3 巧 ) 式 ， 此 时的 入 射 通 量 为 中 ， = 几 君 叹( 3 一) 当 激光照射于待测物表面时， 将有一部分会 被反射， 反射光的一部分被激光测距 系统的接收单元接收。 物体对光的反射现象， 可以概分为两大类:镜面反射以及漫反 射， 通常这 两种现象是并 存的。 对于如 树木、 石头、 泥土、 草地、 水泥墙、 纸张等大 部分日 常生活中常见的物体， 有文献指出 它们通常可以 近似的视为很好的漫反射体， 该文 献指出，在入 射光的入射角小于60 以内时，这些物体的反射性质几乎就和 “ 朗 伯反 射表面” 的一样。 所谓朗伯反射， 是指反射光的行为遵守 “ 朗伯定律尸 :每单位 面积 单位立体角在 任何方向 上所发出的 光功率固定不变， 也 就是 辐射亮度为 常数。 这 里为了 简化说明， 将待测物体的表面视 为朗 伯反射表面. 由辐射亮度的定义可知 l = 二( 3 一 7 ) a 由辐射强度的定义知 卜鲤(3 -8) d q 式中中表 示辐射通量，0表示立体角. 由朗 伯余弦定 律 几= i cos 6( 3 一 9 ) 硕 士论 文用子汽车防撞系统的小型高频激光测距机研究 则有 d 中=idq二乙咬 c o s o d q 对上式积分可得 ( 3 一 1 0) 。 = la 广 二 乒 。 。 cos 、一 。 ( 3 。 1 1 ) 由 ( 3 一 7 )可知 1=乙咬 由 ( 3 1 1 ) 、( 3 一 1 2 )可得 中 =才1 即朗伯面的总辐射通量等于法向方向上辐射强度的二 倍. 假 设 激 光 器 照 射 到目 标 面 元杏上的 激 光 辐 射 通 量 为。 ， ， 目 标 的 反 射 率 为p ， 面元反射的总辐射通量为 。 ， = 电p 由 ( 3 一 1 3 )可得 ( 3 一 1 2) ( 3 一 1 3 ) 则目标 ( 3 1 4) 巾 ， 中i p 1 二 二 -二 二 一 才汀 ( 3 一 1 5) 那么再由朗伯余弦定律，与法线方向成夕 角方向的辐射强度为 ie =ico s 6 = 生 巴巴竺旦 ( 3 一 1 6) 这样，由 (3石)得到散射激光经大气传输后到达接收机处的辐射强度为 p 君 从cos 夕 汀 _ 空 ( 3 一 1 7) 假设接收光学系统的 有效接收面积为碑， 则该面积对目 标的 立体角为 _a_ 去 ， = ， 夭 r ( 3 一 1 8) 假 设 接 收 光 学 系 统 的 效 率 ( 透 过 率) 为从 ， 则 到 达 光电 探 测 器 光 敏 面 的 激 光 功 率 为 pr= 味 几 q ， = 君 几 ，户 叹 从 碑co s 夕 才r z ( 3 一 1 9) 上式 (3 1 9) 就是激光测距性能方程。 需要说明的是， 上式是针对激光测 距的 一般情况， 即 基于以 下两个假设目 标物表 面积大于激光光斑 面积， 且光斑所成之像全部落在接收 视场之内。 由 式 ( 3 一 19) 可知， 随着目 标 距离 r 的增大