王皓，羅沛，李小路

（北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京100083）

激光雷達(dá)作為一種新興的主動(dòng)式遙感技術(shù)，能夠快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地獲取地面目標(biāo)的三維空間信息，近年來(lái)得到了極大的發(fā)展和應(yīng)用。一個(gè)完整的激光雷達(dá)系統(tǒng)由激光測(cè)距儀、動(dòng)態(tài)差分GPS接收機(jī)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和成像裝置組成。而激光測(cè)距儀是系統(tǒng)的核心部分，其采用的測(cè)距方法也有所不同。常用的方法有：脈沖法、相位法、三角法、干涉法，這4種方法被廣泛應(yīng)用于不同場(chǎng)景，各有優(yōu)劣［1］。其中脈沖法又稱為飛行時(shí)間探測(cè)法，是最早應(yīng)用于激光雷達(dá)測(cè)距的方法，屬于直接探測(cè)手段，利用的是激光脈沖脈寬窄、持續(xù)時(shí)間短、瞬間功率大從而探測(cè)距離較遠(yuǎn)的特點(diǎn)［2-3］。脈沖法將被測(cè)距離換算成發(fā)射脈沖與目標(biāo)反射返回的接收脈沖之間的飛行時(shí)間，距離測(cè)量實(shí)際上就轉(zhuǎn)換成了時(shí)間測(cè)量。該方法簡(jiǎn)單方便，測(cè)量范圍大且功耗較小，但是絕對(duì)測(cè)距精度不高。相位法通過(guò)激光調(diào)制，測(cè)量發(fā)射脈沖和接收脈沖的相位差進(jìn)而解算出被測(cè)目標(biāo)的距離，避免了測(cè)量納米級(jí)的時(shí)間間隔，以此獲得比脈沖法更高的測(cè)距精度［4］。三角法是通過(guò)檢測(cè)被測(cè)物體反射或散射的光線，成像在光電探測(cè)器的光敏面上，測(cè)量像的位移來(lái)推出物體的位移；優(yōu)點(diǎn)是精度非常高，可達(dá)微米級(jí)，且簡(jiǎn)單易操作，但只適用于微小位移測(cè)量，最大量程只有1 m。干涉法利用激光干涉原理，產(chǎn)生明暗相間的條紋，然后對(duì)其計(jì)數(shù)，從而換算出位移量［5］；優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度極高，但其缺陷在于對(duì)測(cè)量環(huán)境的要求極為苛刻，需要精密的實(shí)驗(yàn)定標(biāo)。所以綜合來(lái)看，4種方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用環(huán)境，但針對(duì)較大的測(cè)量范圍，合適的測(cè)量方法只有2種，即脈沖法和相位法。但相位法測(cè)量遠(yuǎn)距離目標(biāo)時(shí)，一般需要在被測(cè)目標(biāo)上貼上靶標(biāo)作為合作目標(biāo)，不適用于某些應(yīng)用環(huán)境。而脈沖法基本適用于各種目標(biāo)，適用于絕大多數(shù)應(yīng)用環(huán)境。綜上，選擇脈沖法作為激光測(cè)距儀的測(cè)距方法，研究不同因素對(duì)測(cè)距精度的影響，以及最優(yōu)的測(cè)距電路設(shè)計(jì)。

脈沖激光雷達(dá)主要的誤差包括行走誤差（walk error）、時(shí)間抖動(dòng)誤差（tim ing jitter error）和非線性誤差（nonlinear error）［6］。在激光雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)量不同距離的目標(biāo)時(shí)，距離動(dòng)態(tài)變化造成的行走誤差是最需要修正的誤差。國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者在研究近程動(dòng)態(tài)范圍激光雷達(dá)測(cè)距技術(shù)時(shí)，多采用對(duì)脈沖幅值變化不敏感的恒比定時(shí)鑒別器（Constant Fraction Discriminator，CFD）來(lái)減小行走誤差，如中國(guó)科學(xué)院、北京理工大學(xué)等［7］。但是，CFD電路中高速比較器的過(guò)載和輸入脈沖形狀變化會(huì)產(chǎn)生額外行走誤差［8］，且動(dòng)態(tài)范圍越大，時(shí)間抖動(dòng)誤差也越大。因此，只采用CFD技術(shù)并不能完全消減由于距離動(dòng)態(tài)變化而導(dǎo)致的行走誤差［9］。所以基于自動(dòng)增益控制（Automatic Gain Control，AGC）技術(shù)和CFD技術(shù)設(shè)計(jì)的激光雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)，能夠更好地消減行走誤差和時(shí)間抖動(dòng)誤差，以適應(yīng)動(dòng)態(tài)范圍下的測(cè)量目標(biāo)，從而提高測(cè)距精度，并將設(shè)計(jì)的測(cè)距系統(tǒng)推廣到三維激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)上。

1 誤差分析

激光雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)的主要誤差可以總結(jié)為3種：行走誤差、時(shí)間抖動(dòng)誤差和非線性誤差。為了以更高精度測(cè)量近程動(dòng)態(tài)范圍下的目標(biāo)距離，需要對(duì)脈沖激光雷達(dá)測(cè)距單元的主要誤差分別進(jìn)行分析，以此確定改善系統(tǒng)測(cè)距精度的途徑，從而設(shè)計(jì)擁有更好測(cè)距性能的激光雷達(dá)測(cè)距電路。

1.1 行走誤差

激光雷達(dá)發(fā)射脈沖在時(shí)域上基本符合高斯分布，而系統(tǒng)探測(cè)目標(biāo)的動(dòng)態(tài)范圍較大或反射率差異較大時(shí)，接收到的回波脈沖幅值和形狀也有較大的變化?；夭ǚ祷蛎}沖形狀的變化會(huì)引起距離測(cè)量值的偏移。所以，行走誤差被定義為由于脈沖幅值和脈沖形狀變化導(dǎo)致的時(shí)間檢測(cè)電路中的時(shí)間偏差［10］，其概念如圖1所示。其中橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示脈沖幅值，不同幅值回波脈沖如圖中2條曲線所示。

如果使用前沿鑒別法，當(dāng)信號(hào)達(dá)到某個(gè)閾值時(shí)，電路給出一個(gè)邏輯電平作為stop脈沖。由于2個(gè)脈沖的前沿不同，得到的測(cè)量時(shí)間不同，導(dǎo)致距離測(cè)量會(huì)存在較大的偏差。所以在被測(cè)目標(biāo)是移動(dòng)的或者設(shè)備將用于一定動(dòng)態(tài)范圍的測(cè)量時(shí)，回波探測(cè)電路采用的時(shí)刻鑒別器所產(chǎn)生的行走誤差將各不相同［11］。

為了消除行走誤差，選擇采用CFD技術(shù)。其將回波信號(hào)分為兩路：一路為延時(shí)信號(hào)，一路為衰減信號(hào)，取兩路信號(hào)上升沿的交點(diǎn)作為時(shí)刻鑒別點(diǎn)。當(dāng)回波信號(hào)幅值發(fā)生變化時(shí)，該時(shí)刻鑒別點(diǎn)的位置不會(huì)改變，從而消除了因脈沖幅值變化造成的行走誤差。其原理如圖2所示。

圖1 行走誤差Fig.1 Walk error

圖2 恒比定時(shí)鑒別器原理Fig.2 Constant fraction discriminator principle

1.2 時(shí)間抖動(dòng)誤差

CFD電路確實(shí)一定程度上消減了行走誤差，但是由于CFD電路中必然存在隨機(jī)噪聲，獲得時(shí)刻鑒別點(diǎn)時(shí)也會(huì)存在抖動(dòng)偏差。這種偏差就是時(shí)間抖動(dòng)誤差。因此，時(shí)間抖動(dòng)誤差可以定義為噪聲引起的脈沖形變而出現(xiàn)的統(tǒng)計(jì)時(shí)間偏差，是一種隨機(jī)誤差［12］。在高斯噪聲的影響下，基于恒比定時(shí)的時(shí)刻鑒別點(diǎn)會(huì)在時(shí)間軸上發(fā)生偏移，另外，測(cè)量幅值動(dòng)態(tài)范圍越大，時(shí)間抖動(dòng)誤差也越大。因此，盡可能地提高信噪比，減小輸入幅值變化范圍是減小這種誤差的主要途徑。

1.3 非線性誤差

激光雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)中，時(shí)間間隔的測(cè)量精度是決定激光測(cè)距精度的重要因素，而測(cè)量時(shí)間間隔的方法需要用到高頻率的同步時(shí)鐘。該系統(tǒng)基于現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）對(duì)高精度時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Time-to-Digital Converter，TDC）芯片進(jìn)行配置和數(shù)據(jù)采集，利用TDC-GP22芯片內(nèi)部校準(zhǔn)和統(tǒng)一的延時(shí)線來(lái)進(jìn)行時(shí)間測(cè)量。但延時(shí)線間的間隔會(huì)產(chǎn)生時(shí)間間隔測(cè)量誤差，而這一誤差導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)非線性變化，屬于非線性誤差［13］。

在激光測(cè)距中，測(cè)量值可能是同步時(shí)鐘周期中的任何數(shù)據(jù)，并且每個(gè)數(shù)值出現(xiàn)的概率相等，所以導(dǎo)致的非線性誤差的均方根計(jì)算式為

式中：f為同步時(shí)鐘采用的頻率；c為光速。而TDC-GP22使用單通道測(cè)量時(shí)的分辨率為45 ps（1 ps=10-12s），start脈沖和stop脈沖的時(shí)間測(cè)量都會(huì)產(chǎn)生非線性誤差，所以總體產(chǎn)生的距離誤差計(jì)算式為

式中：σstart和σstop分別為start脈沖和stop脈沖的時(shí)間測(cè)量產(chǎn)生的非線性誤差。

由此可見(jiàn)，非線性誤差很小，且可以通過(guò)自標(biāo)定減小到一個(gè)可以忽略的水平。

2 激光雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)

2.1 測(cè)距系統(tǒng)組成

自研激光雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)主要由發(fā)射與接收單元、控制單元、掃描單元和測(cè)距單元4部分組成。發(fā)射與接收單元主要由激光器、望遠(yuǎn)鏡、光電探測(cè)器組成，通過(guò)同軸光路采集發(fā)射脈沖、回波脈沖和觸發(fā)信號(hào)。其中，激光器是發(fā)射與接收單元的核心器件，決定了整個(gè)激光雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)的適用范圍。該激光器為全固態(tài)Nd：YAG被動(dòng)調(diào)Q脈沖激光器，其主要指標(biāo)如表1所示。

因此，根據(jù)激光器參數(shù)、光電探測(cè)器的光學(xué)效率和電路參數(shù)，基于激光雷達(dá)方程可以估算出系統(tǒng)測(cè)距動(dòng)態(tài)范圍為10～100m。

表1 脈沖激光器主要指標(biāo)Tab le 1 Pu lse laser m ain indicators

掃描單元用于進(jìn)行三維掃描，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)和云臺(tái)實(shí)現(xiàn)水平方向和垂直方向的三維掃描?？刂茊卧饕肍PGA實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器和掃描單元的參數(shù)設(shè)置，同時(shí)完成主機(jī)與下位機(jī)之間數(shù)據(jù)的同步和傳輸，為點(diǎn)云成像提供必要的參數(shù)和數(shù)據(jù)包。測(cè)距單元利用AGC技術(shù)和CFD技術(shù)設(shè)計(jì)回波脈沖處理電路，通過(guò)TDC-GP22解算獲得距離時(shí)間差。測(cè)距單元是激光雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，如圖3所示，ADC為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。

激光雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)的核心技術(shù)主要包括兩方面：AGC技術(shù)和CFD技術(shù)。AGC技術(shù)提供穩(wěn)定的有限脈沖幅值，減小時(shí)間抖動(dòng)誤差和額外的行走誤差。CFD技術(shù)則通過(guò)延時(shí)信號(hào)和衰減信號(hào)的相交實(shí)現(xiàn)回波脈沖準(zhǔn)確時(shí)刻點(diǎn)的獲取，減小回波脈沖動(dòng)態(tài)變化所引起的行走誤差。

圖3 測(cè)距單元設(shè)計(jì)Fig.3 Design of ranging unit

2.2 AGC設(shè)計(jì)

AGC技術(shù)的設(shè)計(jì)目的主要有2點(diǎn)：一是使探測(cè)回波脈沖信號(hào)的激光雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)工作在線性區(qū)內(nèi)；二是將回波脈沖信號(hào)的幅值控制在CFD電路的最佳輸入范圍內(nèi)。也就是說(shuō)，AGC電路需要將遠(yuǎn)距離被測(cè)物體的微弱回波信號(hào)放大到一定程度，將近距離產(chǎn)生的回波信號(hào)衰減到一定程度，且保證信號(hào)不飽和不失真。AGC模塊的組成框圖如圖4所示。

圖4 自動(dòng)增益控制原理Fig.4 Automatic gain control principle

AGC電路主要包括4個(gè)部分：峰值保持單元、峰值檢測(cè)單元、邏輯控制單元和程控放大單元。峰值保持單元主要是探測(cè)回波脈沖的峰值并將其保持更長(zhǎng)時(shí)間，從而讓峰值能夠被峰值檢測(cè)單元檢測(cè)到［14］；峰值檢測(cè)單元?jiǎng)t主要利用ADC芯片檢測(cè)回波脈沖的峰值并進(jìn)行量化；邏輯控制單元依靠FPGA實(shí)現(xiàn)，根據(jù)ADC檢測(cè)到的脈沖峰值大小，進(jìn)行量程選擇，并將該量程的增益信息傳遞給程控放大單元；程控放大單元?jiǎng)t利用可編程增益放大器（PGA）和FPGA芯片根據(jù)接收到的增益信息對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行放大，從而對(duì)不同幅值的脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)不同增益的放大。AGC本質(zhì)上是一個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)，將回波脈沖分成兩路，其中一路通過(guò)峰值保持器，探測(cè)到脈沖峰值并保持一定的時(shí)間，利用ADC獲取脈沖峰值并且進(jìn)行量化，然后將量化的幅值傳遞給FPGA，F(xiàn)PGA根據(jù)幅值大小對(duì)量程進(jìn)行選擇，并將該量程的增益信息傳遞給PGA；另一路直接通過(guò)PGA，根據(jù)接收的增益信息對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行放大，以此達(dá)到自動(dòng)增益控制的目的。AGC電路將輸出信號(hào)控制在1.5～1.7 V，在CFD電路的最佳輸入范圍內(nèi)。

2.3 CFD設(shè)計(jì)

對(duì)于近程動(dòng)態(tài)范圍的目標(biāo)，由于受到目標(biāo)反射率和被測(cè)距離的影響，回波脈沖幅值會(huì)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化，測(cè)距精度隨著距離增加而變差。為了減小距離變化引起的行走誤差，系統(tǒng)采用CFD技術(shù)獲得回波脈沖的準(zhǔn)確時(shí)間，利用CFD電路中定時(shí)點(diǎn)的獲取與回波脈沖幅值無(wú)關(guān)的特性，減小行走誤差，從而提高測(cè)距精度。實(shí)驗(yàn)證明，CFD電路的輸入需要控制在一定范圍內(nèi)，系統(tǒng)可獲得更好的測(cè)距性能。因此，采用AGC技術(shù)，控制CFD電路輸入幅值在1.5～1.7 V范圍內(nèi)，進(jìn)一步減小行走誤差。

圖5 恒比定時(shí)鑒別器設(shè)計(jì)Fig.5 Constant fraction discriminator design

CFD模塊的設(shè)計(jì)原理如圖5所示，將輸入脈沖分為兩路。其中一路連接前沿鑒別器，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)拈撝迪肼暱赡芤鸬臅r(shí)間誤判，從而減小激光雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)的虛警概率。而另外一路連接到由衰減電路、延時(shí)電路和高速比較器（比較器2）構(gòu)成的CFD電路，衰減信號(hào)幅值等于延時(shí)信號(hào)幅值的時(shí)刻即是回波脈沖的定時(shí)點(diǎn)。由于這個(gè)定時(shí)點(diǎn)就是輸入脈沖幅值其峰值的某個(gè)分?jǐn)?shù)值的時(shí)刻點(diǎn)，所以利用CFD電路獲取的回波脈沖定時(shí)點(diǎn)是與輸入脈沖幅值無(wú)關(guān)的。

回波脈沖時(shí)刻點(diǎn)的獲取主要依靠CFD電路，獲得的時(shí)刻精度主要由延時(shí)電路和衰減電路決定。為了提高測(cè)距精度，盡量使延時(shí)電路和衰減電路相交的定時(shí)點(diǎn)發(fā)生在延時(shí)信號(hào)的上升沿最陡峭處，即是斜率最大的地方。因此，回波檢測(cè)電路中，延時(shí)時(shí)間和衰減系數(shù)是關(guān)鍵參數(shù)，延時(shí)時(shí)間和衰減系數(shù)應(yīng)該滿足［15］：

式中：tr為脈沖上升時(shí)間；td為延時(shí)時(shí)間；k為衰減系數(shù)。根據(jù)此前的研究結(jié)果，衰減系數(shù)在0.2～0.5范圍內(nèi)比較合適［16］。這是由于衰減系數(shù)越小，CFD電路所引起的標(biāo)準(zhǔn)偏差越小。衰減系數(shù)在大于某個(gè)極限值之后，測(cè)距精度會(huì)急劇惡化。但是考慮到過(guò)小的衰減系數(shù)會(huì)導(dǎo)致衰減信號(hào)的信噪比減小，反而會(huì)增大誤差。故選擇衰減系數(shù)為0.5，延時(shí)時(shí)間為2 ns。

2.4 TDC算法設(shè)計(jì)

時(shí)間測(cè)量部分，需要選擇高精度的時(shí)間測(cè)量方法獲得發(fā)射與接收脈沖的時(shí)間差。常見(jiàn)的時(shí)間測(cè)量方法主要有直接計(jì)數(shù)法、模擬內(nèi)插法、時(shí)間-幅值轉(zhuǎn)換法和時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換法［17-18］?？紤]到系統(tǒng)所需的測(cè)量精度和集成化，選擇TDC-GP22進(jìn)行高精度時(shí)間間隔測(cè)量。在激光雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)距單元中，TDC芯片以接收系統(tǒng)光路部分的觸發(fā)信號(hào)作為開(kāi)始信號(hào)（start），而回波信號(hào)經(jīng)過(guò)第一級(jí)放大、AGC電路和CFD電路之后進(jìn)入TDC芯片作為停止信號(hào)（stop）。由此計(jì)算發(fā)射脈沖和接收脈沖的時(shí)間差，換算得到目標(biāo)的距離信息。TDC-GP22芯片的集成度高、功耗低、測(cè)量性能好，使用單通道測(cè)量時(shí)單次分辨率可達(dá)45 ps，測(cè)量流程如圖6所示。通過(guò)系統(tǒng)參數(shù)配置，可以確定其測(cè)量模式、參考時(shí)鐘、脈沖個(gè)數(shù)、自校準(zhǔn)和ALU數(shù)據(jù)處理等信息。在參數(shù)配置與初始化之后，TDC-GP22才能被發(fā)射脈沖中斷，啟動(dòng)測(cè)量流程。

設(shè)計(jì)過(guò)程中，基于FPGA進(jìn)行編程開(kāi)發(fā)，控制TDC芯片進(jìn)行參數(shù)配置與測(cè)量模式選擇。TDC每次測(cè)量之前都必須進(jìn)行初始化，所以將觸發(fā)脈沖信號(hào)作為中斷信號(hào)，每次檢測(cè)到觸發(fā)信號(hào)之后，才開(kāi)始測(cè)量。TDC-GP22這一型號(hào)的芯片可以測(cè)量多個(gè)脈沖，這對(duì)多脈沖目標(biāo)測(cè)量是一大優(yōu)勢(shì)，但是在同一通道中，連續(xù)2個(gè)脈沖的間隔必須大于20 ns。假如測(cè)量目標(biāo)不滿足這一條件，則需要重新選擇性能更恰當(dāng)?shù)腡DC芯片。

圖6 TDC-GP22測(cè)量流程Fig.6 TDC-GP22 measurement process

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 靜態(tài)測(cè)距實(shí)驗(yàn)

3.1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及指標(biāo)

為了驗(yàn)證激光雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)精度是否達(dá)到要求，利用實(shí)驗(yàn)室自研激光雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)進(jìn)行10～100m目標(biāo)的靜態(tài)測(cè)距實(shí)驗(yàn)，在調(diào)試光路系統(tǒng)和電路系統(tǒng)后，通過(guò)示波器檢測(cè)回波波形是否符合要求。然后調(diào)整目標(biāo)距離，每10 m測(cè)量一組數(shù)據(jù)，每組80 000個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)中，被測(cè)目標(biāo)為反射率70%的標(biāo)準(zhǔn)漫反射板，利用激光測(cè)距儀（型號(hào)：GOLDM-41A，精度為2 mm）進(jìn)行距離標(biāo)定，得到每個(gè)測(cè)量距離下的距離真值。下面主要采用2種指標(biāo)衡量激光雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)距性能：測(cè)距精密度（precision）和測(cè)距準(zhǔn)確度（accuracy）。測(cè)距精密度用來(lái)估計(jì)系統(tǒng)隨機(jī)誤差，主要與目標(biāo)距離有關(guān)，在某一距離下，可表示為多次測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差。

式中：Epre為測(cè)距精密度；N為測(cè)量數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)；Rj為每一次的測(cè)量數(shù)據(jù)；為測(cè)量數(shù)據(jù)平均值。

測(cè)距準(zhǔn)確度用來(lái)估計(jì)激光雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差，一般將測(cè)量值與距離真值之間差值的平均值作為系統(tǒng)的準(zhǔn)確度［19］，即

式中：Eacu為測(cè)距準(zhǔn)確度；Rtrue為距離真值。

為了校正得到的準(zhǔn)確度數(shù)據(jù)，定義一個(gè)物理量偏差量（bias），將之前得到的測(cè)距準(zhǔn)確度減去對(duì)應(yīng)的偏差量，就得到校正后的準(zhǔn)確度。偏差量的定義為

式中：Ebias為 偏 差 量；M 為 測(cè) 量 目 標(biāo) 組 數(shù)；Eacu，j為第j組測(cè)量目標(biāo)的準(zhǔn)確度數(shù)據(jù)。

3.1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)中，10～100 m距離范圍內(nèi)的測(cè)距精密度和準(zhǔn)確度曲線如圖7所示。通過(guò)AGC技術(shù)和CFD技術(shù)的結(jié)合使用，激光雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)距精密度（即標(biāo)準(zhǔn)差）穩(wěn)定在1.05～2.88 cm，符合預(yù)期設(shè)計(jì)要求。而且精密度變化經(jīng)歷了一個(gè)先降低再上升的過(guò)程。主要原因是CFD模塊中在前沿鑒別器上設(shè)置了一個(gè)參考電壓0.07 V用以減少誤觸發(fā)。當(dāng)測(cè)距距離較近時(shí)，噪聲較大且部分時(shí)刻噪聲高于參考電壓，產(chǎn)生錯(cuò)誤時(shí)刻鑒別點(diǎn)，在近距離降低了測(cè)距精密度；當(dāng)測(cè)距距離較遠(yuǎn)時(shí)，根據(jù)激光雷達(dá)方程，距離增大，回波信號(hào)的信噪比降低，測(cè)距精密度也會(huì)下降。因此，測(cè)距精密度在距離為30m時(shí)，達(dá)到最優(yōu)為1.05 cm，在測(cè)距距離更小或更大時(shí)，測(cè)距精密度都會(huì)逐漸下降。

從圖7可知，校正后的準(zhǔn)確度絕對(duì)值在經(jīng)過(guò)校正后保持在5 cm以內(nèi)，并隨目標(biāo)距離的增大準(zhǔn)確度振蕩上升。準(zhǔn)確度用于測(cè)距系統(tǒng)標(biāo)定，對(duì)測(cè)距測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。

圖7 10～100m測(cè)距精密度及校正后準(zhǔn)確度變化曲線Fig.7 Change curves of 10-100m ranging precision and corrected accuracy

3.2 三維掃描測(cè)距實(shí)驗(yàn)

3.2.1 室內(nèi)掃描實(shí)驗(yàn)

為了獲得被測(cè)目標(biāo)的三維信息并生成點(diǎn)云圖像，采用實(shí)驗(yàn)室自研三維激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)進(jìn)行三維掃描測(cè)距實(shí)驗(yàn)。該系統(tǒng)的測(cè)距模塊與靜態(tài)測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)距模塊相同。利用掃描電機(jī)和FPGA的時(shí)序控制，使系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)掃描，角度信息與之前得到的距離信息傳到上位機(jī)進(jìn)行解算，獲得激光腳點(diǎn)的三維坐標(biāo)，從而生成掃描物體的點(diǎn)云圖像。

為了驗(yàn)證激光雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)在三維掃描系統(tǒng)中性能是否滿足應(yīng)用需要，進(jìn)行2組掃描實(shí)驗(yàn)。第1組實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為北京航空航天大學(xué)新主樓二層長(zhǎng)廊，在室內(nèi)自然光下測(cè)量。掃描目標(biāo)為反射率70%，長(zhǎng)寬皆為0.64m的標(biāo)準(zhǔn)漫反射板，并確保反射板與地面垂直。從距離激光出射點(diǎn)11.4m處開(kāi)始到31.2m，每隔1.8m進(jìn)行一次掃描，掃描得到的點(diǎn)云圖像如圖8所示。利用MATLAB截取反射板點(diǎn)云，并剔除反射板支架和邊框上的點(diǎn)云。為了衡量三維掃描系統(tǒng)中測(cè)距單元的性能，針對(duì)上述截取點(diǎn)進(jìn)行平面擬合，計(jì)算所有截取點(diǎn)到擬合平面的距離均方根誤差，即

式中：Erms為均方根誤差；Num為擬合平面的點(diǎn)云數(shù)量；Di為第i個(gè)點(diǎn)云到擬合平面的距離。

圖8 掃描目標(biāo)成像Fig.8 Scanning target imaging

圖9 平面擬合均方根誤差與靜態(tài)測(cè)距精度對(duì)比Fig.9 Comparison of planar fitting rootmean square error and static ranging precision

如圖9所示，虛線為靜態(tài)測(cè)距系統(tǒng)在10～32m范圍內(nèi)的測(cè)距精度曲線，實(shí)線為三維掃描系統(tǒng)的平面擬合均方根誤差的曲線（11.4～31.2m范圍內(nèi)點(diǎn)云較密集，所以在此范圍內(nèi)作對(duì)比）。從對(duì)比結(jié)果可以看出，平面擬合均方根誤差的變化趨勢(shì)與靜態(tài)測(cè)距精度的變化趨勢(shì)相似，先下降，再振蕩上升。且隨著距離增大，兩者的曲線逐漸接近。原因是點(diǎn)云測(cè)量誤差除跟測(cè)距精度有關(guān)，也跟角度的分辨率有關(guān)，距離越遠(yuǎn)，掃描目標(biāo)的視場(chǎng)角越小，擬合誤差受點(diǎn)云角度信息的影響越小，兩者的精度結(jié)果也就越接近。

3.2.2 室外掃描實(shí)驗(yàn)

第2組掃描實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)為北京航空航天大學(xué)晨興音樂(lè)廳正面（尺寸20.30m×7.85m×26.56m），在室外自然光條件下測(cè)量。設(shè)置激光發(fā)射頻率5 kHz，電機(jī)轉(zhuǎn)速2 r/s，云臺(tái)轉(zhuǎn)速0.37（°）/s，掃描目標(biāo)示意圖及掃描點(diǎn)云結(jié)果如圖10所示，有效點(diǎn)云總數(shù)為114660，激光出射點(diǎn)距音樂(lè)廳表面墻體的垂直距離為15.97m。

從點(diǎn)云圖像可以看出，掃描點(diǎn)云圖像輪廓清晰，點(diǎn)云密度隨出射點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的距離增大而逐漸減小，玻璃由于鏡面反射導(dǎo)致其周?chē)c(diǎn)云數(shù)量極少。為了檢測(cè)對(duì)室外目標(biāo)的測(cè)量效果，選擇截取部分墻面點(diǎn)云，計(jì)算各個(gè)截取點(diǎn)到擬合平面的距離，并求出所有截取點(diǎn)到平面擬合均方根誤差。圖11為平面擬合均方根誤差的直方分布。

圖10 室外掃描目標(biāo)照片及點(diǎn)云示意圖Fig.10 Outdoor scanning target photo and point cloud image

圖11 截取點(diǎn)云到擬合平面距離的誤差分布Fig.11 Error distribution of distance from interception point cloud to fitted plane

如圖11所示，在截取的4 774個(gè)點(diǎn)云中96.0%的點(diǎn)分布在平面擬合均方根誤差5 cm的范圍內(nèi)，60.6%的點(diǎn)分布在平面擬合均方根誤差2 cm的范圍內(nèi)，15.97m處平面擬合誤差的均方根值為3.54 cm。綜合2組掃描實(shí)驗(yàn)，無(wú)論在室內(nèi)環(huán)境還是室外環(huán)境，掃描系統(tǒng)都可以得到效果良好的點(diǎn)云圖像。在11.4～31.2m的距離范圍內(nèi)，平面擬合均方根誤差為2.05～4.35 cm。說(shuō)明基于AGC與CFD的激光雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)可以在三維掃描系統(tǒng)上得到推廣和應(yīng)用。

4 結(jié) 論

本文介紹了一種基于AGC技術(shù)和CFD技術(shù)的激光雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)。通過(guò)AGC技術(shù)和CFD技術(shù)的結(jié)合，有效減小了行走誤差和時(shí)間抖動(dòng)誤差，實(shí)現(xiàn)高精度激光測(cè)距。結(jié)論如下：

1）AGC技術(shù)為CFD電路提供最佳輸入脈沖，減小了時(shí)間抖動(dòng)誤差和額外行走誤差。CFD技術(shù)幫助TDC芯片獲得穩(wěn)定時(shí)刻點(diǎn)，減小了行走誤差。2種技術(shù)的結(jié)合使用有效地提高了測(cè)距精密度，靜態(tài)測(cè)距實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了在10～100m的測(cè)量范圍內(nèi)，該系統(tǒng)的靜態(tài)測(cè)距精密度穩(wěn)定在1.05～2.88 cm。測(cè)距準(zhǔn)確度校正后的絕對(duì)值保持在5 cm以內(nèi)，動(dòng)態(tài)變化范圍不大，便于系統(tǒng)標(biāo)定消除系統(tǒng)誤差。

2）該測(cè)距系統(tǒng)可以為實(shí)驗(yàn)室自研的三維激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)提供高精度的測(cè)距信息，從而動(dòng)態(tài)生成高精度點(diǎn)云圖像。通過(guò)室內(nèi)室外2組動(dòng)態(tài)掃描實(shí)驗(yàn)可知，對(duì)于三維掃描系統(tǒng)，室內(nèi)環(huán)境和室外環(huán)境都可以得到輪廓清晰的高質(zhì)量點(diǎn)云圖像。對(duì)距離出射點(diǎn)11.4～31.2m內(nèi)的室內(nèi)反射板平面擬合均方根誤差為2.05～4.35 cm，距離出射點(diǎn)15.97m處的室外建筑物平面擬合均方根誤差為3.54 cm。測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)距指標(biāo)為厘米級(jí)，滿足三維掃描系統(tǒng)對(duì)于測(cè)繪應(yīng)用的需求。