使用时间超过阈值的范围步行校正

使用时间超过阈值的范围步行校正

由乔治米威廉姆斯，JR.，Allegro Microsy雷竞技竞猜下载stems

下载版本

介绍

飞行时间激光雷达系统根据脉冲返回的上升沿通过检测阈值测量到达脉冲返回时间。这些系统受系统的范围误差，称为步行范围内，由脉冲返回幅度的变化引起的：对于两种否则相同的脉冲返回的不同幅度，其均足够强以超过固定检测阈值，较弱的脉冲返回的上升沿将在更近的中心横跨阈值越过阈值脉冲比脉冲返回更强的脉冲返回的上升沿。

由于范围步行是一个系统错误，因为范围步行是脉冲返回幅度的单调函数，因此可以基于脉冲返回幅度测量来校正它。

然而，在大多数激光雷达应用中，脉冲振幅返回的动雷竞技最新网址态范围超过了光接收器的电子设备的动态范围，导致信号饱和。

简单的替代方案是使用超前阈值测量。超过阈值的时间 - 通过检测阈值的脉冲返回的上升沿和下降沿之间的经过时间 - 单调与脉冲幅度有关，但更简单地测量。

本文示出了基于超前阈值测量的查找表或多项式校正可用于将雪崩光电二极管的激光雷达系统的范围步行减少到脉冲返回动态​​的范围内的±0.2米。大于90 dB的范围。

背景

飞行时间激光雷达系统根据激光雷达发射的纳秒级激光脉冲的往返旅行时间测量到目标的距离(图1)。

图1：时间飞行激光雷达的基础知识：激光雷达时钟的飞行时间，这是当它检测到所反射的目标返回的输出激光脉冲和接收的传输之间的时间间隔。的飞行时间，然后使用光的速度转换为范围。

基于雪崩光电二极管(APD)的激光雷达光接收机电路如图2所示。在这种类型的接收机中，APD将光信号转换为光电流脉冲，低噪声跨阻放大器(TIA)将电流脉冲转换为电压脉冲。阈值比较器将模拟电压脉冲转换为数字信号，通过时间-数字转换器(TDC)对其进行计时。

图2:基于apd的激光雷达光接收机框图。(+HV是APD高压反向偏置，V_出模拟电压信号是TIA、V输出的吗_TH.为检测阈值;V_出与V相比_TH..）

在理想的情况下，飞行（τ）的物理时间是发射激光脉冲的中心之间（T的时间间隔_0.)和目标反射中心(T_停止)：

等式1：

τ= T_停止- T._0.[S]。

目标距离(R，单位为米)从τ与光在空气中的速度(相当于光速在真空中的速度(c，单位为米/秒))计算到万分之一左右:

等式2：

飞行时间的错误

与理想情况相反，测距测量受到系统误差和随机误差的影响，系统误差可以通过校准进行修正，而随机误差则不能。系统误差导致距离精度损失，随机误差导致距离精度损失。^[1]

随机的（不可纠正）错误

与τ中的系统错误相反_抵消， APD和TIA中的随机过程都导致τ值_抵消，从在恒定范围内的目标测量，波动在同样制备的测量值的集合，即使在平均脉冲振幅和检测阈值是恒定的。由于波动的大小是随机的每次测量，它不能被校准除去。

随机定时误差来自来自APD的高频幅度噪声和叠加在上升信号脉冲上的TIA进入LIDAR比较器，如图3所示，左侧：对于任何给定的测量，向上的噪声信号向上波动进入比较器推进信号交叉检测阈值的时间，并且向下波动延迟检测脉冲的时间。在相同准备的测量的集合中，通过在阈值交叉的平均时间（σ的平均时间（σ）通过信号幅度的标准偏差量化高频幅度噪声的大小（Σ_N)．上升信号在阈值穿越时间(dV/dt)处的平均斜率将高频振幅噪声转化为定时抖动(σ_T.)，这是脉冲探测时间相对于测量集合的标准偏差。

校准不能拆除抖动，因为噪声波动的幅度对于每个测量是随机的。

图3：抖动（σ_T.），向左图，是一个随机错误，所以它不可纠错。抖动来自高频幅度噪声（σ_N）叠加在信号脉冲。在阈值渡变换上升平均信号脉冲（的dV / dt）的斜率σ_N在σ_T.。与抖动不同，单个脉冲的范围步行时序偏移（Δτ;右侧）是由信号脉冲幅度的阈值交叉时间的变化导致的系统误差，因此它是可校正的。

显然，测量的高精度和精密度都是需要的。在实践中，激光雷达系统被设计成最小化导致不精确的随机误差，然后进行校准以消除导致不精确的系统误差。然后介绍了消除系统距离行走误差的方法。

系统（可校正）错误

基于等式2容易理解一种系统误差，这假设LIDAR系统和目标之间的光路中的光速度与真空中的光速度完全相同。如果公开路径中的平均组折射率（n）取决于诸如大气压，温度和湿度的环境因素 - 是众所周知的

公式3：

距离移动是另一种依赖于脉冲返回振幅的系统误差。对于给定的激光雷达系统和目标，脉冲回波振幅随exp(-2σR) R的变化而变化^-2对于比投影激光光斑大的区域目标，根据exp(-2σR) R^-4对于小于投影激光斑点的区域目标，其中σ是M-1中的大气衰减系数。因此，这种类型的范围误差本身是范围的函数。^[2]

由于范围步道引起的范围精度的误差是由图4中的脉冲时序产生的。然而τ是传输（开始）的中心之间的时间间隔，并反射（停止）脉冲（t_0.和T_停止)，对于如图2所示的光接收电路，脉冲是基于前缘过渡到检测阈值的时间(时间为T_0,和T_停下来)．抵消ΔT_0.和Δt._停止在各个脉冲的中心之间以及当接收器电路检测脉冲时，组合以导致偏移飞行时间测量（τ_抵消)．定时偏移以系统的方式取决于脉冲幅度和检测阈值，因此产生的范围误差也是系统的，因此可纠错。

图4：使用前沿探测器的激光雷达系统测量飞行偏移时间（τ_抵消):物理飞行时间(τ)会被依赖于发射和反射脉冲振幅的时间间隔所抵消。这些时间间隔，ΔT_0.和Δt._停止，也取决于用于计时的检测阈值。

飞行的物理时间（τ）与测量的飞行时间（τoffset）有关：

等式4：

τ=τ_抵消+Δτ[s],

总系统误差Δτ是：

等式5：

Δτ=ΔT_停止- Δt._0.[S]。

与起始(T_0.)或停止(T_停止)脉冲如图3所示，在图3中，两个形状相同但振幅不同的脉冲被叠加在一起，峰值同时出现。与定时抖动一样，信号电平向上移动会导致脉冲前缘提前越过检测阈值。然而，与抖动不同的是，上移是激光脉冲振幅的结果，而不是随机波动，因此时间偏移是系统的。同样，对于振幅恒定的返回信号，从低电平到高电平改变阈值会导致系统的距离行走误差，当阈值接近脉冲振幅时，距离行走误差会减小。

纠正系统的范围步道错误

在实际的激光雷达应用中，信号幅度相对于雷竞技最新网址探测阈值水平的变化，作为目标距离、目标尺寸和目标反射率的函数，将导致系统距离误差。

对于使用前沿脉冲检测激光雷达系统，负责范围的步行的时序偏移成比例的脉冲幅度和是确定性的，这意味着它们可以通过校准来除去，如果脉冲幅度可被测量，并且如果脉冲幅度之间的定量关系和所述定时偏移是已知的。

从目标中的范围的激光脉冲回波的信号幅度的模型从返回到21毫米孔径激光雷达系统的输入25米25公里示于图5.从时间的激光脉冲叶发射机，直到时间从最近的目标（0米）和最远处检测目标的脉冲返回（大约25公里） - 信号振幅显著变化。内的全部范围这里给出的示例激光雷达系统的灵敏度，信号幅度由大于90 dB变化。

图5：计算出的信号返回幅度在0米至25km之间的目标范围内变化约90 dB。

理想情况下，孔径参考检测阈值水平与信号幅值的比例应保持固定，以便输出脉冲的幅值与阈值水平的比例在开始时间(T_0.）作为脉冲振幅以停止时间的阈值电平的（T在比_停止)．

距离走动关于各种振幅单返回激光脉冲（或者Ť_0.或T_停止）在图6中示出了顶部，其中7 ns全宽在0.1和1个任意单位（Au）之间的峰值幅度的半最大（fwhm）高斯脉冲中覆盖。为了简单起见，这里假设APD和TIA具有无限带宽，并且能够再现理想的高斯激光脉冲。如图所示，对于固定在0.1 AU的检测阈值，可能会导致最多7N的范围步道错误。

图6：如果使用固定检测阈值（顶部），则信号幅度的10dB变化可能导致7 ns fwhm高斯脉冲的7 ns定时偏移。原则上，时间可变阈值可以在此方案（底部）中校正高达20 n个偏移量。

更广泛的信号幅度的示例如图6所示，底部。在该示例中，假设TIA具有集成信号脉冲的能力。在该示例中，该示例具有更接近图5中建模的信号动态范围，范围步道误差可以高达20ns，用于以低阈值水平操作的光射电视检测到的大信号返回。根据等式3，20 ns定时误差会导致3米的范围准确误差。对于固定阈值检测系统，这种误差是不可避免的，因为阈值检测器用于感测输出激光脉冲和来自最远处的可检测目标的返回。

有几种方法可以在激光雷达系统，以降低系统范围的错误。这些包括操作方法，如随时间变化的阈值，和校准方法，如时间超过阈值;这些方法可以单独使用或一起使用，以提高测距精度。

随时间变化的阈值

因为信号返回幅值以一种系统的方式随范围变化，它与exp(-2σR) R之间的范围成正比^-4和exp(2σR) R^-2，范围步道错误本身就是范围的函数。因此，原则上可以用时间来改变检测阈值，以便跟踪信号返回幅度的一般趋势，从而减少了范围步道误差。

在配置为具有时间变量阈值的操作的LIDAR系统中，检测阈值（V_TH.)在量程测量过程中从初始的高值(V_{th_T0})的最低值，导致可接受的假报警率(V_{th_stop})．v的变化_TH.来自V._{th_T0}到V_{th_stop}在输出激光脉冲发射时开始，并控制Vth的变化率，理想情况下，V_TH.保持与信号返回幅度的恒定比例，直到v_{th_stop}是达到了。在图6所示的情况下，底部，如果V_TH.在全范围的信号返回范围内完全跟踪信号返回幅度，范围步道误差的20ns可以减少到近0 ns。

然而，很难以考虑信号返回振幅，其与像大小和方向，并与当地大气状况的目标的属性而变化的范围依赖;这防止单个时间相关的阈值函数被普遍适用的。随时间变化的阈值的若干限制在下面讨论。

1. 将回波幅度与目标距离匹配:设计一种能使信号返回幅度衰减与目标距离平稳匹配的阈值调整电路是一项具有挑战性的工作。通常，使用的是电容通过电阻放电的指数衰减，它有一个时间常数(τ_rc.)等于电阻(欧姆)和电容(法拉)的乘积:

等式6：

可以选择电阻和电容来调节τ_rc.，但公式6偏离目标的指数衰减，一般在exp(-2σR) R之间^-2和exp(2σR) R^－4，所以残余范围速度误差是依赖的范围。

2。考虑目标尺寸和形状:因为激光束偏离，目标可以大于近距离的激光点，但小于长距离的点，使得来自不同尺寸开关的区域目标的信号返回幅度来自r^-2依赖到R^-4依赖于不同的范围。如果目标是一个导线，或其他一维目标，信号回幅度大约ř变化^-3依赖。

此外，由于阈值在来自近目标的反射到达时更高，如果阈值衰减不正确，探测目标的概率可能会在中程降低

3.占目标反射率：除了大小和方向，目标的反射率也不同。对于同一距离的不同目标，目标反射率的变化导致回波振幅的变化。如果不加以纠正，这将导致距离行走误差。

4.考虑大气属性:由于灰尘或雾霾等物质的散射，衰减系数也随着大气条件的变化而变化很大。结果是信号的指数衰减作为大气衰减系数的函数。

5。有限的电子动态范围:采用时变阈值可以减小系统误差的信号幅度范围受到阈值比较器动态范围的限制，一般小于20 dB。

根本的是，依赖于时间的阈值的方法假设基于实际信号返回振幅测量信号返回振幅和目标范围内，但范围行走校正之间的相关性更普遍适用的。

时间超过阈值

可以使用前沿脉冲检测来克服时间可变阈值的挑战以确定信号越过检测阈值的时间（超过阈值，Tot）。

直接在多个数量级的测量脉冲幅度是具有挑战性的。通常情况下，一个有效的激光雷达受光器需要具有高跨增益TIA，所以，这将是从遥远的目标微弱信号敏感。然而，当TIA增益较高，更强的信号驱动TIA饱和。这示出在该组在图7中绘制了其中来自APD跨度从300 nA至1的输入光电流脉冲，如在顶部示出的光接收器电路的模拟。该TIA输出电压（V_出）在信号的大部分动态范围内达到1 V，如图7所示，中心。比较器的过渡的时机导致范围步道，易于显而易见，如图7所示，底部。因为TIA的模拟输出电平饱和并且不能用于测量大部分信号动态范围内的脉冲幅度，所以需要使用LIDAR电路测量幅度的替代方法。

图7：从APD（顶部），TIA（中心）的输出和从阈值鉴别器（底部）的输出的电路模拟，信号变化超过90dB的信号。

由TIA饱和度引起的脉冲幅度测量的挑战可以超越，因为即使当TIA输出饱和在该TIA设计中，输出脉冲的宽度也随着单调关系中的信号幅度而增加，如图7所示，中心。因此，LIDAR接收器的比较器可用于推断基于TIA输出的上升和下降边缘的定时测量来推断脉冲幅度。超过阈值的产生时间可以用作范围步道校正中的脉冲幅度的替代。从图7中的模拟中测量的TOT数字脉冲宽度和范围步行（均在NS）的计算被绘制为图8中的脉冲幅度的功能。

图8:距离行走误差(主y轴)和时间超过阈值(副y轴)的模拟:绘制的数据是测量图6中模拟的各种脉冲振幅。

虽然查找表可用于任何接收器的范围步伐校正，但分段线性或多项式功能拟合在确定偏移校正方面是有效的。第六阶多项式适合图8中的范围步道偏移误差如图9所示;还绘制了从脉冲幅度数据中减去多项式校正后的残余误差。残差误差的标准偏差小于8毫米。

图9：血管频率定时误差的仿真：由简单的分段线性校正引起的剩余范围定时误差（辅助y轴）作为信号幅度的函数，与测量的原始时间步行相比绘制着。误差上的标准偏差对应于大约3厘米的范围误差

前面的示例是使用模拟数据生成的。在实际应用中，激光脉冲的形雷竞技最新网址状不是高斯型。例如，被动调q激光器通常在主激光脉冲发射之前发射几十纳秒的激光。这指出了基于特定应用需求的任何给定激光雷达系统设计的TOT特性的经验校准的重要性。

现场数据采集在三个相同配置的飞行时间传感器上，配置一个Allegro 23 MHz APD光接收机和一个Allegro 300µJ无源调q二极管泵浦固体激光器如图10所示。这些数据是用不同反射率的目标在不同的距离上采集的。给出了一个五阶多项式拟合数据。对数据进行多项式校正后的残差范围误差如图11所示。在使用相同的多项式函数对三个测距系统的数据进行校正后，测距数据在所有测距距离上的标准差都小于0.2米。我们的分析表明，大部分残余距离误差是由于距离测量的精度和无源调q激光器的抖动。

图10：范围测量中的错误（在PICOSECONDS中）作为从多个范围拍摄的范围测量数据中提取的TOT脉冲宽度的函数。

图11:多项式校正后的残差(分米)作为测量的TOT脉宽的函数。

结论

LIDAR系统中使用的前沿脉冲检测器均受随机和系统误差，其分别导致范围精度和精度损失。虽然范围精度通常只能通过增加返回脉冲幅度或通过平均多个脉冲来提高，但是在范围测量范围内可以减小称为范围步行的系统幅度依赖性误差。已经提出了两种校正系统范围步道错误的技术。

时间可变阈值被示出为降低返回脉冲信号幅度与作为范围函数的阈值水平之间的比率的变化，从而减少返回脉冲幅度变化的激光雷达易感性。然而，该技术在动态范围内有限，易于目标尺寸，形状和反射率变化，以及大气效应。

相反，与固定阈值或与时变阈值同时使用的时间过阈值校准允许减少系统的范围步道错误。

模拟的数据从光接收机已被用来证明系统误差是TOT的单调函数，并展示背后TOT校准校长Allegro的APD呈现在这里。数据获得由场测量呈现此处已证明的能力超过35纳秒（大于10米）正确的范围内，依赖于幅度的步行误差0.2米真值的范围内。

^[1]精度这个词用来描述随机误差，如定时抖动。在这里，我们用精度来指代系统误差，比如距离行走，这是这个术语最常见的用法。在这里的用法中，precision和accuracy是独立的，因此任何高或低精度或精度的组合都是可能的。国际标准化组织(International Organization for Standardization)确定的“准确度”一词的另一种用法包括相对于真实值的随机误差和系统误差。

^[2]非二维目标可以有其他信号的关系。例如，导线可以具有EXP（-2σR）R^-3信号变化是距离的函数。