OptiSystem模擬光檢測和測距系統(tǒng)的使用演示

以下四個示例設(shè)計演示了如何使用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(飛行時間)

1）原理簡介

使用激光脈沖，飛行時間測距法測量發(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)的時間。然后計算距離

c是光速。

接收信號功率是根據(jù)擴(kuò)展目標(biāo)模型確定的，計算如下

其中 Pt 是傳輸光功率，D 是接收器孔徑， ρ 目標(biāo)反射率， ?atm 是大氣損耗系數(shù)，?opt 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)時間，使用恒比定時測量[3]方法（用Cpp組件實現(xiàn)）。

圖2.測距儀（TofF）布局

2）應(yīng)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(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(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。相移來源于投射光信號，并于原始參考信號做對比，以進(jìn)行測量并用于計算距離:

為了提高該系統(tǒng)的精度，參考和接收的調(diào)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(jìn)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(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)送信號到目標(biāo)，并且通過光電檢測器檢測反射信號并與原始線性調(diào)頻（LFM）信號混合。隨著接收信號的時延，產(chǎn)生中頻信號。使用頻率計數(shù)器（用我們的Cpp組件實現(xiàn)），測量檢測到的Rf信號，然后用于如下計算:

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，而另一個使用相干零差檢測器在混合前恢復(fù)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

審核編輯：郭婷