激光雷达测距的峰值估计与测距精度分析

摘要：

衡量激光雷达性能的一个重要指标就是测距精度，

它对目标的三维重构、

中心定位和

识别有直接影响，

研究这一问题对激光雷达系统的优化设计以及后续应用的开发都有重要意

义。

同时，

想要比较精确地分析测距精度的最佳状态，

激光雷达的峰值估计对于有关研究人

员也有重要价值，需要认真研究。

关键词：

激光雷达；测距；峰值估计；测距精度

随着光学、电子等领域的不断进步，雷达技术也在不断发展，其测距的范围，应用的技

术随之扩展，

种类也不断增加。

激光雷达就是在这种情况下应运而生，

它在监测内容和范围

内可以有效地实行测量，

具有广泛的应用前景。

为了促进激光雷达的应用，

有关人员对其测

距的峰值估计和测距精度做了深入的研究。

1.

激光雷达简介

随着探测器和探测技术的发展，激光雷达诞生了。激光雷达是通过发射激光束来探测目

标的位置、速度等特征，

它的工作原理从根本上说，与传统的微波雷达没有什么区别。比起

传统的微波雷达，

激光雷达测距的范围更广、

精度也更高，

在民用和军事领域上均得到了广

泛的应用。研究它的两个关键问题就是高精度和远距离弱信号检测

,

这就涉及到了激光雷达

的测距精度研究，测距精度可以更好地评估数据，因此，合理衡量测距精度的方法。此外，

激光雷达相干系统在风速测量中，

常遇到弱信噪比的情况，

如何提高其估计性能也是一项研

究的重点

[1]

。

2.

激光雷达中的峰值估计

激光雷达的相干系统可以在晴空条件下有效地进行实时风场测量、飞机尾流探测、风切

变预警等，

应用前景广泛。

其中，

对风速的测量是通过微弱的气溶胶后向散射信号和本振光

的拍摄，

提取多普勒频移进行计算的。

目前常用的风速多普勒频移估计算法有包括最大似然

（

ML

）离散谱峰值（

DSP

）估计的多种算法，

MLDSP

的最大似然解就是周期图的最大值对应

的频率，它估计的是真实风速的概率，包含“好”和“坏”两部分，被广泛采用。通过仿真

方法研究出信噪比、

发射激光脉冲宽度和累积脉冲发数对

MLDSP

估计风速性能的影响，

可以

测绘出风速估计的概率密度函数（

PDF

）

，进而估计其峰值。

相干测风激光雷达中，发射机关脉冲的谱宽决定回波信号的谱宽，前者的功率曲线接近

高斯线性。

激光雷达的大气后向散射信号可以被描述为一个零均值的复数高斯随机过程，

这

一过程包括推算出的公式和有关的函数模型。

估计的无偏性和估计能够达到的最佳性能是评

价风速估计性能的重要标准，被称为

CRLB

。当风速引起的多普勒频移和周期图的频率分辨

单元的中心频率一致时，

MLDSP

估计就是无偏估计，

此时，

加上给定的采样间隔和采样点数，

绘制的概率密度函数可以有效地估计子性能。通过绘制曲线，有关人员发现

MLDSP

估计的

CRLB

与精确的

CRLB

近似。

在研究过程中，

可以通过仿真软件来模拟激光雷达接收机接收信

号的噪声和幅度。

模型中，当发射的激光脉冲、采样点和发激光脉冲累积确定时，通过改变信噪比，就可

以得到风速估计的

PDF

。在曲线图中，有一条拟合得到的函数曲线，在这条曲线附近，散落

着不同信噪比的情况下

MLDSP

估计的概率密度黑点；

函数曲线成正态分布，

曲线的最高值／

峰值与概率黑点的最大值近似重合，

其他概率黑点也沿着曲线，

呈近似正态分布的模式，

由

此得到

MLDSP

估计中“坏”的估计所占比例和“好”的估计的标准差，同时估算出峰值。通

过相同的原理，可以拟合出脉冲累积法术和发射激光脉冲宽度影响的函数曲线

[2]

。

3.

激光雷达的测距精度

激光二极管雷达比起常规的固体激光雷达，功耗低、重复频率高且体积小，有着不可替

代的优势，

在许多领域有重要作用。

用于测距的固体激光雷达以脉冲激光为光源、

飞行时间