付廷正

（北京怡孚和融科技有限公司，北京 100094）

當(dāng)前，國內(nèi)多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)已經(jīng)發(fā)展數(shù)年，幾大雷達(dá)廠商實(shí)現(xiàn)了從無到有的跨越，現(xiàn)今進(jìn)一步優(yōu)化激光雷達(dá)性能，穩(wěn)定其品質(zhì)，提高其精度，顯得尤為重要。

脈沖相干式激光雷達(dá)自始至終存在一個(gè)盲區(qū)問題。激光雷達(dá)光學(xué)部分通常使用脈沖式光纖激光器，能量分布呈近高斯波形。脈沖激光具有一定的寬度，導(dǎo)致出現(xiàn)了近距離探測(cè)盲區(qū)。盲區(qū)值的確定，會(huì)直接影響激光雷達(dá)對(duì)不同高度層風(fēng)場(chǎng)測(cè)量的準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響到數(shù)據(jù)的可靠程度?；诖耍芯苛艘环N實(shí)用、可靠且精度較高的光學(xué)盲區(qū)測(cè)試方法。

1 光路結(jié)構(gòu)

激光雷達(dá)光路結(jié)構(gòu)由激光放大器、光路系統(tǒng)、探測(cè)器和信號(hào)處理單元等組成。激光器輸出的連續(xù)光經(jīng)過分束后，一部分作為參考光輸入耦合器用于拍頻，另一部分調(diào)制成激光脈沖后進(jìn)行功率放大，通過望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束發(fā)散到大氣中。氣溶膠的后向散射信號(hào)經(jīng)過望遠(yuǎn)鏡與本振光在耦合器處拍頻，經(jīng)過光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

在光束的發(fā)射與接收上采用了收發(fā)同路的結(jié)構(gòu)。光路系統(tǒng)是無實(shí)焦基本光學(xué)系統(tǒng)，主要是對(duì)激光進(jìn)行擴(kuò)束，如圖1 所示。

2 主要光學(xué)參數(shù)

激光雷達(dá)使用的是一款光纖脈沖激光器，工作波長為1 550 nm，高脈沖能量輸出，可達(dá)100 μJ。

整體來說，光纖脈沖激光器結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定，易于集成到光學(xué)系統(tǒng)中。所探討的盲區(qū)正是由于它的脈沖寬度特性才有的，無法消除，只能通過技術(shù)手段降低盲區(qū)數(shù)值，如減小脈寬等方法。研究暫不對(duì)降低盲區(qū)的方法做討論，只討論盲區(qū)測(cè)試方法和精度提升。具體使用到的光纖脈沖激光器參數(shù)信息，如表1 所示。

表1 光纖脈沖激光器參數(shù)信息表

3 號(hào)線條即激光器脈沖輸出波形，可見實(shí)測(cè)脈沖寬度為302.2 ns，波形近似高斯分布，如圖2 所示。

3 詳細(xì)測(cè)試過程

3.1 盲區(qū)的產(chǎn)生

脈沖寬度與近距離盲區(qū)的長短有關(guān)。如果脈沖寬度為500 ns，那么盲區(qū)距離應(yīng)該為75 m，是理論上的最小探測(cè)高度。在雷達(dá)出光后，近端發(fā)出去的光無法回收到氣溶膠的散射信號(hào)即無法完成與本振光的拍頻，會(huì)出現(xiàn)不可探測(cè)區(qū)域即盲區(qū)。對(duì)于激光雷達(dá)而言，造成其近端盲區(qū)的因素除了光學(xué)上的盲區(qū)外還有很多，如電學(xué)脈沖前后沿和封閉脈沖的延遲、發(fā)射時(shí)開關(guān)余震的影響、采集延遲等，都會(huì)擴(kuò)大近距離盲區(qū)實(shí)際值[1]。

所謂理論計(jì)算的盲區(qū)，是把多種干擾因素進(jìn)行分解，并選取影響最大的因素作為真實(shí)盲區(qū)的數(shù)值。一般而言是比較準(zhǔn)確的，但要想將真實(shí)的盲區(qū)精確到分米級(jí)別，只靠理論計(jì)算對(duì)實(shí)際的應(yīng)用意義有限。

3.2 盲區(qū)的測(cè)量

對(duì)于一款最遠(yuǎn)探測(cè)距離為6 km 的多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)來說，它的理論盲區(qū)計(jì)算為90 m。本文設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單的方法來測(cè)試其盲區(qū)的真實(shí)數(shù)值和理論差值。盲區(qū)是因?yàn)樘綔y(cè)不到近端風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，所以基于這個(gè)思路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。若將激光雷達(dá)直接探測(cè)大氣，因風(fēng)場(chǎng)遠(yuǎn)近基本都是均勻的，只能知道哪個(gè)是第一個(gè)有效信號(hào)，但無法判定第一個(gè)有效信號(hào)是多遠(yuǎn)距離產(chǎn)生的，只能粗略認(rèn)為位置是90 m。所以，決定采用在無風(fēng)場(chǎng)的區(qū)域進(jìn)行單點(diǎn)模擬風(fēng)場(chǎng)，查找出現(xiàn)實(shí)際信號(hào)的點(diǎn)，然后使用卷尺測(cè)試該點(diǎn)距離雷達(dá)出光口多遠(yuǎn)，即實(shí)際的盲區(qū)值。

地點(diǎn)選取了一段長距離走廊，總直線長度為105.8 m。將激光雷達(dá)運(yùn)到場(chǎng)地一端，接上電，調(diào)整后機(jī)器水平，并調(diào)好光路準(zhǔn)直，要求出光到100 m 時(shí)光斑偏差為10 mm 以內(nèi)，如圖3 所示。

調(diào)整好光斑后，需要開始模擬風(fēng)場(chǎng)，此過程需要2 ～3 人協(xié)助完成。使用一臺(tái)大功率風(fēng)扇對(duì)光斑進(jìn)行吹風(fēng)，從0 ～100 m 逐漸移動(dòng)風(fēng)扇，然后觀察第一個(gè)信號(hào)值是否出現(xiàn)，操作過程如圖4 所示。

在信號(hào)發(fā)生板的驅(qū)動(dòng)下，AOM 驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生80 MHz的正弦脈沖信號(hào)調(diào)制連續(xù)種子激光產(chǎn)生激光脈沖。零風(fēng)場(chǎng)的情況下是沒有頻移的，信號(hào)仍為80 MHz。隨著風(fēng)場(chǎng)逐漸遠(yuǎn)離雷達(dá)，出現(xiàn)了有效信號(hào)的頻移，頻移量約為84 MHz。根據(jù)頻移與風(fēng)速的換算關(guān)系，1 m·s-1的風(fēng)速會(huì)引起1.3 MHz 的頻移[2]，換算成風(fēng)速約為3 m·s-1，是風(fēng)扇風(fēng)速的值，即該點(diǎn)到雷達(dá)的距離即為真實(shí)的雷達(dá)盲區(qū)，如圖5 所示。

通過測(cè)量此時(shí)風(fēng)點(diǎn)到雷達(dá)的實(shí)際距離得知，其間隔是96.0 m。本臺(tái)激光雷達(dá)的真實(shí)盲區(qū)是96.0 m，與理論90.0 m 相差了6.0 m 的距離。

3.3 盲區(qū)可信度驗(yàn)證

通過實(shí)際測(cè)試找到真實(shí)盲區(qū)是96.0 m，下面進(jìn)一步分析其可信度，具體采用遠(yuǎn)距離定點(diǎn)建筑進(jìn)行驗(yàn)證的方式展開實(shí)驗(yàn)[3]。

將設(shè)置好實(shí)際盲區(qū)的激光雷達(dá)拉到室外，仍然調(diào)好雷達(dá)水平角度和出光風(fēng)向，實(shí)驗(yàn)使用了一臺(tái)分米級(jí)精度的外購器件測(cè)距儀。通過使用輔助準(zhǔn)直紅外儀等設(shè)備，保證出光位置和測(cè)距儀起點(diǎn)完全相同。

將光斑分別打到遠(yuǎn)端3 個(gè)合適距離的建筑物上，并記錄好測(cè)距儀的數(shù)值，分別是219.0 m、222.0 m、225.0 m，如圖6 所示。

通過分析載噪比的強(qiáng)反射信號(hào)，得到了強(qiáng)反射信號(hào)對(duì)應(yīng)的3 個(gè)距離值[4-5]。通過利用盲區(qū)對(duì)橫坐標(biāo)進(jìn)行反向補(bǔ)償和換算，發(fā)現(xiàn)其盲區(qū)值分別是96.6 m、95.2 m、96.4 m，與實(shí)際盲區(qū)位置分別相差+0.6 m、-0.8 m、+0.4 m。造成誤差的原因主要是測(cè)距儀的精度和光路打到的點(diǎn)位的偏離而產(chǎn)生，基本符合測(cè)試預(yù)期，說明盲區(qū)值96.0 m 的設(shè)定是準(zhǔn)確可信的，精度可達(dá)到分米級(jí)別，如圖7 所示。

4 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)過程中，光路精準(zhǔn)控制和模擬高精度風(fēng)場(chǎng)調(diào)試過程頗為耗時(shí)。比如：在遠(yuǎn)距離準(zhǔn)直光路時(shí)，要達(dá)到非常精確的目標(biāo)很困難；模擬風(fēng)場(chǎng)過程中，要保證風(fēng)量均勻且以厘米為單位進(jìn)行精準(zhǔn)平移，同時(shí)要保證投影到光路上的風(fēng)場(chǎng)分量盡量一致。通過不斷試驗(yàn)調(diào)節(jié)，終于得到了真實(shí)的盲區(qū)值，也從反向證明了測(cè)試值精準(zhǔn)有效。如何縮小理論盲區(qū)值與實(shí)際盲區(qū)值的差異，以及如何更便捷和穩(wěn)定地測(cè)試實(shí)際高精度盲區(qū)，有待于進(jìn)一步探索，是今后努力的方向。