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车载激光雷达测距测速原理

陈雷1，岳迎春2，郑义3，陈丽丽3
1黑龙江大学物理科学与技术学院，哈尔滨(150080)
2湖南农业大学国家油料作物改良中心，长沙(410128)
3黑龙江大学后勤服务集团，哈尔滨（150080）
E-mail：[e-mail]
摘要：本文在分析了激光雷达测距、测速原理的基础上，推导了连续激光脉冲数字测距、
多普勒频移测速的方法，给出车载激光雷达基本原理图，为车载激光雷达系统测距测速提供
了基本方法。
关键词：激光雷达，测距，测速

1．引言

“激光雷达”(LightDetectionandRange,Lidar)是一种利用电磁波探测目标的位置的电子
设备。其功能包含搜索和发现目标；测量其距离、速度、位置等运动参数；测量目标反射率，
散射截面和形状等特征参数。激光雷达同传统的雷达一样，都由发射、接收和后置信号处理
三部分和使此三部分协调工作的机构组成。但传统的雷达是以微波和毫米波段的电磁波作为
载波的雷达。激光雷达以激光作为载波，激光是光波波段电磁辐射，波长比微波和毫米波短
得多。具有以下优点[1]：
(1)全天候工作，不受白天和黑夜的光照条件的限制。
(2)激光束发散角小，能量集中，有更好的分辨率和灵敏度。
(3)可以获得幅度、频率和相位等信息，且多普勒频移大，可以探测从低速到高速的目
标。
(4)抗干扰能力强，隐蔽性好；激光不受无线电波干扰，能穿透等离子鞘，低仰角工作
时，对地面的多路径效应不敏感。
(5)激光雷达的波长短，可以在分子量级上对目标探测且探测系统的结构尺寸可做的很
小。当然激光雷达也有如下缺点：
(1)激光受大气及气象影响大。
(2)激光束窄，难以搜索和捕获目标。
激光雷达以自己独特的优点，已经被广泛的应用于大气、海洋、陆地和其它目标的遥感探测
中[14,15]。汽车激光雷达防撞系统就是基于激光雷达的优点，同时利用先进的数字技术克服
其缺点而设计的。下面将简单介绍激光雷达测距、测速的原理，并在此基础上研究讨论汽车
激光防撞雷达测距、测速的方法。

2.目标距离的测量原理
汽车激光雷达防撞系统中发射机发射的是一串重复周期一定的激光窄脉冲，是典型的非
相干测距雷达，对它的要求是测距精度高，测距精度与测程的远近无关；系统体积小、重量
轻，测量迅速，可以数字显示；操作简单，培训容易，有通讯接口，可以连成测量网络，或
与其他设备连机进行数字信息处理和传输。

2.1测距原理
激光雷达工作时，发射机向空间发射一串重复周期一定的高频窄脉冲。如果在电磁波传播的

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途径上有目标存在，那么激光雷达就可以接收到由目标反射回来的回波。由于回波信号往返
于雷达与目标之间，它将滞后于发射脉冲一个时间，如图1所示。

图1激光雷达测距原理
Fig.1Laserrange

我们知道电磁波的能量是以光速传播的，设目标的距离为R，则传播的距离等于光速乘上时

间间隔，即

2R=ctr(2-1)

或R=ctr/2(2-2)
式中，R为目标到激光雷达的单程距离，单位为m;t:为电磁波往返于目标与雷达之间的时
间间隔，单位为s;c为在空气中传播的速度，约为：c=3.0×108m/s。
由于电磁波传播的速度很快，激光雷达技术常用的时间单位为µs，回波脉冲滞后于发

射脉冲为一个微秒时，所对应的目标距离R为R=ctr/2=150m。能测量目标距离是激光
雷达的一个突出优点，测量的精度和分辨率与发射信号带宽(或处理后的脉冲宽度)有关。脉
冲越窄，性能越好。

2.2测距方法的选择

从以上分析可知目标距离的测量就是要精确的测定目标回波相对于发射信号脉冲的迟

延时间tr，根据式(2-2)计算出目标与雷达间的距离。根据获得tr的方法不同，可分为模拟
测距和数字测距。由于近几年来数字器件及技术有了飞跃发展，比起模拟式测距来讲，数字
式测距具有下述优点:跟踪精度高，且精度与跟踪距离无关;响应速度快，适合于跟踪快速目
标;工作可靠和系统便于集成化;输出数据为二进制码，可以方便地和数据处理系统接口。因
此数字式测距被广泛应用于现代雷达中。数字式测距只要记录回波脉冲到达时的计数脉冲的
数目n，根据计数脉冲的重复周期T，就可以计算出回波脉冲相对于发射脉冲的延迟时间

tr=nT（2-3）
T为已知值，测量t实际上变成测量回波脉冲到达时的计数脉冲的数目n。为了减少误差，
通常计数脉冲产生器和雷达定时器触发脉冲在时间上是同步的。目标距离R与计数脉冲数h
之间的关系为：

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2R
n=tf=f
rc
（2-4）
cn
R=
2f

式中，f为计