采用调频直接探测方案的低成本自动驾驶车辆的恶劣天气条件下的光子雷达gydF4y2Ba

介绍gydF4y2Ba

光子雷达，也被称为激光雷达(光探测和测距)，已被公认用于各种各样的空间-智能自管理运输系统，地形传感器，遥感，景观生态系统，洪水监测，民兵监视，无线受限定位方案，生物量调查，和水下不稳定[gydF4y2Ba1gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba4gydF4y2Ba]。现有和已建立的导航方案仍然局限于微不足道的精度范围，可能导致传递不可预测的性能，特别是在都市圈，从而排除了其应用于自动驾驶车辆(通常被称为自动驾驶车辆(AVs))的可能性[gydF4y2Ba5gydF4y2Ba，gydF4y2Ba6gydF4y2Ba]。目前汽车工业的需求是提供高范围和更高分辨率的雷达系统，能够在任何大气环境下非常细致地跟踪和区分移动或不移动的物体。如今，自动驾驶汽车配备了3d摄像头、微波雷达、GPS系统和信号处理单元等现代设备来支持驾驶员，但成本很高，但识别范围不足，只有几米。除此之外，自动驾驶对不需要的和相互肯定的维度有很高的安全性要求。在严重的大气不稳定条件下，要实现精细尺度就成了问题。自动驾驶汽车中的大多数功能都依赖于雷达，可以提供精确的距离探测和高图像持久性的可视性，特别是在100-500米距离内。另一个需要考虑的因素是自动驾驶汽车的电力供应有限，因此，电力需求应尽可能低[gydF4y2Ba7gydF4y2Ba]。考虑到自动驾驶功能的不同用途和要求，光子雷达是传统雷达的重要替代方案，并且从早期阶段开始就受到全球研究人员和自动驾驶汽车制造商的欢迎。与传统雷达相比，光子雷达提供更精细的距离分辨率和更高的图像分辨率，并具有高精度[gydF4y2Ba8gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba10gydF4y2Ba]。一般来说，采用低功率连续波(CW)激光器，并适当延长反射间隔，以设计具有足够精度和持久性的激光雷达[gydF4y2Ba11gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba13gydF4y2Ba]。三角形扫描在高速目标检测中是首选的，因为它提供了比脉冲扫描更小的扫描时间[gydF4y2Ba13gydF4y2Ba]。与此同时，还建立了具有锯齿(三角形)调制函数的调频RF信号，以确定目标范围和速度[gydF4y2Ba14gydF4y2Ba]。此外，所研制的fm调制光子雷达采用直接探测编队，以较短的探测距离为代价，具有对回波更敏感的优点。另一种突出的解决方案是外差混合，也称为相干检测，与直接检测相比，具有接收灵敏度高、距离远、信号衰落最小的优点，但牺牲了方案复杂性[gydF4y2Ba15gydF4y2Ba，gydF4y2Ba16gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba图1gydF4y2Ba显示了一个装备了光子雷达的车辆来探测静止目标。gydF4y2Ba

除了设计收发器的挑战外，信号必须使用额外的高频(EHF)波段(通常称为毫米波段)广播，因为射频的范围有限，只有几英里，而且无法穿透固体材料[gydF4y2Ba17gydF4y2Ba]。此外，毫米波段可以提供熟练的频谱开发，除了保护通信，允许补充紧凑的包装波形。在通过大气信道传输时，射频信号承受6gydF4y2BadBgydF4y2Ba每个八度音阶变化的衰减方差。相反，一旦mm波段信号在恶劣的气候条件下穿过这些大气通道，情况就变得复杂起来。这些mm波段的高频信号在各种大气因素的影响下，例如空气温度、空气压缩和湿度、浸没颗粒和灰尘，以及其他大气因素的影响下，都会有很高的衰减[gydF4y2Ba18gydF4y2Ba]。这再次阻碍了实现以目标探测为中心的延长使用，并限制了操作范围。对于现有的设备，吸收峰在24和60处蒸发gydF4y2BaGHzgydF4y2Ba这是相当高的，幸运的是，一些广播口可用来确保这些山峰之间的信号传输。此外，基于mm波段的雷达信号由于闪烁、树叶遮挡、降雨、散射和衍射对降水衰减有很大影响。一般来说，在毫米波段，波长变短;因此，接收到的柔和回声导致微弱的信号响应。gydF4y2Ba

尽管如此，仍处于早期阶段，一些关于自动驾驶汽车的实质性工作已经在这里进行了讨论。描述了空气中闷烧和污垢颗粒对自动驾驶车辆操作的影响[gydF4y2Ba19gydF4y2Ba]。另一种目标模拟是在非系统大气环境下，利用具有不规则能见度方差的电光激光雷达[gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba]。光子雷达的综合研究[gydF4y2Ba21gydF4y2Ba]显示为950和1550gydF4y2Ba纳米gydF4y2Ba。大气气体的影响已被预先考虑，以理解由于环境温度低而产生的湍流[gydF4y2Ba22gydF4y2Ba]。通过在真空室中排气雾条件，研究了各种雾条件对激光雷达工作的影响和实验评估[gydF4y2Ba23gydF4y2Ba]。因此，报告的工作同意由于大气条件对光子雷达的操作效率的各种衰减的影响，特别是在高频。然而，考虑到降雨、雾霾等大气通道的减弱影响的研究有限，这些研究证实了调频连续波(FMCW)驱动光子雷达系统的有效性。gydF4y2Ba

在设计光子雷达时，频率是另一个需要考虑的度量方面。激光在24小时内工作gydF4y2BaGHzgydF4y2Ba频带通常被称为ISM(工业、科学和医疗)频带，其未经许可的窄带(NB)带宽为250gydF4y2Ba兆赫gydF4y2Ba(24 - 24.5gydF4y2BaGHzgydF4y2Ba)，带宽为5gydF4y2BaGHzgydF4y2Ba超宽带(UWB)。而NB-ISM波段用于检测盲点，UWB-ISM用于更高的分辨率。根据新规定，超宽带将很快被淘汰，因此，ISM频段可能对AV应用没有吸引力。传统雷达的工作速度是70gydF4y2BaGHzgydF4y2BaBand和70-77gydF4y2BaGHzgydF4y2Ba可用于车辆应用。77 - 81年gydF4y2BaGHzgydF4y2Ba(4gydF4y2BaGHzgydF4y2Ba带宽)波段被称为近程雷达(SRR)波段。所提供的主要好处是高度允许等效同位素辐射功率(EIRP)，从而实现自适应巡航控制[gydF4y2Ba24gydF4y2Ba]。距离分辨率为77gydF4y2BaGHzgydF4y2Ba与频率使用4gydF4y2BaGHzgydF4y2Ba带宽是4厘米，而距离分辨率是75gydF4y2Ba厘米gydF4y2Ba24元gydF4y2BaGHzgydF4y2Ba带宽为250gydF4y2Ba兆赫gydF4y2Ba。为了操作简便，我们使用了直接探测配置的线性调频连续波雷达系统(FMCW-DD)。在FMCW-DD方案中，传输脉冲由LFM啁啾进行强度调制，而去啁啾是通过与调制本振(LO) [gydF4y2Ba25gydF4y2Ba，gydF4y2Ba26gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

基于这些事实，作者打算将基于fmcw的光子雷达应用于77gydF4y2BaGHzgydF4y2Ba利用计算机仿真模型检测静止目标的距离和距离频率，并在不同大气条件的影响下测试仿真模型，以获得具有足够信噪比的延长目标距离。本文的组织结构如下:引言部分解释了光子雷达和自动驾驶汽车领域的必要性、关注点和当代进展。工作原理部分阐述了系统的工作原理。系统描述部分解释了所提出的系统的建模，以及在仿真中使用的综合约束。结果和讨论部分介绍了理论的相关结果，以及模拟的光子雷达和在不利天气下测试系统的结果，并在结论部分总结了所提出的工作。gydF4y2Ba

工作原理gydF4y2Ba

所提出的基于fmcw的光子雷达原理图如图所示gydF4y2Ba图2gydF4y2Ba在直接探测配置下，也称为非相干探测。启动频率为77gydF4y2BaGHzgydF4y2Ba扫描带宽为600 MHz，由伪随机序列发生器驱动射频线性频率调制器(RF-LFM)结合锯齿调制功能生成。载波信号使用连续波激光光源产生，然后将其与RF-LFM信号一起馈电到双臂锂铌酸盐(Li-Nb) Mach-Zhander干涉仪(MZI)外部调制器。该调制器使用直流偏置发生器产生二阶边带，并抑制补充带。gydF4y2Ba

来自MZM的输出调制信号取决于工作点，也就是说，如果它工作在一个正交点或在一个零点[gydF4y2Ba25gydF4y2Ba，gydF4y2Ba27gydF4y2Ba]。该RF-LFM信号经光调制后通过自由空间光学(FSO)网络传输。由于大气波动的影响会随着工作频率的增加而增加，因此预计FSO频道会评估拟议计划在大气波动影响下的效率。[gydF4y2Ba17gydF4y2Ba，gydF4y2Ba18gydF4y2Ba，gydF4y2Ba28gydF4y2Ba]。从辐照目标复制的共振信号被接受，其传输延迟时间为(gydF4y2Ba $\frac{\mathrm{2gydF4y2Ba}\times gydF4y2Ba\mathrm{RgydF4y2Ba}}{\mathrm{CgydF4y2Ba}}$ ),gydF4y2BaRgydF4y2Ba对象的范围和gydF4y2BacgydF4y2Ba是光速。gydF4y2Ba

然后将所接收的信号馈送到光探测器，以从所述光信号中获得所需的电信号。此外，该电信号被放大并与从LFM发生器接收到的信号相混合，并馈送到截止频率为1的低通滤波器gydF4y2BaGHzgydF4y2Ba。使用射频频谱分析仪对滤波后的信号进行分析。使用Optisysem™对所提出的系统进行建模和仿真，使用MATLAB™设计目标模型。gydF4y2Ba

系统描述gydF4y2Ba

所提出的光子雷达采用FMCW直接探测技术建模，如图所示gydF4y2Ba图2gydF4y2Ba在多变的天气条件下评估一个静止物体的距离。装有雷达的汽车估计自己和静止目标之间的距离，并相应地更新车辆。与脉冲雷达不同，FMCW雷达因其成本效益、小尺寸和最小的输入功率要求而受到青睐。完整的重要参数列于gydF4y2Ba表1gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

如gydF4y2Ba图2gydF4y2Ba，采用RF-LFM波形发生器产生77gydF4y2BaGHzgydF4y2Ba的FMCW信号。频率方差通过三边扫描测量，以逼近目标距离，以及评估发射信号和接收回波之间的间隔时间。考虑到gydF4y2BafgydF4y2Ba_cgydF4y2Ba是载频，gydF4y2BaTgydF4y2Ba_米gydF4y2Ba是扫描时间，gydF4y2BaBgydF4y2Ba是带宽，和gydF4y2BaRgydF4y2Ba目标和配备雷达的车辆之间的距离，距离频率gydF4y2BafgydF4y2Ba_rgydF4y2Ba由[给出gydF4y2Ba29gydF4y2Ba］gydF4y2Ba

RF-LFM调制器的较大质量参数(q因子)是通过匹配本振的行程时间和频率的扫描速率[gydF4y2Ba30.gydF4y2Ba]。文中给出了调制器的传递函数gydF4y2Ba情商。gydF4y2Ba(gydF4y2Ba31gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba33gydF4y2Ba］gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2BaEgydF4y2Ba_出gydF4y2Ba和gydF4y2BaEgydF4y2Ba_在gydF4y2Ba是输入和输出光场，gydF4y2BavgydF4y2Ba_πgydF4y2Ba改变光功率传递函数所需要的电压[gydF4y2Ba32gydF4y2Ba),∅gydF4y2Ba_我gydF4y2Ba为初始相位，S(t)为RF-LFM信号功率，可表示为[gydF4y2Ba32gydF4y2Ba］gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2BafgydF4y2Ba_cgydF4y2Ba是开始频率，gydF4y2BaBgydF4y2Ba是扫描带宽，和gydF4y2Ba交流gydF4y2Ba为LFM信号的幅值。对于直接检测方案，MZI调制器输出功率表示为[gydF4y2Ba32gydF4y2Ba］gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2BaβgydF4y2Ba调制指数(gydF4y2BaβgydF4y2Ba< < 1),gydF4y2BaωgydF4y2Ba_ogydF4y2Ba传输信号的角频率，和gydF4y2BaθgydF4y2Ba_ogydF4y2Ba(t)gydF4y2Ba是随机相位分量。扫描带宽gydF4y2BaBgydF4y2Ba等于600gydF4y2Ba兆赫gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

输出调制信号通过自由空间通道聚焦在目标上，使用发射和接收口径分别为5和15的望远镜镜头gydF4y2Ba厘米gydF4y2Ba。通过MATLAB™演示了这个自由空间网络来定位固定的物体。有几个因素，特别是角色散、大气传输和目标反射率，会影响目标在接收部分的回波信号。回波信号的接收功率gydF4y2BaPgydF4y2Ba_rgydF4y2Ba计算公式为[gydF4y2Ba29gydF4y2Ba］gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2BaDgydF4y2Ba为接收机孔径，gydF4y2BaρgydF4y2Ba_tgydF4y2Ba是目标反射率，gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba_tgydF4y2Ba是目标区域，gydF4y2BaτgydF4y2Ba_{选择gydF4y2Ba}为光域中的传输损耗，gydF4y2BaτgydF4y2Ba_{自动取款机gydF4y2Ba}是大气损失因子，gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba_{生病了gydF4y2Ba}被照亮的区域在目标上吗gydF4y2BaRgydF4y2Ba是目标范围。回波信号功率gydF4y2BaEgydF4y2Ba_{裁判gydF4y2Ba}在收信人处被赋予[gydF4y2Ba29gydF4y2Ba］gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2BaτgydF4y2Ba传播延迟是否为gydF4y2BaτgydF4y2Ba= 2 × R/c。750的范围gydF4y2Ba米gydF4y2Ba时，延迟时间计算为5gydF4y2BaμsgydF4y2Ba脉冲重复频率(PRF)为200gydF4y2Ba千赫gydF4y2Ba。在接收部分，由于直接检测方法不进行光学混合，因此依赖于平方律光检测。响应度为ℜ的光电二极管输出电流表示为[gydF4y2Ba34gydF4y2Ba］gydF4y2Ba

用于获取基带信号的滤波光电流信号为[gydF4y2Ba32gydF4y2Ba］gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2Ba我gydF4y2Ba_{直流gydF4y2Ba}和gydF4y2Ba我gydF4y2Ba_{团体gydF4y2Ba}分别为直流和交流光检测电流信号。gydF4y2Ba

本工作中使用的光探测器是一个pin型光二极管，带宽为40gydF4y2BaGHzgydF4y2Ba考虑了器件约束，如放大自发噪声(ASE)、抛丸噪声和热噪声。然后使用增益为40的电放大器放大来自光电探测器的输出信号gydF4y2BadBgydF4y2Ba混合使用RF-LFM信号的倍增器。将混合信号送入截止频率为1的矩形低通滤波器(LPF)gydF4y2BaGHzgydF4y2Ba。LPF后的拍信号为[gydF4y2Ba29gydF4y2Ba］gydF4y2Ba

系统中使用的PIN光探测器的响应度为1awgydF4y2Ba^1gydF4y2Ba。系统在信噪比(SNR)方面的性能是在光探测器之后使用电信号分析仪进行测量的，如[gydF4y2Ba29gydF4y2Ba］gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2BaBgydF4y2Ba_{处方gydF4y2Ba}为接收机带宽，gydF4y2Ba问gydF4y2Ba电荷≈1.6 × 10吗gydF4y2Ba^{-19年gydF4y2Ba}c,gydF4y2BakgydF4y2Ba_bgydF4y2Ba玻尔兹曼常数≈1.38 × 10吗gydF4y2Ba^{-23年gydF4y2Ba}J / K,gydF4y2BaTgydF4y2Ba_rgydF4y2Ba是接收机噪声温度，和gydF4y2BaRgydF4y2Ba_lgydF4y2Ba是负载阻力。gydF4y2Ba

结果与讨论gydF4y2Ba

光子雷达系统使用OptiSystem软件设计，使用MATLAB软件建立的自由空间路径传播模型首次在750米目标范围的晴朗天气条件下进行了测试。一个固定的目标被认为具有10%的反射率，这意味着只有10%的发射功率从回波接收用于处理，其余90%要么被散射要么被吸收。gydF4y2Ba图3gydF4y2Ba描述从静止目标反射的回波观测到的目标探测和距离频率。gydF4y2Ba

范围频率(gydF4y2BafgydF4y2Ba_rgydF4y2Ba的理论计算gydF4y2Ba情商。gydF4y2Ba在300年gydF4y2Ba兆赫gydF4y2Ba扫10次gydF4y2Baµ交会gydF4y2Ba。的模拟结果也显示了同样的结果gydF4y2Ba图3一gydF4y2Ba在300处观察到峰值gydF4y2Ba兆赫gydF4y2Ba频率在22.5 dBm的功率水平。同样，理论值为150gydF4y2Ba兆赫gydF4y2Ba距离频率20gydF4y2Baµ交会gydF4y2Ba和100年gydF4y2Ba兆赫gydF4y2Ba30岁时gydF4y2Baµ交会gydF4y2Ba，在?中可以观察到相似的峰值gydF4y2Ba图3一gydF4y2Ba。随后，如果通过简单的反转知道距离频率，就可以进一步测量目标距离gydF4y2Ba情商。gydF4y2Ba作为gydF4y2Ba $\mathrm{RgydF4y2Ba}=gydF4y2Ba\frac{{\mathrm{fgydF4y2Ba}}_{\mathrm{rgydF4y2Ba}}\times gydF4y2Ba{\mathrm{TgydF4y2Ba}}_{\mathrm{米gydF4y2Ba}}\times gydF4y2Ba\mathrm{cgydF4y2Ba}}{\mathrm{2gydF4y2Ba}\times gydF4y2Ba\mathrm{BgydF4y2Ba}}$ ;例如，量程频率为150的量程gydF4y2Ba兆赫gydF4y2Ba将是375gydF4y2Ba米,gydF4y2Ba在150gydF4y2Ba兆赫,gydF4y2Ba范围是250gydF4y2Ba米gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

利用数学和仿真方法测量的距离和距离频率值证实了所演示的光子雷达系统已经精确地报告了对静止目标的探测和测距。同样，用电子分析仪测量的接收功率为23.10gydF4y2BadBmgydF4y2Ba和26.51gydF4y2BadBmgydF4y2Ba10点和30点gydF4y2Baµ交会,gydF4y2Ba分别确认在光电二极管处有足够的信号强度。因此，信噪比测量为68gydF4y2BadBgydF4y2Ba和74年gydF4y2BadBgydF4y2Ba10点和30点gydF4y2Baµ交会,gydF4y2Ba分别。同样，距离频率可以预先设定，保持距离静止，并改变时间扫描和带宽。gydF4y2Ba图3 bgydF4y2Ba描述了增大伸缩透镜孔径面积的效果。拟议的系统增加了13gydF4y2BadBmgydF4y2Ba在接收回波的信号强度上。信号强度为23gydF4y2BadBmgydF4y2Ba和36gydF4y2BadBmgydF4y2Ba是用口径为15和30的接收透镜测量的gydF4y2Ba厘米gydF4y2Ba,分别。因此，在不太关心总尺寸的情况下，接收机的尺寸可以根据接收到的回波信号强度的要求来保持。在本次工作中，发射器处的孔径透镜尺寸固定为5gydF4y2Ba厘米,gydF4y2Ba在接收器处，是15gydF4y2Ba厘米gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

自动驾驶车辆依赖于光子雷达，因此，即使在恶劣的大气条件下，它们也应该能够提供更大范围的能见度，以精确识别目标。通常，AV段的零能见度是能见度小于50gydF4y2Ba米gydF4y2Ba在不利的大气条件下，如雾、雪或雨，并可能导致事故[gydF4y2Ba35gydF4y2Ba]。因此，本文进一步研究了该系统在雾和雨影响下的性能。雾是导致整体系统性能丧失的几种基本原理的合并[gydF4y2Ba36gydF4y2Ba，gydF4y2Ba37gydF4y2Ba]。通常，雾环境下的范围是几百米(小于1gydF4y2Ba公里gydF4y2Ba)，但在浓雾天气下可缩短至几米。就建议的光子雷达而言，该系统须根据国际能见度守则[gydF4y2Ba38gydF4y2Ba]，即能见度为200的浓雾gydF4y2Ba米gydF4y2Ba而衰减值为70gydF4y2BadB /公里gydF4y2Ba，大雾，能见度350gydF4y2Ba米gydF4y2Ba且衰减值为50gydF4y2BadB /公里gydF4y2Ba，有中度雾，能见度500gydF4y2Ba米gydF4y2Ba衰减值为28.9gydF4y2BadB /公里,gydF4y2Ba还有能见度770的轻雾gydF4y2Ba米gydF4y2Ba衰减值为18.3gydF4y2BadB /公里gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

雨水是影响光子雷达效能的另一个关键因素，尤其是在毫米波波段。因此，暴雨及其液滴大小的影响必须考虑所提出的系统的能力，特别是在AV应用中。降雨造成的衰减与液滴大小和浇筑速度有关，可计算为[gydF4y2Ba39gydF4y2Ba］gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba_雨gydF4y2Ba是雨水造成的衰减，gydF4y2BaRgydF4y2Ba_ogydF4y2Ba降雨量的单位是毫米/小时，和gydF4y2BakgydF4y2Ba和gydF4y2BaαgydF4y2Ba为液滴大小、频率和温度等因变量的幂律因子，可使用马歇尔-帕尔默分布计算[gydF4y2Ba40gydF4y2Ba]。在77gydF4y2BaGHzgydF4y2Ba工作频率，相应的值gydF4y2BakgydF4y2Ba和gydF4y2BaαgydF4y2Ba计算为1.210和0.772。考虑到55度的暴雨天气gydF4y2Ba毫米/小时gydF4y2Ba，衰减gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba_雨gydF4y2Ba结果是24岁gydF4y2BadB /公里gydF4y2Ba。同样，计算出25度小雨的衰减gydF4y2Ba毫米/小时gydF4y2Ba是14.25gydF4y2BadB /公里gydF4y2Ba， 5毫米/小时的小雨为4gydF4y2BadB /公里,gydF4y2Ba对于0.25的毛毛雨gydF4y2Ba毫米/小时gydF4y2Ba衰减为0.6gydF4y2BadB /公里gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

在光子雷达建模中要考虑的另一个重要因素是选择最佳工作波长和频段，因为毫米波段中使用的较高频率往往受到大气波动的影响，特别是在AV部门。作者考虑了几何损耗、传输损耗、指向和闪烁损耗等目标模型的设计。利用伽玛-伽玛分布模型，系统进一步暴露在折射率变化中[gydF4y2Ba41gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

如gydF4y2Ba数字4gydF4y2Ba和gydF4y2BaBgydF4y2Ba，分别在10 μ sec和30 μ sec下总结不同的雾条件及相应的衰减。同样,在gydF4y2Ba图5一个gydF4y2Ba和gydF4y2BaBgydF4y2Ba时，强至弱的雨况及相应的衰减在10和30时总结gydF4y2Baµ交会gydF4y2Ba,分别。提高≈4-5gydF4y2BadBmgydF4y2Ba扫描时间增加，接收功率提高≈3-5gydF4y2BadBgydF4y2Ba的信噪比值。gydF4y2Ba

接收功率的综合值(gydF4y2BadBmgydF4y2Ba)和信噪比(gydF4y2BadBgydF4y2Ba)在不同衰减水平下所观察到的gydF4y2Ba表2gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

图6gydF4y2Ba描述了宽传输范围(高达3000)内大气波动(不同衰减水平)影响下的信噪比值gydF4y2Ba米gydF4y2Ba)在不同的扫描时间通过感光探测器检测到。为了成功接收信号，可接受的最小信噪比值固定为20gydF4y2BadBgydF4y2Ba。扫描时间为10分钟gydF4y2Baµ交会gydF4y2Ba在浓雾条件下(70 dB/Km)，在905接收回波gydF4y2Ba米gydF4y2Ba，而扫频时间为30gydF4y2Baµ交会gydF4y2Ba时，在950米处接收回波。同样，≈40-50gydF4y2Ba米gydF4y2Ba的改善也可以在其他情况下看到。由于设计系统的限制和参数的限制，观测到的最大量程为3000gydF4y2Ba米gydF4y2Ba，而小雨转毛毛雨的情况仍有待验证，以确定最大的传播范围。由此可见，本文提出的光子雷达在恶劣大气条件下可以感知到最大距离，而最大传输距离可以远高于10000gydF4y2Ba米gydF4y2Ba适用于小雨情况(4gydF4y2BadB /公里gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

图7gydF4y2Ba为10和30时信噪比与衰减的关系gydF4y2Baµ交会gydF4y2Ba扫描次数，以了解信号和噪声之间对应的衰减变化。最初，衰减水平可达30gydF4y2Badb /公里gydF4y2Ba在10点和30点进行扫描gydF4y2Baµ交会gydF4y2Ba时，信噪比值可达70gydF4y2BadBgydF4y2Ba和74年gydF4y2BadBgydF4y2Ba，但是，随着衰减从30gydF4y2BadB /公里gydF4y2Ba到75年gydF4y2BadB /公里,gydF4y2Ba信噪比线性地向零递减。图表清楚地表明超过70岁gydF4y2BadB /公里gydF4y2Ba时，信噪比下降到20以下gydF4y2BadBgydF4y2Ba最低限度可接受的值[gydF4y2Ba42gydF4y2Ba]。该图也证明了所提出的模型信号接收高达70gydF4y2Badb /公里gydF4y2Ba衰减条件。gydF4y2Ba

结论gydF4y2Ba

本文建立了调频连续波(FMCW)驱动的光子雷达模型，利用直接探测方法，在大气衰减波动的影响下，感知反射回波对静止目标的距离探测。该系统已成功实现了目标探测和测距，并在弱到强湍流条件下进行了验证。所提出的系统的结果达到了905的增强目标范围gydF4y2Ba米gydF4y2Ba在浓雾条件下，1090gydF4y2Ba米gydF4y2Ba大雾，1920年gydF4y2Ba米gydF4y2Ba有中度雾，和2280gydF4y2Ba米gydF4y2Ba有大雨。提出的结果认为，大气波动(70gydF4y2BadB /公里gydF4y2Ba等)会影响光子雷达的距离分辨率。此外，由于城市雾霾(烟+雾)条件造成的衰减增加可能会影响自动驾驶汽车的工作，这是必须考虑的。它可以进一步扩展到一个范围和检测运动目标与多目标跟踪。gydF4y2Ba

数据可用性声明gydF4y2Ba

支持本文结论的原始数据将由作者提供，毫无保留地提供。gydF4y2Ba

作者的贡献gydF4y2Ba

AS:撰写初稿、方法和模拟;SC:撰稿、编辑、软件;JM:撰稿、审稿、督导;女士:可视化;山:资源;JN:形式化分析;LW:数据管理。gydF4y2Ba

资金gydF4y2Ba

本研究工作由TSRI基金(CU_FRB640001_01_21_8)资助。gydF4y2Ba

利益冲突gydF4y2Ba

作者声明，这项研究是在没有任何商业或财务关系的情况下进行的，这些关系可能被解释为潜在的利益冲突。gydF4y2Ba

出版商的注意gydF4y2Ba

本文中所表达的所有主张仅代表作者，并不代表他们的附属组织，也不代表出版商、编辑和审稿人。任何可能在本文中评估的产品，或可能由其制造商提出的声明，都不得到出版商的保证或认可。gydF4y2Ba

致谢gydF4y2Ba

作者要感谢古鲁那纳克Dev大学，阿姆利则对研究工作的支持。作者也要感谢加拿大Optiwave公司，特别感谢Ahmad Atieh博士为本研究工作提供的技术支持和有价值的软件OptiSystemTM。作者也要感谢塔伊夫大学的研究人员支持项目号(TURSP-2020/228)，塔伊夫大学，沙特阿拉伯。gydF4y2Ba

参考文献gydF4y2Ba