用于高精度激光测距系统的脉冲回波信号时间扩展技术

《IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement》：Time Expansion of Pulse Echo Signal Implemented for Laser Ranging System With High Precision

脉冲激光测距方法采用相关采样时间扩展技术，通过频率差信号实现回波延迟时间扩展，结合FPGA实现低成本高精度系统，实验误差降至毫米级。

　　

摘要：

本文提出了一种基于相关采样时间扩展的脉冲激光测距方法，该方法提高了脉冲激光测距的精度。我们引入了一个额外的采样脉冲信号，该信号与发射信号具有特定的频率差。通过利用相关采样的原理，采样信号用于对脉冲回波信号进行采样，从而实现回波延迟的时间扩展。然后根据扩展因子计算实际距离。这种方法克服了传统飞行时间（TOF）方法的局限性，这些方法依赖于时间数字转换器（TDC）芯片的定时，显著减少了定时误差。我们的方法使用现场可编程门阵列（FPGA）、采样单元以及一套激光发射和接收设备来实现，从而形成了一个低成本的系统。实验结果表明，我们的方法能够实现高精度测距，并有效降低TOF测距中的误差，每次测量的误差降低到毫米级甚至更低。我们提出的方法在高精度测距领域具有很大的应用前景。

引言

光检测与测距（LiDAR）在多个领域取得了显著进展，例如自动驾驶[1]、智能机器人[2]和无人机（UAV）导航[3]。尽管近年来出现了许多新的理论和应用，激光测距仍然是激光雷达产品的核心技术之一，也是激光雷达研究最重要的方向之一[4]。结合激光和雷达技术，LiDAR由于其独特的优势[5]、[6]，在民用和军事领域具有广泛的应用和发展前景。LiDAR利用光频段的电磁波来检测和测量物体之间的距离。凭借激光的高相关性和高精度，通过控制空间光束的扫描角度，LiDAR可以实现高分辨率的目标距离信息，从而实现三维成像。因此，LiDAR在距离测量和三维建模方面优于超声波和毫米波雷达。对于一个LiDAR系统来说，其主要组成部分包括测距、光束扫描控制[7]和成像[8]。激光测距的方法和精度对LiDAR系统的整体性能具有决定性影响。近年来，自动驾驶产品中对LiDAR技术的迫切需求促进了激光测距研究的快速发展。常见的测距方法包括三角测量法、相移法、脉冲法、频率调制连续波（FMCW）法、时间相关单光子计数（TCSPC）法、双梳干涉法等[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]。