簡介：激光探測和測距系統(LIDAR)

以下四個示例設計演示了如何使用OptiSystem模擬光檢測和測距系統（LIDAR），具體如下：

?激光脈沖飛行時間測量

?相移測距

?調頻連續波（FMCW）直接檢測測距和調頻連續波相干測距

圖1使用直接檢測的FMCW LIDAR OptiSystem模型示例視圖

1.測距(飛行時間)

1)原理簡介

?使用激光脈沖，飛行時間測距法測量發射脈沖從發射裝置行進到目標并返回接收器所花費的時間。 然后計算距離[1]

c是光速。

?接收信號功率是根據擴展目標模型確定的，計算如下[2]

其中P_t是傳輸光功率，D是接收器孔徑，ρ目標反射率，t_atm是大氣損耗系數，t_opt是光傳輸系統損耗因子，R是目標范圍。

?為了可靠地確定到達脈沖的出發時間，使用恒比定時測量[3]方法（用Cpp組件實現）。

圖2測距儀（TofF）布局

2)應用案例

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

?接收到的脈沖是在抽樣時間6.02e-06秒觸發的，進而發現該范圍為751.27 m（與全局參數范圍設置為750 m相比較）。 通過改變輸入參數CFTDelay，CFTFraction，CFTNoiseThreshold可以修改恒比鑒別器的靈敏度。

圖3激光測距系統

2.測距(相移)

?測量對象/目標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被調制并且朝向目標傳送。 然后用PIN光電二極管跟隨外差接收器檢測反射信號。 相移來源于投射光信號 (Df)，并于原始參考信號做對比，以進行測量并用于計算距離 [

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

圖4測距儀（相移）布局

3.測距(FMCW)

?最后提出的方法是調頻連續波（FMCW）LIDAR。已經開發了兩種模型：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。頻率調制的光發送器發送信號到目標，并且通過光電檢測器檢測反射信號并與原始線性調頻（LFM）信號混合。隨著接收信號的時延，產生中頻信號。使用頻率計數器（用我們的Cpp組件實現），測量檢測到的Rf信號，然后用于如下計算[4]:

其中RampPeriod等于全局參數的Time window ，DeltaFreq 等于參數RFSweepBandwidth（在子系統RF LFM Waveform Generator的組件參數內設置）。

?兩個檢測系統之間的唯一區別是使用平方律檢波，而另一個使用相干零差檢測器在混合前恢復輸入光信號（后者因此提供更高的靈敏度，因為檢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)