调频连续波激光雷达测距系统仿真_李东玲.pdf

18 集成电路应用 第 40 卷 第 1 期（总第 352 期）2023 年 1 月 Research and Design 研究与设计图1 调频连续波激光雷达系统结构摘要：阐述调频连续波激光雷达测距原理，通过实验对比距离分辨率、栅栏效应和随机误差对调频连续波激光雷达测距误差大小的影响，探讨调频连续波激光雷达的测距系统在不同距离下的测距精度。关键词：调频连续波激光雷达，距离分辨率，栅栏效应，测距精度。中图分类号：TN958.98 文章编号：1674-2583(2023)01-0018-02DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2023.01.006文献引用格式：李东玲.调频连续波激光雷达测距系统仿真J.集成电路应用,2023,40(01):18-19.待测目标表面反射后被激光接收模块接收，然后与参考光在光合束器处合束，最后进入光电探测器进行相干拍频。差拍信号通过低通滤波器后进入频率测量与数据处理模块得到待测目标的距离信息。调频连续波激光雷达测距原理。调频连续波激光雷达测距原理是通过对激光调频，并利用接收信号与发射信号相干后的差拍信号来实现距离测量。距离如式（1）。（1）因此调频连续波激光雷达测距仿真系统生成的仿真距离只与差拍信号的频率有关3。2 仿真实验与结果分析根据调频连续波激光雷达的测距原理。选择合适的实验参数，最后给出调频连续波测距系统的测距精度。0 引言调频连续波激光（Frequency modulated continuous wave，FMCW）雷达结合了调频连续波雷达和激光雷达这两种雷达体制各自的特点，具有探测灵敏度高、距离分辨力高、不存在距离盲区、可实现多普勒测速、有利于片上集成等优点1。因此，调频连续波激光雷达特别适用于近距离和高精度探测的场合，在自动驾驶领域受到了极大的关注。1 调频连续波激光雷达测距原理 调频连续波测距技术是一种光外差探测技术，其核心思想是将对距离的测量转换为对距离成比例的差拍信号频率的测量2。如图1所示。线性调频光信号经过光分束器后分成两路，其中一路作为参考光，另一路作为探测光，探测光通过激光发射模块照射到待测物体上，探测光信号在调频连续波激光雷达测距系统仿真李东玲（西安工业大学，陕西 710021）Abstract This paper describes the ranging principle of frequency modulated continuous wave(FMCW)laser radar,and discusses the ranging accuracy of FMCW laser radar ranging system at different distances by comparing the effects of range resolution,fence effect and random error on the ranging error of FMCW laser radar.Index Terms frequency modulated continuous wave lidar,range resolution,fence effect,ranging accuracy.Simulation of Frequency-modulated Continuous Wave Lidar Ranging SystemLI Dongling（Xian Technological University,Shaanxi 710021,China.)作者简介：李东玲，西安工业大学；研究方向：系统仿真。收稿日期：2022-09-10；修回日期：2022-12-23。集成电路应用 第 40 卷 第 1 期（总第 352 期）2023 年 1 月 19Research and Design 研究与设计 2.1 实验固定参数设置调频连续波激光雷达测距仿真实验的固定参数如表1所示。2.2 距离分辨率由FMCW测距的基本原理和距离计算公式，可以得到距离分辨率为式（2）。（2）本文实验中将距离分辨率分别设置为0.5m、0.2m、0.1m做对比试验，信号带宽分别为300MHz、750MHz、1 500MHz，测距盲区越来越小，分别为0.2m、0.1m、0.05m，选择信号带宽为1 500MHz、测距盲区为0.05、距离分辨率为0.1m时能满足在实际自动驾驶的应用场景中的要求，因此本文的测距系统中信号带宽设置1 500MHz。2.3 采样点数由于栅栏效应引起频谱泄漏，将造成信号频谱峰值点的估计误差，从而导致系统的测距分辨率降低。频率抽样为2k/N，采样点数N增加，必然使采样点之间的距离更近，谱线更密，通过增加采样点数也可以弥补采样点错过回波脉冲峰值带来的测量误差4。在带宽为1 500MHz，目标距离设置为50m时，表2为采样点数不同时的实验结果。通过上表数据可以看出，随着采样点数的增多，仿真距离和预设距离的误差越来越小，但是采样点数越多，数据处理时的运行时间越长，综合考虑的情况下，本文的调频连续波激光雷达的测距仿真实验选择 进行仿真实验。2.3 信噪比仿真参数设置如下：在B=1 500MHz、N=220时，给接收信号加高斯白噪声，逐渐增大噪声功率，直到对仿真距离的识别出现失真，如图2所示。由图2可以看出调频连续波激光雷达的测距系统的距离仿真抗噪性良好，为-48dB。由此也可以看出，调频连续波激光雷达的抗噪性良好。3 系统的测距精度根据以上的实验，将实验条件设置为信号带宽为1 500MHz，采样点数为220，信噪比设置为-40dB的情况下，对0150m不同的距离进行多次测距仿真实验，可以得到系统的测距精度如表3所示。4 结语本文主要根据调频连续波激光雷达测距原理，根据自动驾驶的要求，选择合适的参数设计了调频连续波激光雷达的测距系统，该测距系统的抗噪性达到-48dB，最后得出调频连续波激光雷达的测距精度，根据表3可知，该测距系统在150m处的测距精度低于毫米级，实现了调频连续波激光雷达的高精度测距，为调频连续波激光雷达的系统参数设计提供实验数据支撑。参考文献1 朱永成.基于VINS-MONO的融合SLAM应用于自动驾驶的技术研究D.北京:北京邮电大学,2021.2 徐忠扬,张洪祥,陈凯,潘时龙.调频连续波激光雷达技术进展J.真空电子技术,2019(04):18-26+40.3 赵潇,杨海马,强佳,刘瑾,王建宇.基于卡尔曼滤波的高精度相干激光测距方法J.光学学报,2020,40(14):115-123.图2 信噪比为-20dB、-48dB、-49dB时的仿真结果表2 采样点数对测距误差和运行时间的影响表1 测距系统固定参数设置表3 调频连续波测距系统的测距精度