簡介：激光探測和(hé)測距系統(LIDAR)
以下四個(gè)示例設計(jì)演示了如何使用OptiSystem模拟光檢測和(hé)測距系統（LIDAR），具體(tǐ)如下：
□ 激光脈沖飛行(xíng)時(shí)間(jiān)測量
□ 相移測距
□ 調頻連續波（FMCW）直接檢測測距和(hé)調頻連續波相幹測距
圖1.使用直接檢測的FMCW LIDAR OptiSystem模型示例視(shì)圖
1.測距(飛行(xíng)時(shí)間(jiān))
1）原理(lǐ)簡介
使用激光脈沖，飛行(xíng)時(shí)間(jiān)測距法測量發射脈沖從發射裝置行(xíng)進到目标并返回接收器(qì)所花(huā)費的時(shí)間(jiān)。 然後計(jì)算(suàn)距離[1]
c是光速。
接收信号功率是根據擴展目标模型确定的，計(jì)算(suàn)如下[2]
其中 Pt 是傳輸光功率，D 是接收器(qì)孔徑， ρ 目标反射率， atm 是大(dà)氣損耗系數(shù)，opt 是光傳輸系統損耗因子，R 是目标範圍。
為(wèi)了可(kě)靠地确定到達脈沖的出發時(shí)間(jiān)，使用恒比定時(shí)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(gè)高(gāo)斯脈沖(峰值脈沖時(shí)間(jiān)= 1 us) 傳輸過後從虛拟目标反射(由自由空(kōng)間(jiān)信道(dào)模型 (擴展目标)定義) ) 。經過衰減和(hé)延遲後，通(tōng)過Cpp組件恒比定時(shí)測量法檢測和(hé)後處理(lǐ)接收到的信号。
□ 接收到的脈沖是在抽樣時(shí)間(jiān)6.02e-06秒(miǎo)觸發的，進而發現該範圍為(wèi)751.27 m（與全局參數(shù)範圍設置為(wèi)750 m相比較）。 通(tōng)過改變輸入參數(shù)CFTDelay，CFTFraction，CFTNoiseThreshold可(kě)以修改恒比鑒别器(qì)的靈敏度。
圖3.激光測距系統
2.測距(相移)
測量對象/目标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(zhì)并且朝向目标傳送。 然後用PIN光電(diàn)二極管跟随外差接收器(qì)檢測反射信号。 相移來(lái)源于投射光信号 ()，并于原始參考信号做(zuò)對比，以進行(xíng)測量并用于計(jì)算(suàn)距離 [1]:
為(wèi)了提高(gāo)該系統的精度，參考和(hé)接收的調制(zhì)信号可(kě)以與本地振蕩器(qì)RLO混合，以将接收的波形變頻到較低(dī)的頻率（RLO-Rf）。 然後對這些(xiē)信号進行(xíng)帶通(tōng)濾波（以減少(shǎo)噪聲）并由相位計(jì)（使用我們的可(kě)編程Cpp組件）進行(xíng)處理(lǐ)。
圖4.測距儀（相移）布局
3.測距(FMCW)
最後提出的方法是調頻連續波（FMCW）LIDAR。 已經開(kāi)發了兩種模型：直接檢測的FMCW LIDAR和(hé)相幹檢測的FMCW LIDAR。 兩種模式的工作(zuò)原理(lǐ)相同。 頻率調制(zhì)的光發送器(qì)發送信号到目标，并且通(tōng)過光電(diàn)檢測器(qì)檢測反射信号并與原始線性調頻（LFM）信号混合。 随着接收信号的時(shí)延，産生(shēng)中頻信号。 使用頻率計(jì)數(shù)器(qì)（用我們的Cpp組件實現），測量檢測到的Rf信号，然後用于如下計(jì)算(suàn)[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RF LFM Waveform Generator的組件參數(shù)內(nèi)設置）。
兩個(gè)檢測系統之間(jiān)的唯一區(qū)别是使用平方律檢波，而另一個(gè)使用相幹零差檢測器(qì)在混合前恢複輸入光信号（後者因此提供更高(gāo)的靈敏度，因為(wèi)檢測過程是散粒噪聲限制(zhì)）
圖5.FMCW相幹檢測布局
[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 Myllylä, 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)
static/file/Update_VirtualLab_Fusion_2020_2_1_116 (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)
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