基于直线型Sagnac 干涉仪结构的脉冲激光雷达*

袁羽齐，陈雯柏

（1.北京邮电大学国际学院，北京 100876；2.北京信息科技大学自动化学院，北京 100101）

0 引言

脉冲激光雷达原理简单、实现方便、技术成熟度高，在导弹制导、船舶导航、三维成像、战场侦察、气象观测、现代制造、三维形态测量、自动驾驶等军事和民用领域有着广泛的应用［1-6］。但在日光环境下，激光雷达难以达到夜间的运行效果。太阳光会产生干扰，在接收信号中形成难以消除的噪声［7-8］。评估太阳背景噪声是激光雷达设计的重要步骤，Agishev 等提出了结合APD/PMT 型激光雷达探测器硬件参数，预测其接收的太阳背景噪声的公式［9］。Gluckman 等在设计激光雷达算法时指出，将太阳背景辐射与有用信号分离是设计信号处理算法时的关键步骤［10］。然而在大多数情况下，激光雷达白天探测时通过滤波器和信号处理算法进行抑制，并不能彻底移除太阳背景噪声［11］。此外，在附近有多个脉冲激光雷达同时工作时，脉冲激光雷达可能会由于从其他激光雷达系统接收到的脉冲干扰而完全无法工作［11-13］。为了解决这些问题，一些脉冲激光雷达方案开始通过将发射信号分成多个脉冲来引入编码技术。但是，测距性能与系统的峰值功率成正比，将可用能量分成多个脉冲会导致测距性能的下降。另外，这种技术受电学方法产生的码率和码长的限制，需要价格昂贵的随机码发生器和高速外部调制器，成本高且维护、调试困难［14］。基于相干技术调频连续波（FMCW）雷达可以很好地抵抗抗背景光的干扰，但其机制复杂、计算能力需求大，成像速度也较慢，且探测精度高度依赖于“啁啾”的线性度，还没能看到市场化的前景［15］。光学混沌激光雷达理论上具有很强的抗干扰能力［16］，但是由于混沌光信号生成需要复杂的光学系统，严重地制约了混沌激光雷达的普及和商业化。由于激光波束很窄，空间干扰概率较低，到目前为止，激光雷达的干扰问题尚未引起足够的重视，但是，随着人工智能技术的深入发展，智能车辆的驾驶环境从结构化道路拓展向非结构化道路，需要处理的问题越来越复杂，激光雷达的干扰问题将成为重要的研究方向［17-18］，为解决脉冲激光雷达环境光干扰的问题，本文提出一种直线型光纤Sagnac 干涉仪结构的脉冲，激光雷达方案。利用此方法探测待测目标的激光脉冲，往返两次通过延迟干涉仪形成直线型Sagnac 干涉，其干涉脉冲由平衡光电探测器检出，利用飞行时间法来进行待测目标距离检测，环境干扰光单次通过延迟干涉仪，因不符合相干条件，经过平衡光电探测器光电转换后被抵消。该方案相较于传统方案虽然增加了干涉仪结构，但考虑到利用光纤来实现延迟反射仪是成熟的技术，成本不高，也不增加过多体积，其系统复杂度只是略有增加，但可有效地抵消太阳光等背景环境光的干扰。

1 脉冲激光雷达的背景光干扰问题

激光雷达系统原理如图1 所示。光发射器由脉冲驱动器和半导体激光装置组成，产生具有峰值功率的短激光脉冲，然后直接发送到待测目标。光接收器对待测物体的反射脉冲信号进行处理，利用脉冲的飞行时间来计算目标距离。

光接收器接收到的光信号要超过一定的阈值才能被正确检测到，衡量激光雷达发射功率与接收功率之间的关系可用式（1）表示。

其中，Pr为接收功率，Ps为发射激光的峰值功率，Tα为发射器到目标的大气透过率，ρ 为目标系统反射系数，D 为接收天线孔径，ηs为发射光学天线系统效率，ηγ为接收光学系统天线效率，R 为发射器到目标的距离。

根据式（1）可以确定激光雷达的接收功率。在接收功率一定的前提下，影响激光雷达性能取决于噪声的大小。激光雷达光电检测的噪声来源主要有：散粒噪声、热噪声、1/f 噪声，产生-复合噪声和背景噪声等。其中，背景噪声主要包括从太阳、地球、星体、大气、云或一些人造光源辐射到光电探测器的光信号。激光雷达的探测光线有一定的偏角，这使得在距离远处激光雷达的光斑增大，被探测物体上的探测光辐射照度减少。当探测光辐照度小于背景噪声在探测物体上的辐照度时，背景噪声会将探测信号淹没。

太阳光是激光雷达背景噪声的一个主要来源，从下页图2 可以看出，在激光雷达常用的1 550 nm、905 nm 与850 nm 中都含有一定的光谱背景噪声，其中850 nm 尤为严重。这也是尽管硅基CMOS 探测器在850 nm 处比在较长波长处的灵敏度高得多，但大多数厂商还是选择环境光干扰更小的905 nm或1 550 nm 的光源的原因。这也从一个侧面说明了对于脉冲激光雷达，目前还没有很好的环境光干扰抑制技术。这个问题对多个激光雷达间的光干扰问题来说更为棘手。

图2 环境中太阳光谱辐照度

2 抵消背景光干扰的激光雷达系统

在介绍本文提出的抵消背景光干扰激光雷达系统前，先分析一下光相干时间和相干长度的概念。相干时间反应同一光源在不同时刻发出的光的干涉性，即凡是在 s 时间内发出的光都是相干的，相干长度l 定义为相干时间乘以介质中的光速。在真空中，对于中心波长为，带宽为的光源，其相干长度l 如式（2）所示：

如果假设波长为1 550 nm，光源的带宽为10 nm，可以简单地计算出此光源的相干长度为0.24 mm。

2.1 基于直线型Sagnac 干涉结构的脉冲激光雷达方案

图3 为本文提出的抵消背景光干扰的脉冲激光雷达方案的系统结构。下面利用光的相干长度概念来分析其抵消背景光干扰的原理。图3 中，从光源发出的脉冲光信（脉冲宽度为）号经过光环形器1 进入马赫曾特延迟干涉仪的一个输入臂，马赫曾特延迟干涉仪的臂长差为T，进一步假定＜T；经过马赫曾特延迟干涉仪后，光脉冲信号变成相距为T 的两个光脉冲，这一对光脉冲信号经过环形器2 后，由光学发送天线准直后形成激光雷达探测信号；此一对激光雷达光探测信号被目标体反射后回到激光雷达的光学接收天线，并由环形器2 再次引入马赫曾特延迟干涉仪；进入延迟干涉仪的一对回波光探测信号耦合进延迟干涉仪的两个臂传输后，由另一段的耦合器耦合出干涉仪，进入平衡光电探测器进行光电转换，并对转换后的电信号作减法输出。

图3 抗背景光干扰的脉冲激光雷达方案

上述探测光在马赫曾特延迟干涉仪中的两次传输过程，如图4 所示。

图4 延迟干涉仪中的探测光信号传输

图4 显示了探测光信号在延迟干涉仪中往返通行后的4 种不同路径，将其命名为a1、a2、b1 和b2。其中光信号a2 和b1 通过等长的光路，它们是相干光，将在平衡探测器中检测出电脉冲。由于＜T经过a1 和b2 传输的光脉冲信号无法相遇，它们将分别最终在进入平衡探测器的两个臂上均等输出，因此，将被抵消掉。这里假定＜T 只是为了分析方便，当＞T 时，只要信号光源的相干长度大于T 时，a1 和b2 传输的光脉冲信号也会被平衡探测器抵消，图3 和图4 中探测信号光的这种干涉方案也被称作直线型sagnac 干涉仪结构［19］，此干涉仪结构方案被广泛应用在光纤周界传感等领域。

由图3 可知，激光器发出的光注入到光纤中，入射光的光场可以表达为：

式中，E0为光波的振幅，ωc为光波的频率，k0为光波在真空中传播的常数，n 为石英单模光纤纤芯的折射率，x 为光波传播过程中通过的光程

图3 中的延迟干涉仪可以进一步由图5 所示的方式表示，图5 中T1表示光纤耦合器Coulper1 的琼斯矩阵（或称传输矩阵），T2表示延迟干涉仪两个传输臂的琼斯矩阵，T3与T1相同于光纤耦合器的传输矩阵。

图5 利用琼斯矩阵分析延迟干涉仪

光纤耦合器1 和光纤耦合器2 的耦合系数为0.5，其琼斯矩阵为：

延迟干涉仪两个传输臂的琼斯矩阵T2可以表示为：

根据图5 以及式（4）和式（5），延迟干涉仪输出端口7 和8 的输出结构可以表示为：

式（6）描述了信号光单次经过延迟干涉仪的情况，图4 所示的完整的光信号分析要再次利用从式（6）所示的方式，这里不再进一步分析。

2.2 抵消背景光干扰的机理分析

下面分析如何利用直线型Sagnac 干涉仪抵消环境干扰。

2.2.1 太阳光等背景干扰的抵消

背景干扰中的太阳光是宽带光源，根据前面关于光源相干长度的讨论，其相干长度要远在毫米（mm）以下。进一步假定探测脉冲的宽度为1 m，延迟干涉仪的臂长差就要大于1 m。这样，图3 所示进入延迟干涉仪的宽光谱的太阳光就远离干涉仪的相干条件，无法在臂长差1 m的马赫曾特干涉仪上实现干涉输出，因此，平衡探测器将抵消进入延迟干涉仪的太阳背景干扰光。

2.2.2 其他传统TOF 激光雷达干扰的抵消

如果干扰信号是其他传统TOF 激光雷达照射在待测目标体上的光脉冲信号，根据前面的讨论，只要延迟干涉仪的臂长差大于干扰光脉冲信号的脉宽，干扰光脉冲将无法在延迟干涉仪上相遇并干涉，因此，将被平衡探测器抵消。目前市场上的TOF激光雷达的脉冲宽度基本为米（m）级别，而图4 方案中延迟干涉仪的臂长差可以方便地定位1 m～10 m、1 m～100 m 级别。这样，传统TOF 激光雷达的脉冲光信号将很容易被抵消。进一步考虑到目前非相干TOF 激光雷达光源的相干长度一般不超过10 m，因此，即使其脉宽大于延迟干涉仪的臂长差，也不会形成干涉条件，因此，将被抵消。

2.2.3 其他与本方案同类型的激光雷达干扰抵消

最后讨论与本方案同类型的激光雷达之间光干扰的抵消方案。根据前面讨论适当选取光源的谱宽，可以很容易地将其相干长度控制在毫米以下，甚至几十微米的量级，这样只要可能构成干扰的两个激光雷达的延迟干涉仪的臂长差的差值大于此相干长度，就能避免两个激光雷达之间的干扰。在1 m～10 m、1 m～100 m 甚至更高的延迟干涉仪臂长差范围内，可以有几十万个不相干的激光雷达方案，这类似于通信领域的空分复用的概念，将大大降低不同激光雷达间干扰的可能。

3 试验研究

本节基于OptiSystem 仿真平台，对直线Sagnac结构脉冲激光雷达，与传统的TOF 激光雷达的抗干扰性能进行仿真研究。

下页图6 为传统的TOF 激光雷达仿真图。主要仿真过程为：比特序列发生器1 产生序列1000000000000000，此序列利用脉冲发生器产生电驱型号驱动直接调制激光器1 产生一个脉冲激光，利用反射镜1 来表示激光雷达待探测物体，利用光衰减器来表示雷达方程中的综合损耗；利用比特序列发生器2 产生序列10101111111111111 来模拟产生背景光干扰信号，其中，连1 部分表示太阳光等缓变的光信号1010 表示其他激光雷达的干扰信号；激光雷达发出的探测脉冲光信号与背景光干扰信号合路后由APD 光电探测器检测，经过滤波后由示波器显示。

图6 传统TOF 方案脉冲激光雷达系统仿真

图7 为本文提出的直线型光纤Sagnac 结构抗背景光干扰脉冲激光雷达的仿真图。该方案在图6基础上，增加了两个延迟马赫增特干涉仪（延时33 ns）来模拟图3 所示的直线型Sagnac 方案结构，增加了两个光信号时域显示仪，来观察两个不同序列产生的光脉冲信号。图6 与图7 设置相同的仿真条件，如表1 所示。

图7 直线Sagnac 结构脉冲激光雷达抗干扰性能仿真

表1 仿真条件

图8 给出了本文提出的直线Sagnac 结构脉冲激光雷达方案，与传统TOF 激光雷达的抗干扰性能比较。图8（a）、图8（b）分别为两个方案中信号探测光的脉冲和背景干扰光信号的可视化结果；图8（c）为基于图6 搭建的传统TOF 激光雷达仿真系统的雷达接收端信号可视化仿真结果，图8（d）为基于本文提出的直线Sagnac 结构脉冲激光雷达方案，搭建的激光雷达仿真系统的雷达接收端信号可视化仿真结果。比较图8（c）和图8（d）可以看出，传统的TOF 激光雷达检测到的是33 ns 处的激光雷达探测信号和背景光干扰信号的混合信号，无法加以区分。而本文提出的方案，雷达接收端信号只将33 ns处的激光雷达探测信号检出，背景光干扰信号基本上被消除。

图8 本文方案与传统TOF 激光雷达的抗干扰性能比较

4 结论

本文提出了一种新型的直线型光纤Sagnac 干涉仪结构的脉冲激光雷达方案。其优点在于，通过探测目标的激光脉冲往返两次通过延迟干涉仪形成直线型Sagnac 干涉，使得平衡光电探测器能够检出干涉脉冲，而抵消掉环境干扰信号。虽然增加了干涉仪结构使得系统复杂度略有增加，但考虑到利用光纤来实现延迟反射仪是成熟的技术，成本不高，也不增加很多体积，因此，这是可以接受的。

当综合考虑探测光的相干长度、延迟干涉仪的臂长差等因素的条件下，此方案不仅能有效抵消太阳光等背景环境光的干扰，还能解决不同激光雷达之间的相互干扰，此方案实现形式简单，性能可靠，预计未来将在军事和民用领域得到广泛的应用。