Matlab激光雷达测距过程的建模与仿真+文献综述(4)
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3.2 激光雷达测距过程
激光雷达测距系统主要由激光发射系统、回波接收系统、信号检测系统和信号处理系统组成。发射系统发出一束激光脉冲后，一般在大气中进行传播，受到大气湍流等各种因素影响，到达目标物体，然后目标物体进行漫反射，回波信号同样会受到大气的影响后到达接收系统。接收系统接收到信号后，会把光信号转换成电信号，在这个过程中会受到各种暗电流的影响，从而也会产生一系列的噪声。信号处理系统对接收的信号进行处理，显示系统显示此次测量的结果。在物理模型的基础上，要建立数值模型，首先产生脉冲信号，产生噪声，然后将模拟的信号与噪声叠加，通过滤波器滤波，运用阈值比较法算出测量距离。
图4 激光雷达测距过程框图
激光雷达测距工作原理脉是冲激光测距雷达对目标发射一个很窄的光脉冲（脉冲宽度小于50ns），测量自发射光脉冲起始到信号返回接收机的时间，由此计算出目标距离。激光雷达测距过程如4所示：激光雷达的发射部分产生高斯信号，计时电路开始计时，传播过程中加入噪声，接收部分接收回波信号，信息处理部分进行低通滤波、阈值比较，并且计算出距离。
3.3激光雷达测距过程仿真模型
3.2.1仿真过程
根据图4所示的测距过程框图，可以将模拟的过程分为以下几个步骤：
(1) 激光脉冲的数值产生
发射系统控制天线发射信号，激光发出后经过一段极短时间的传输，达到目标物体，发生漫反射，接收机接收反射回来的激光脉冲。因为激光雷达一般采用前沿时刻鉴别，所以脉冲的的上升沿非常重要。因此，激光脉冲的分布十分重要。在模拟中，经常采用钟形分布、洛伦兹分布、高斯分布来对信号进行模拟。钟形分布和高斯分布的上升沿与下降沿完全对称，经常应用在微弱信号的探测中。与之相反的是洛伦兹分布，它的上升沿陡峭，下降沿比较缓，并不是完全对称的[4]。虽然洛伦兹分布在现实中更能反映激光脉冲信号随时间的变化规律，但是在模拟中采用洛伦兹分布容易发生错误，所以我们采用高斯分布来模拟发射的激光信号，其函数如下：
其中τ是脉冲波形的宽度。
图5 激光高斯脉冲信号
(2) 噪声信号的数值产生
激光雷达测距过程中，噪声的来源有很多。主要有接收机噪声和背景噪声。接收机噪声又主要包括探测器噪声和放大器噪声。背景噪声，它主要是太阳、大地以及其他辐射源的辐射进入接收视场造成的背景“模糊”而引起的噪声。光电探测器固有噪声有：散粒噪声、热噪声产生的复合噪声以及电流噪声等[16]。
图6 噪声框架模型[16]
由于放大器噪声，背景噪声、探测器电流噪声的分布特性大致服从高斯分布。由中心极限定理，由于多个相同高斯分布随机数的和近似满足高斯分布[4]，因此利用Matlab产生一个独立的高斯随机数序列，随机数序列可以模拟高斯白噪声。
图7 模拟产生的噪声
(3) 大气的衰减效应与信号抖动效应
大气对激光有衰减作用，主要由散射和吸收引起。吸收主要是由大气中气体分子和悬浮颗粒引起。吸收能量的衰减与波长有密切的关系，对于可见光波段，大气分子的吸收可以忽略。散射也可分为大气分子散射和悬浮颗粒散射。
大气会造成信号抖动，在仿真中，我们用信号幅值在一定范围内抖动来对它进行模拟，随机抖动服从均匀分布。