论文阅读 激光测距综述|| Laser ranging: a critical review of unusual techniques for distance measurement

原始论文：

Markus-Christian Amann, Thierry M. Bosch, Marc Lescure, Risto A. Myllylae, Marc Rioux, "Laser ranging: a critical review of unusual techniques for distance measurement," Opt. Eng. 40(1) (1 January 2001) https://doi.org/10.1117/1.1330700

激光测距：一种不寻常的距离测量技术

目录

Abstract 摘要

1. Introduction

2. 用于3D形状恢复的光学三角测量法

2.1 光源

2.2 光学三角形法中的几何学

2.3 基本限制

2.4 颜色恢复

2.5 总结

3. Laser Pulse Time-of-Flight Distance Measurement 激光脉冲ToF距离测量

3.1 Introduction

3.2 Constructions 构造

激光器的选择

扫描控制

焦平面扫描

3.3 Timing Jitter and Walk, Nonlinearity and Drift 定时抖动 和  游走、非线性与漂移

定时抖动和游走错误

时间鉴别器

激光器、增益控制和时间间隔测量单元

统计以提高精度

3.4 新的应用和发展趋势

4. 激光相移测距的原理与不足

4.1 Introduction

4.2 相移测距的物理原理

4.3 接收到的信号功率

4.4 误差分析 Error Analysis

4.4.1 High levels on the rf channel 射频信道的高电平

4.4.2 中频漂移

4.4.3 串扰的影响 Influence of the crosstalk

4.5 总结

5. FMCW Optical Radar 频率调制连续波光学雷达

5.1 Introduction

5.2 Principle 原理

5.3 Limitations

误差来源

FMCW最大测量距离

6. Conclusion 总结

---

Abstract 摘要

本文对激光测距的3种方法：

• 脉冲测距；
• 相移测距；
• 频率调制连续波测距；

分别说明了其基础原理、所受限制和应用。

 

1. Introduction

无接触距离测量技术很重要；

主动无接触距离测量技术的基本原理是发射一个信号(无线电、超声波或者光)到物体上，然后通过检测回波计算距离。

如果对测距精度有很高的要求，则只能使用光，因为无线电/超声波无法足够地聚焦。

除了测量距离之外，激光测距设备还可用于3D视觉等领域。

光学测距方法从技术上可以分为以下三个类别：

• 干涉法 interferometry.
• 飞行时间法 time-of-flight.
• 三角测量法。

本文将对上面三种方法中地典型技术：脉冲ToF，相移测量和频率连续波调制(FMCW)进行介绍，并指出它们的限制。

 

2. 用于3D形状恢复的光学三角测量法

早在19世纪摄影学刚刚起步时，就有通过光学方法恢复物体3D形状的尝试。那时的方法是通过24个相机从不同的角度拍摄照片，并将它们进行投影，之后再用粘土板恢复物体形状。事实上，这样做的成本并不比手工雕塑低多少：该过程需要很多人的操作和干预；用粘土板恢复的形状还是很差，需要雕刻家继续雕刻。这种情况直到100多年后计算机才出现转机。

三维成像需要如下基本元件：

• 光源。它用于定义光传输过程，比如一个编码-解码过程(如三角方法、条纹投影、ToF等)；
• 传感设备。包括透镜、光子探测器等，它将光能转换为电信号；
• 模数转换器；
• 计算机，去处理、显示和存储原始数据。

接下来将对三角3D形状恢复法的基本概念进行综述，尤其是光学设计和它存在的不足，同时给出了设计指南。

本小节的内容需要激光三角测量原理的背景知识，可参考：

激光三角测量法 原理、优点和不足

孙有春;庞亚军;白振旭;王雨雷;吕志伟; 激光三角测量法应用技术[J]. 激光杂志, : 1–10.

https://wenku.baidu.com/view/1187afeb551810a6f524868e.html

等

 

2.1 光源

普通的光源能够用来完成光学三角测量法，但使用激光源对三维成像有很多优点。包括：

亮度。非相干光源难以获得相干光源的亮度；

空间相干性。激光的空间相干性能够使其照在一个点上，当投影到3D物体上时能够保持聚焦。但尽管如此，激光的空间相干性仍旧受到衍射定律的限制，例如高斯激光束沿z轴传播时的扩散如下：

利用瑞利标准定义场的深度(depth of field, DOF)Df:

注：此处的depth of field, DOF应该是景深的意思，即：

景深（英语：Depth of field, DOF）景深是指相机对焦点前后相对清晰的成像范围。在光学中，尤其是录影或是摄影，是一个描述在空间中，可以清楚成像的距离范围。虽然透镜只能够将光聚到某一固定的距离，远离此点则会逐渐模糊，但是在某一段特定的距离内，图像模糊的程度是肉眼无法察觉的，这段距离称之为景深。当焦点设在超焦距处时，景深会从超焦距的一半延伸到无限远，对一个固定的光圈值来说，这是最大的景深。(source:https://en.wikipedia.org/wiki/Depth_of_field)

具体在激光器中，景深的含义为：

如下图所示，激光在焦距位置（常用的工作距离位置）线宽最小。设为w0，随着工作距离变化，其线宽开始增大，到，所对应的变化距离为±ZR ，而±ZR就是线宽对应的景深。(source:https://laser.ofweek.com/2020-04/ART-8230-2400-30434049.html)

可见，当波长越小 、激光器beam spot size(Spot size is nothing but the radius of the beam itself)越大时，景深Df越大。

 

图1：4个典型波长下3D光学激光器的图像分辨率

图1中，纵轴的含义是分辨率，像素间间隔为ω0；横轴则是depth of view. 图1可以用来指导3D成像的光学系统设计。它展示了一个特定volume中像素的最大数量。比如，对一个50cm长的物体，则景深DOV至少为50cm，则对应的y轴至少要大于2000左右，这意味着可见光频率下50cm的方向上必须有至少2000个分辨点。

2.2 光学三角形法中的几何学

经过散射，激光的空间相干性消失，即只有在采集处透镜的孔径是关闭的(???)，用于投影的景深才有意义。否则探测器上将会呈现模糊的像，从而产生误差。针对该问题的一个解决方案是按照Scheimpflug条件改变传统的几何光路。

原文：On scattering, the spatial coherence of the laser light is lost, which means that the depth of field used at the projection can be useful only if the lens aperture is closed down at the collection. Otherwise the focused laser spot is imaged as a blurred disk of light on the photodetector. A solution to this
problem is to modify the conventional imaging geometry to conform to the Scheimpflug condition.

(意思应该就是说由于探测表面发生的散射会导致探测器上成像模糊，因此必须要根据透镜的孔径等参数，对探测装置的几何光路进行相应的布置，才能避免探测器上的模糊，从而减小误差。但是不确定)

该光路能够让探测器表面和被投影的激光"保持共焦".  通过引入透镜的共焦平面，我们可以很容易地解释该结构。事实上，已知投影轴上位于f的点1将会在无限远处成像，则光子探测器的倾斜角可通过连接聚光透镜的主点 和 点1 确定。类似的，在透镜的另一侧，无穷远处的一个点将会在距离透镜f处成像。因此，光探测器的位置和倾斜角由经过点2的平行线确定。如下图2所示。

图2

注：激光器轴线、物镜主平面、CCD 线阵三者的延长线交于一点 (或三者相互平行) . 满 足式(1) 和式(5) 的三角法测量装置就可使投射光斑 无论远近 ,皆可通过物镜在 CCD 线阵上成清晰实像. 这一条件实际上就是著名的 Scheimpflug 条 件 .(source: 卢晋人 ,黄元庆, 激光三角法测量表面形貌, [J] 厦门大学学报(自然科学版), 2004年1月)

2.3 基本限制

对X和Y轴的采样较为简单，但是对Z轴(即传感器到物体的距离轴)的采样需要图像图像pattern的形心位置和差值。然而，此时相干性的缺陷就暴露了出来：由于激光投射的相干性，激光探测器上会出现光斑噪声，从而导致误差。这些噪声时光学系统几何和激光波长的函数。

图3 限制位置分辨率的光斑噪声

图3给出了光斑噪声对成像的激光点所造成的不确定性。这种调制出现的原因是物体表面对单一波长激光的散射：

在投射的激光光斑内，每个散射体都可以看作是一个相干发射器，由于在照明区域内存在许多散射体，因此产生的图像是空间非相干光源的相干和。其结果是理想的光滑光斑经过了一个随机调制。在文献[5](R. Baribeau and M. Rioux, ‘‘Influence of speckle on laser range finders,’’ Appl. Opt. 30~20!, 2873–2878 ~1991)中，有如下定量表述：

其中，σ^2为方差，f0是光轴上透镜到CCD的距离；φ是聚光透镜的孔径；β是前面所说的Scheimpflug角。

当给定典型值时，图像pattern形心的不确定度大约是mm量级；图像传感器的物理尺寸对上面的不确定度并没有影响。因此，越大的图像传感器就会有越好的3D形状恢复敏感度、速度和深度：越大的传感器物理尺寸就意味着越大的插值动态范围(这里不是很理解，为什么越大的图像传感器插值动态范围越大，就会有越好的3D形状恢复敏感度、速度和深度？)。

2.4 颜色恢复

在图2的基础上，只需要进行两个改动就能完成彩色图像恢复：

projection-level的改动：将单色激光器换成RGB激光器，或者换成包含了任意数量任意颜色的多波长激光器。例如使用能够同时发出10种颜色的Ar-Kr气体激光器；

collection-level的改动：使用棱镜将多波长激光束分解为多个光束，每一个光束的幅度都与要成像的物体的颜色相关。这样，利用不同颜色分量的幅度信息即可恢复物体的颜色。如图4所示。

图4 同时记录颜色和形状

2.5 总结

用激光三角测量法恢复形状需要仔细的设计。

对于包括激光三角测量法在内的所有主动方法，实现高分辨率成像的关键都在于投影系统，而不是采集系统。

事实上，在某些情况下，3D成像种的光学性能随传感器尺寸的增大而增大，这与当前2D成像的趋势相反。

 

3. Laser Pulse Time-of-Flight Distance Measurement 激光脉冲ToF距离测量

3.1 Introduction

ToF测距就是将光作为能量源，通过测量飞行时间实现的。所有仅将光作为能量源的应用，其主要参数都是光速c. 显然，用飞行时间乘以光速/2即为所求距离。

为了获得1mm的精确度，时间分辨率应该为6.7ps. 

>>> 1*2/(3e8)
6.666666666666667e-09

该方法单个脉冲即可取得cm级的精度，通过取平均值可以达到mm甚至亚mm的精度. 由于它的精确度和距离关系很小，因此ToF方法特别适合1m以上的距离。ToF的优点来自于它的传感器的本身特性，即发射光路和返回光路是相同的。

很多应用场景都对测距设备的大小、质量和功率做出了限制。因此，基本的ToF测距模块应以集成电路的形式实现。

3.2 Constructions 构造

脉冲ToF测距系统包括：

发射激光脉冲的激光器，脉冲宽度通常为5-50ns， 

接收通道，包括pin或雪崩光电二极管、放大器；

自动增益控制(AGC)；

定时鉴别器；

(快速定时鉴别器能够以非常高的计数率计数窄脉冲，和/或精确地标记这些相同脉冲的到达时间。它们设计用于通过处理快速上升的探测器信号来实现最佳时间分辨率和最高计数率。)

source: https://www.ortec-online.com.cn/products/electronics/fast-timing-discriminators

发射的脉冲触发计时单元，返回的脉冲停止该计时单元。因此，距离分辨率由计时单元的时间分辨率所决定。它的1个框图如图5所示：

图5 ToF距离测量装置

激光器的选择

激光器的类型选择取决于预期的测量范围和需要的速度：

距离：

• 对于长距离(几公里)测距，可以使用Nd-YAG激光器，其峰值功率可达到兆瓦级；
• 低价格的脉冲激光二极管能够产生峰值功率几十瓦的激光，从而测量几百米的距离(或使用相干累加法测量更长的距离)。

速度：、

YAG的激光器重复频率很低，然而激光二极管的频率可达到数万赫兹, dh型甚至可达到兆赫兹的速度。

扫描控制

在基于ToF的三维成像中，激光测距仪通过角度编码器来确定测量点的坐标。扫描是机械的，可以手动或自动进行。在某些应用中，手动是足够的。但对于需要节约时间的应用，需要一个伺服系统来增加测量率。

该伺服系统的基本技术是使用扫描振镜对测量头 或 仅对测量光束 进行扫描。

焦平面扫描

可以通过焦平面，而不是窄激光束进行一个点一个点的扫描。焦平面扫描能够在不使用机械的束扫描的情况下获得距离图。显然，该技术能够提高测量速度。

焦平面扫描的原理：一个激光束照亮表面的整个视场，并通过分离的探测器矩阵进行观察。每个探测器都能覆盖属于它自己的部分。之后，对探测进行进行时域分析，从而同时获得目标平面上每个点的距离。如图6(a)(b)所示。

图6(a) 焦平面扫描

 

 

图6(b) 焦平面扫描

 

其中，图6(b)来自本篇综述论文，图6(a)则来自此处的引用文章The measurement and use of registered reflectance and range data in scene analysis.

3.3 Timing Jitter and Walk, Nonlinearity and Drift 定时抖动 和  游走、非线性与漂移

定时抖动和游走错误

激光测距不准确的主要来源是噪声产生的时间抖动、游走、非线性和漂移。

典型的噪声源包括背景辐射引入的电流产生的散粒噪声和信号电流噪声产生的散粒噪声。

距离测量的准确性主要由定时抖动确定。抖动量正比于噪声幅度(rms), 反比于周期脉冲单位时间的斜度(du/dt).

当信号SNR=100时，100MHz的接收通道带宽能够达到1cm的典型分辨率。

然而，随着距离增加、幅度减小，精确度将会下降，下降程度与距离的2次方成正比。

脉冲幅度和形状改变导致定时电路的定时错误，这种错误就称为游走错误(walk error). 定时边缘的抖动和游走错误如下图7所示。

图7 定时抖动和游走

时间鉴别器

时间鉴别器是精密时间测量系统的重要组成部分。

时间鉴别器的任务是从检波器前置放大器的电脉冲中观察时间信息，并在适当的时刻产生触发信号。

时间推导方法的选择取决于需要的时间分辨率、计数速率和需要的脉冲动态范围。

时间鉴别器设计的通常原则有前缘定时(恒定幅度)、过零定时(求导)、一阶矩定时(积分)和等分数定时。

恒定分数鉴别(CFD)通过理想的脉冲形状补偿了由振幅和上升时间引起的游走误差，通常用于激光测距仪的TOF测量单元。

 

CFD操作的原理是：寻找脉冲高度与脉冲幅值比值恒定的时刻，并在该时刻产生一个触发脉冲。

用高增益差分发射耦合逻辑(ECL)比较器可以放大衰减脉冲和延迟脉冲的差异，进而检测恒定分数的时刻。

恒定分数鉴别(CFD)补偿了由振幅和上升时间引起的游走，但不补偿由非线性形状变化引起的行走。零交叉和第一时刻定时可以补偿幅度变化，而前缘定时不能补偿任何变化。

注：如下网站即为一个恒定分数鉴别器(CFD)的说明网站，可参考

https://www.ortec-online.com.cn/products/electronics/fast-timing-discriminators/584

ORTEC 584型恒定分数甄别器可从所有常用的探测器（如HPGe、硅带电粒子、快速塑料、NaI（Tl）和光电倍增管）中获得良好的时间分辨率。584型有三种定时模式：恒定分数、具有慢上升时间拒绝的恒定分数和前沿。

激光器、增益控制和时间间隔测量单元

发射部分、增益控制和时间间隔测量单元对系统的精度也是至关重要的。发射部分应产生稳定地激光脉冲形状，这可能需要二极管的温度保持稳定。激光二极管的动态现象，弛豫振荡，也应该在设计脉冲发射方案时予以考虑，因为这种动态现象可以轻易地导致脉冲形状发生显著的改变。

增益控制用来将定时脉冲的动态特性调整到时间鉴别器上。所需的控制量取决于测量范围、光学器件的结构和物体的反射率变化。接收端可以使用一个可调的光学衰减器去实现增益控制。与基于电子的增益控制相比，该方法的优点是在较宽的控制范围上具有延迟稳定性。最近，基于电子的控制方法的动态范围也有了显著提高。

启动脉冲和停止脉冲之间的时间间隔由时间-数字转换器(TDC)测量。TDC是一种快速、准确和稳定的时间间隔测量装置，它使用了数字计数技术和模拟/数字插值方法。TDC的单镜头分辨率通常比噪声产生的定时抖动好。

统计以提高精度

通过平均，最终的距离测量精度可以大大提高，其提高与平均结果数的平方根成正比。因此，通过平均100次连续测量，最终的分辨率可以提高到毫米级，此时当脉冲率为100 kHz，对应的测量时间为1毫秒。

如果统计误差平均到一个可忽略的水平，系统的精度是由它的系统误差如时间间隔测量尺度的非线性和漂移来定义的。通过精心设计系统，可以把这些误差减少到毫米级。

 

3.4 新的应用和发展趋势

• 类似人体的软组织中的ToF成像。即利用光脉冲在人体组织、纸浆等介质中的飞行时间，进行三维成像。在混浊介质中，光子有许多不同的路径，从而拓宽了短光脉冲。基于此的光学断层摄影计数正在被研究，如乳腺癌诊断和新生儿大脑成像。
• 复合材料结构研究。如通过研究光纤等介质中的ToF，分析其压力、温度等。
• 不伤害眼睛的ToF测距技术。如何限制功率进行远距离探测？ps脉冲有助于克服眼睛安全问题，且短脉冲能够提供更好的精度，但如何解决它导致的接收器高带宽问题？
• 如何减小设备尺寸、重量和功耗？

 

4. 激光相移测距的原理与不足

4.1 Introduction

• 本节介绍一种激光相移测距仪的原理。外差技术提供了窄带放大，提高了信噪比。

注: 相移、频率调制测距方法 与 零差、外差的关系见 零差检测，外差检测 以及 激光雷达中的零差探测和外差探测

• 本节还讨论了相移测距的一些局限，如光电信号高电平、中频漂移和电子串扰等。

4.2 相移测距的物理原理

在相移测距中，使用了一个恒定的频率进行调制(意思是频率调制中的调制频率不是常数)。

典型的系统框图如图8所示。

主晶振产生了一个频率为的正弦波,并使用该正弦波调制了激光二极管产生的dc直流电流。

目标物体反射回波信号，并被光电二极管收集了一部分激光束。

距离D可由相移得到

其中c为光速，Δt= 2D/c, 从而

当Δφ>2pi时，回波将无法被一一对应，因此结果将会出现混淆。

因此，最大测量距离为

例如，当=16.66MHz时，最大测量距离为9m.

为了改良精度，相移不是在工作频率直接测量，而是使用外差技术在中频

进行测距。

两个混频器的输出都经过了一个起始频率为f_if的带通滤波器。

4.3 接收到的信号功率

当目标面积与发射机照射面积相等时，接收信号功率PR为:

其中，P0是激光二极管的发射功率；TT是发射器的传送效率；TR是接收器的传送效率；ρd是物体表面的兰伯特反射系数；θ是目标的激光束入射角；AR是接收透镜的面积。

上式中仅使用了兰伯特分量计算光电信号，忽略了镜面分量。

事实上，即为垂直于目标表面的反射功率强度。

 

4.4 误差分析 Error Analysis

4.4.1 High levels on the rf channel 射频信道的高电平

由上面接收功率PR的计算公式可知，当测量的目标距离D较小时，PR将会快速增加。但是，大的接收功率信号又会导致变形和clipping，进而引入相移误差。为了避免该误差，有两个方法：

• 通过去聚焦降低小距离时的接收功率；
• 增加混频器的反馈去避免变形和clipping.

4.4.2 中频漂移

（本小节很多地方未看懂）

使用低功率激光二极管时，窄带方法提升了SNR。对于输入的白噪声，经过一个带通二阶滤波器后，输出可视为下面的噪声等效带宽Bn:

因此，有用信号的均方根噪声（rms）与带宽Δf_if的平方根成正比。

由于对称原理，可以假定一个振荡器的频率漂移与另一个振荡器的频率漂移相等（即δf_rf = δf_if）。如果两个中频滤波器在参考通道和信号通道上相同，则不会产生误差。

但如果带宽值过窄，则必须考虑f_rf和f_ol的频率漂移在中频调谐电路中引入的器件失配效应。

例如，对于Rauch滤波器结构，质量因子Q=f_if/Δf_if和调谐频率f_if的失配都是由电容失配造成的。采用f_rf= 16.66 MHz, Δf_if= 200hz，假设电容失配为1%，为了实现相移误差小于δφ=0.1deg(即δD=2.5mm),则需要两个晶振满足

δf_rf/f_rf = 3.5*10^(-7)

 

然而，为了保证分辨率，最好的方法是通过锁相环技术保持中频值不变。在文献19和20中，对一个反光物体进行了100米的距离测量(即具有良好的信噪比)，误差小于50 um。稳定的f= 1.5 GHz调制频率是由一个铷原子钟100 MHz输出的15次谐波产生的。

 

4.4.3 串扰的影响 Influence of the crosstalk

（本小节几乎是翻译）

发射机和接收机之间的电子串扰也会产生很大的误差。

当光电信号与激光二极管的调制电流具有相同的频率f_rf时，由调制电流源产生的同步泄漏v_crosst叠加在接收到的光电信号v_ph上(矢量相加)。

因此，为了排除不需要的外部信号，必须屏蔽与光电二极管有关的跨阻抗放大器必须被屏蔽。

然而，由于屏蔽技术不能完全消除串扰的影响，人们还提出了不同的方法:

• 采用激光二极管的增益开关作为光梳发生器，采用雪崩光电二极管(APD)选择光电信号的二次谐波;
• 基于使用Pockels单元的方法被提出以调制频率的倍数来获得被测信号，但它的实现仍然相当困难。

调制频率f_rf处的串扰误差决定了获得给定精度所需的最小信号感应比。例如，为了将最大误差相移操作限制在0.1度，泄漏信号上的光电信号的振幅比必须是600 (55 dB)。由于感应信号被电子噪声“掩蔽”，因此信噪比必须高于55分贝。当低功率激光二极管的频率调制f_fr大于10Mhz时，这一条件很难满足。最大距离测量误差δDmax独立于调制频率且随距离的平方增加而增加。因为光电电流矢量地添加串扰, 因此可以在距离D上得到周期误差。通过这种方式,可以补偿误差。

• 在跨阻抗放大器输入端虚构的扰动源模型：对驱动激光器和光电二极管之间的串扰进行粗略估计。这些模型显示了使用APD的优势。光电电流的增益是在半导体晶体本身内部产生的，因此可以假设，只有当信号被放大时，串扰才会叠加在输出信号上。但是，由于APD区域很小，这使得接收器的视野很小。对于三维成像来说，如果只有激光被微镜偏转，那么当不使用扫描镜时，接收器的大视场是必要的。因此，较大的光电二极管电容增大了信号通道输入端的时间常数，从而减小了放大器的带宽和/或相位裕度。一种解决方法是用调谐电路来补偿光电二极管的电容。这项技术是可能的，因为相移测距方法只工作在单一频率f_rf上。

4.5 总结

对于独立目标，相移测距技术可在1~20m的范围内得到较好分辨率的结果。

由于光电电流是正弦波，因此利用面积大的光电二极管可以实现广角视场。这样，就有可能通过微镜扫描激光束，从而实现未来3D视觉系统的低成本。

 

5. FMCW Optical Radar 频率调制连续波光学雷达

5.1 Introduction

使用FMCW的光学距离测量已经在表面重建、光纤传感、定位和层析成像等领域得到了广泛应用。其优点包括：

• 大的动态范围；
• 高分辨率，尤其是在近距离探测的情况下；

由于激光二极管技术最近的进步，高性能FMCW测距系统如今已经能够用电子可调的激光二极管实现。本文：

• 描述了FMCW的原理；
• 讨论了其在激光二极管下的系统性能。

5.2 Principle 原理

图9 使用可调激光二极管作为光源的FMCW光学雷达原理图

图9展示了FMCW光学雷达系统的原理。

其中，激光二极管的频率是被调制的，它的瞬时频率周期重复且平移量为Δf，如图10(a)所示.

周期性和线性频率啁啾是通过在波长可调激光二极管的调制器部分应用锯齿偏置电流实现的。

输出的激光通过光学隔离器以避免激光频率因反射而下降，然后被同时发送到物体和参考镜，之后反射信号通过一个平方律检测器二极管而被叠加。由于检测过程与功率，即振幅的平方，成正比，两个信号在检测器中混合，输出的主要交流分量频率为两个光信号的频差f_if。检测器的输出被馈入放大器限制器，从而抑制意外的调幅。最后，用频率计数器测量了反射信号的中频f_if。由于采用平方律混合过程，f_if处探测器输出的振幅分别与目标信号和参考信号的振幅(而不是功率)成正比。

因此，FMCW技术的动态范围是激光脉冲雷达技术的两倍(因为激光脉冲雷达的电功率是与目标信号的功率成正比)。

图10 瞬时光学频率随时间的变化(a)线性; (b)非线性

如图10(a)所示，物体和参考面之间的距离R(即所求)与中频f_if成正比。

因为物体信号的时延τ=2R/c, 因此中频f_if为：

其中，tm为斜坡周期。

5.3 Limitations

误差来源

• 激光二极管的频率调制响应随频率的变化通常是不均匀的。因此，图10(a)的理想情况很难出现。
• 频率随控制电流的变化特性通常也不是线性的。

因此，图10(b)才是经常出现的实际情况。为此，需要在图9的基础上进行改动，得到适应非线性的原理框图，如图11所示。

图11 为缓解非线性效应而改进的FMCW原理图

尽管当τ<

使用一个同步的参考线，并让距离R与参考线L_ref的长度比与斜坡频率无关是常见的解决方法，如图11所示。

FMCW最大测量距离

FMCW激光二极管系统的最大测量距离最终受到激光二极管相干长度的限制。其极限值通常是几十米的数量级，这是激光二极管相位噪声的结果，也决定了谱线宽度。相应地，在扫频范围内具有窄线宽的激光二极管最适用于较长距离的测量。

然而，最近的研究表明，频移反馈激光器的应用可以克服这一局限性，据报道，测量范围可达18公里。

相位噪声也是最大距离的限制原因之一。

窄带频率调制激光二极管通常更适用于高精度距离测量。然而，出现在中频f_if频率范围内的低频相位噪声是重要的。因此，严格说来，在非白相位噪声的情况下，激光线宽不能代表估算相关相位噪声的有用量。这尤其适用于广泛连续可调的激光二极管，这些二极管显示出数百GHz量级的大Δ值，并具有相应大的灵敏度。实验上，已经用二极管激光器FMCW测距系统证明了亚微米级的高分辨率。

因此：

• FMCW技术在短距离具有高精确度和测量速度快的特性；
• 由于激光二极管大的调制带宽，FMCW技术同样适用于3D成像系统。

6. Conclusion 总结

本文综述了如下激光测距方法的原理和限制因素，并总结了对限制因素的解决方案：

激光三角测距；

脉冲ToF；

相移法；

FMCW 频率调制连续波；

 

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这篇文章是2001年的文章，虽然经典但有些表述可能已经不再适用；

有些和硬件关系紧密的地方没有看懂，有些地方的理解可能也有错误，可详细阅读原始论文：

Markus-Christian Amann, Thierry M. Bosch, Marc Lescure, Risto A. Myllylae, Marc Rioux, "Laser ranging: a critical review of unusual techniques for distance measurement," Opt. Eng. 40(1) (1 January 2001) https://doi.org/10.1117/1.1330700

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原载于 我的博客

如有错误，可联系 [email protected]

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