光纤阵列激光雷达测距试验与分析

为了测试所研发的5×5 光纤阵列耦合APDs 面阵激光雷达实验室样机的测距性能，我们用该面阵激光雷达实验室样机进行试验。实验室样机主控制器和触发信号模块分别采用PC 机和信号源，该试验平台包含光纤阵列激光雷达、示波器、激光测距仪等设备(周国清等，2015)，如图8-3 所示。实验步骤如下：

①将试验平台移到实验室内，距被照射白色墙面约11m 处。

②用测量精度±3mm 的Leica DISTO A3 激光测距仪，精确标定被测距离。

③触发脉冲激光发射模块发射激光照射墙面，进行连续测试。试验过程中，时间间隔测量子系统测到的数据自动上传至PC 机。

④将实验装置向被照射墙面推进1m，重复步骤②、③，直至实验装置推进到距墙面6m 处，结束实验。

图8-3　光纤阵列激光雷达测距实验

由于研发的激光雷达最终需搭载于运动平台上，不可能对同一目标进行很多次测量，再利用统计方法获得校正后的测量距离，因此我们关心的是激光雷达单次测量情况下能够达到的精度。在完成测试试验后，对获得的6 个不同距离的6 组距离数据分别进行了统计分析，如表8-2 所示。表8-2 第一行中的距离值是用Leica DISTO A3 毫米级精度激光测距仪测量获得的，2～4 行分别给出了所有25 通道的距离数据与实际测量距离偏差的最大值、最小值以及标准偏差最大值，随后详细分析了第一个距离值即11.267m 处的情况。

表8-2　统计的6 组所有25 通道距离偏差数据(周祥，2014)

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在11.267m 处，根据基本测距公式(2-8)，将测得的25 个通道的时间间隔值转化为距离值，然后与真实距离进行比较，得出每个通道每次的距离偏差值ΔL。经统计分析得出，所有25 通道的距离偏差范围为：-6.41cm＜ΔL≤10.58cm，各通道的距离标准偏差值如图8-4 所示，其中ch1，ch2，…，ch25 分别表示通道1 至通道25，距离标准偏差最大值为4.22cm，位于ch18。为了更清晰地获知25 通道单次测量距离偏差值的分布情况，把所有通道的距离偏差值分成4 个区间：(-6.41cm，0)、(0，5cm)、(5cm，10cm)、(10cm，10.58cm)，统计出各通道每个区间偏差值的百分比，各通道区间偏差值的分布情况如图8-5 所示。从图8-5 可以看出，对于所有的25 个通道，在(-6.41cm，0)区间的距离偏差，比例最小值位于ch10，占该通道的0.44%；比例最大值位于ch18，占该通道的21.49%。在(0，5cm)区间的距离偏差，比例最小值位于ch1，占该通道的55.26%；比例最大值位于ch14，占该通道的92.11%。在(5cm，10cm)区间的距离偏差，比例最小值位于ch14，占该通道的5.26%；比例最大值位于ch21，占该通道的25.44%。在(10cm，10.58cm)区间的距离偏差，只有6 个通道出现且最多只占该通道的0.88%。可见全部25通道的距离偏差基本上集中在(-10cm，10cm)范围内。

图8-4　25 个通道的距离标准偏差值(周国清等，2015)

根据上面的结果从三个方面分析该套面阵激光雷达的试验误差(周祥，2014)：

①从偏差范围可以看到，正方向偏差大于负方向，主要原因是：高速光电探测模块从收到取样激光脉冲至产生Start 信号的延时，要小于光纤阵列探测模块从接收到激光回波至产生Stop 信号的延时，进而Stop-Start 的时间差将比实际的激光飞行时差偏大，最终导致了测量值向正方向偏移。这两种探测模块的延时不一致，原因是高速光电探测模块收到的取样激光信号远大于光纤阵列探测模块各APD 单元收到的回波信号，导致前者放大电路得到的模拟信号幅值和上升速度远大于后者，而这两种探测模块是采用前沿固定阈值时刻鉴别的方式。

②可以看到各通道之间，任意一个区间占本通道的距离偏差百分比不一样，即各通道距离偏差存在非一致性。通过分析，主要原因是照射到目标的激光光斑能量分布不均匀，使得各个通道接收到的回波信号强度不同，导致定时的时刻点不一致，引起25 路Stop 信号不能同时输入TDC-GPX 芯片的各Stop 信号引脚，进而有Sotp1-Start，Sotp2-Start，…，Sotp25-Start 之差不一致的情况。

③可以发现各通道的测距精度，相比TDC-GPX 芯片81ps(对应±1.215cm)的分辨率有一定的差距。通过分析原因，主要是激光雷达系统并行光电探测处理电路时引起的误差，由高速示波器可以观察到各Stop 信号有几百皮秒的抖动。

综合测得的所有6 组数据可知，光纤阵列面阵激光雷达的单次测距偏差范围为-8 ～12cm。误差来源，主要是Start 信号与各Stop 信号这一参与测时的“信号”引起的，即时间间隔测量子系统的前端所导致。同时，也可以得出一个结论：时间间隔测量子系统的测量精度应优于测试面阵激光雷达实验室样机得到的距离偏差。