簡介：激光探測和測距系統(tǒng)(LIDAR) 

以下四個(gè)示例設(shè)計(jì)演示了如何使用OptiSystem模擬光檢測和測距系統(tǒng)（LIDAR），具體如下： 

激光脈沖飛行時(shí)間測量

相移測距

調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）直接檢測測距和調(diào)頻連續(xù)波相干測距

圖1.使用直接檢測的FMCW LIDAR OptiSystem模型示例視圖 

1.測距(飛行時(shí)間) 

原理簡介 

使用激光脈沖，飛行時(shí)間測距法測量發(fā)射脈沖從發(fā)射裝置行進(jìn)到目標(biāo)并返回接收器所花費(fèi)的時(shí)間。 然后計(jì)算距離[1]

c是光速。 

接收信號(hào)功率是根據(jù)擴(kuò)展目標(biāo)模型確定的，計(jì)算如下[2]

其中 Pt 是傳輸光功率，D 是接收器孔徑， ρ 目標(biāo)反射率， 是大氣損耗系數(shù)，是光傳輸系統(tǒng)損耗因子，R 是目標(biāo)范圍。 

為了可靠地確定到達(dá)脈沖的出發(fā)時(shí)間，使用恒比定時(shí)測量[3]方法（用Cpp組件實(shí)現(xiàn)）。

圖2.測距儀（TofF）布局

應(yīng)用案例 

下面的示例中，一個(gè)高斯脈沖(峰值脈沖時(shí)間= 1 us) 傳輸過后從虛擬目標(biāo)反射(由自由空間信道模型 (擴(kuò)展目標(biāo))定義) ) 。經(jīng)過衰減和延遲后，通過Cpp組件恒比定時(shí)測量法檢測和后處理接收到的信號(hào)。 

接收到的脈沖是在抽樣時(shí)間6.02e-06秒觸發(fā)的，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)該范圍為751.27 m（與全局參數(shù)范圍設(shè)置為750 m相比較）。 通過改變輸入?yún)?shù)CFTDelay，CFTFraction，CFTNoiseThreshold可以修改恒比鑒別器的靈敏度。

圖3.激光測距系統(tǒng)

2.測距(相移)

 

測量對象/目標(biāo)的距離的另一種方法是使用相移測距儀。 利用該方法，光源以特定頻率Rf被調(diào)制并且朝向目標(biāo)傳送。 然后用PIN光電二極管跟隨外差接收器檢測反射信號(hào)。 相移來源于投射光信號(hào) (??)，并于原始參考信號(hào)做對比，以進(jìn)行測量并用于計(jì)算距離 [1]:

為了提高該系統(tǒng)的精度，參考和接收的調(diào)制信號(hào)可以與本地振蕩器RLO混合，以將接收的波形變頻到較低的頻率（RLO-Rf）。 然后對這些信號(hào)進(jìn)行帶通濾波（以減少噪聲）并由相位計(jì)（使用我們的可編程Cpp組件）進(jìn)行處理。

圖4.測距儀（相移）布局

3.測距(FMCW) 

最后提出的方法是調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）LIDAR。 已經(jīng)開發(fā)了兩種模型：直接檢測的FMCW LIDAR和相干檢測的FMCW LIDAR。 兩種模式的工作原理相同。 頻率調(diào)制的光發(fā)送器發(fā)送信號(hào)到目標(biāo)，并且通過光電檢測器檢測反射信號(hào)并與原始線性調(diào)頻（LFM）信號(hào)混合。 隨著接收信號(hào)的時(shí)延，產(chǎn)生中頻信號(hào)。 使用頻率計(jì)數(shù)器（用我們的Cpp組件實(shí)現(xiàn)），測量檢測到的Rf信號(hào)，然后用于如下計(jì)算[4]：

其中RampPeriod等于全局參數(shù)的Time window ，DeltaFreq 等于參數(shù)RFSweepBandwidth（在子系統(tǒng)RF LFM Waveform Generator的組件參數(shù)內(nèi)設(shè)置）。 

兩個(gè)檢測系統(tǒng)之間的唯一區(qū)別是使用平方律檢波，而另一個(gè)使用相干零差檢測器在混合前恢復(fù)輸入光信號(hào)（后者因此提供更高的靈敏度，因?yàn)闄z測過程是散粒噪聲限制）

圖5.FMCW相干檢測布局

[1]: Laser ranging: a critical review of usual techniques for distance measurement, Optical Engineering, Vol. 40, No. 1. (2001), pp. 10-19 by Markus C. Amann, Thierry Bosch, Marc Lescure, Risto Myllyl?, Marc Rioux

[2]: Ahmed H. Elghandour; Chen D. Ren; Modeling and comparative study of various detection techniques for FMCW LIDAR using OptiSystem, Proc. SPIE 8905, International Symposium on Photoelectronic Detection and Imaging 2013: Laser Sensing and Imaging and Applications, 890529 (September 19, 2013)

[3]:Fast-Timing Discriminator Introduction, Ortec Inc., http://www.ortec-online.com/-/media/ametekortec/other/fast-timing-discriminator-introduction.pdf?la=en (accessed 10 Feb 2017)

[4]: Ahmed H. Elghandour; Chen D. Ren; Modeling and comparative study of various detection techniques for FMCW LIDAR using OptiSystem, Proc. SPIE 8905, International Symposium on Photoelectronic Detection and Imaging 2013: Laser Sensing and Imaging and Applications, 890529 (September 19, 2013)