引言

在自動駕駛、機(jī)器人導(dǎo)航、智能安防等眾多領(lǐng)域，激光雷達(dá)作為一種高精度的環(huán)境感知傳感器，正發(fā)揮著不可或缺的作用。其中，調(diào)頻連續(xù)波（Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW）激光雷達(dá)憑借其高分辨率、長距離探測以及能夠直接獲取目標(biāo)速度信息等優(yōu)勢，成為了研究的熱點(diǎn)。FMCW激光雷達(dá)信號鏈設(shè)計(jì)涵蓋了從信號發(fā)射、接收、處理到點(diǎn)云生成的多個(gè)環(huán)節(jié)，而相干檢測與點(diǎn)云去噪算法則是其中兩個(gè)關(guān)鍵部分，它們直接影響著激光雷達(dá)的性能和精度。

FMCW激光雷達(dá)基本原理與信號鏈架構(gòu)

FMCW激光雷達(dá)通過發(fā)射線性調(diào)頻的激光信號，當(dāng)激光信號遇到目標(biāo)物體后反射回來，與本振光進(jìn)行相干混合。由于目標(biāo)物體與激光雷達(dá)之間存在距離，反射光與本振光之間會產(chǎn)生一個(gè)與距離相關(guān)的頻率差（拍頻信號）。通過對這個(gè)拍頻信號進(jìn)行分析處理，就可以獲取目標(biāo)物體的距離、速度等信息。其信號鏈主要包括激光發(fā)射模塊、光學(xué)接收模塊、相干檢測模塊、信號處理模塊以及點(diǎn)云生成與后處理模塊。

相干檢測：信號鏈的核心環(huán)節(jié)

相干檢測原理

相干檢測是FMCW激光雷達(dá)信號鏈中的關(guān)鍵步驟。它將接收到的反射光信號與本振光信號在光電探測器上進(jìn)行混頻，產(chǎn)生拍頻信號。這個(gè)拍頻信號包含了目標(biāo)物體的距離和速度信息。相干檢測具有高靈敏度、高信噪比等優(yōu)點(diǎn)，能夠在低光功率條件下有效地檢測到微弱的反射信號。

關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)與解決方案

本振光穩(wěn)定性：本振光的頻率穩(wěn)定性直接影響拍頻信號的質(zhì)量。微小的頻率漂移都會導(dǎo)致距離測量的誤差。為了提高本振光的穩(wěn)定性，可以采用高精度的頻率參考源，如原子鐘或光學(xué)頻率梳，對本振激光器進(jìn)行鎖定。

光學(xué)混頻效率：光學(xué)混頻效率決定了有多少反射光信號能夠與本振光信號有效混頻。為了提高混頻效率，需要優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，確保反射光和本振光在光電探測器上的空間和時(shí)間重疊達(dá)到最佳狀態(tài)。同時(shí)，選擇合適的光電探測器材料和結(jié)構(gòu)，提高其響應(yīng)度和帶寬。

信號處理：從拍頻信號到距離 - 速度信息

拍頻信號分析

通過對拍頻信號進(jìn)行傅里葉變換，可以將時(shí)域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號，從而得到拍頻的頻率值。根據(jù)FMCW激光雷達(dá)的原理，拍頻頻率與目標(biāo)物體的距離成正比，通過已知的調(diào)頻斜率，就可以計(jì)算出目標(biāo)物體的距離。同時(shí)，由于多普勒效應(yīng)，運(yùn)動目標(biāo)會導(dǎo)致拍頻信號的頻率發(fā)生偏移，通過分析這個(gè)偏移量，可以獲取目標(biāo)物體的速度信息。

信號濾波與增強(qiáng)

在實(shí)際應(yīng)用中，拍頻信號會受到各種噪聲的干擾，如熱噪聲、散粒噪聲、背景光噪聲等。為了提高信號的質(zhì)量，需要對拍頻信號進(jìn)行濾波和增強(qiáng)處理?？梢圆捎脭?shù)字濾波器，如低通濾波器、帶通濾波器等，去除高頻噪聲和低頻干擾。此外，還可以采用自適應(yīng)濾波算法，根據(jù)信號的特征自動調(diào)整濾波參數(shù)，進(jìn)一步提高信號的信噪比。

點(diǎn)云去噪算法：提升點(diǎn)云質(zhì)量的關(guān)鍵

點(diǎn)云噪聲來源

在FMCW激光雷達(dá)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，存在著多種噪聲源。一方面，環(huán)境中的雜散光、大氣湍流等會導(dǎo)致虛假點(diǎn)的產(chǎn)生；另一方面，激光雷達(dá)自身的測量誤差、多徑效應(yīng)等也會引入噪聲。這些噪聲點(diǎn)會嚴(yán)重影響點(diǎn)云的質(zhì)量和后續(xù)的目標(biāo)識別、定位等應(yīng)用。

常用去噪算法

統(tǒng)計(jì)濾波算法：統(tǒng)計(jì)濾波算法基于點(diǎn)云中每個(gè)點(diǎn)的鄰域統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行去噪。它計(jì)算每個(gè)點(diǎn)與其鄰域內(nèi)點(diǎn)的距離分布，如果某個(gè)點(diǎn)與其鄰域內(nèi)點(diǎn)的平均距離超過了設(shè)定的閾值，則認(rèn)為該點(diǎn)為噪聲點(diǎn)并予以剔除。

基于密度的聚類去噪算法：該算法將點(diǎn)云中的點(diǎn)按照密度進(jìn)行聚類，將密度較低的區(qū)域視為噪聲區(qū)域，并將其中的點(diǎn)去除。通過合理設(shè)置聚類參數(shù)，可以有效地去除離散的噪聲點(diǎn)，同時(shí)保留目標(biāo)物體的主要結(jié)構(gòu)。

結(jié)論

FMCW激光雷達(dá)信號鏈設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，相干檢測和點(diǎn)云去噪算法作為其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對于提高激光雷達(dá)的性能和精度至關(guān)重要。通過不斷優(yōu)化相干檢測技術(shù)，提高信號處理能力，以及采用先進(jìn)的點(diǎn)云去噪算法，可以有效地降低噪聲干擾，獲取高質(zhì)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為自動駕駛、機(jī)器人導(dǎo)航等領(lǐng)域的應(yīng)用提供更加可靠的環(huán)境感知信息。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，FMCW激光雷達(dá)將在更多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。