反射特性：怎樣利用隨機信號反饋，快速判斷目標物體的屬性？

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由於自動駕駛汽車應用的安全性要求，傳感器之間的相互干擾問題變得尤為重要。

相互干擾可能導致誤報或降低回波信號的檢測概率，前者是由於感測信號之間缺乏正交性引起的，這意味着每個傳感器都使用相似的信號特徵進行傳輸，因此在接收端很難有效區分它們。

而後者是由於干擾導致的信噪比（SNR）下降引起的，為了克服這種相互干擾問題，提出了一種基於互相關測量的測距方法。

為了更有效地減輕測距傳感器之間的相互干擾，雷達領域提出了許多基於相關性的方法，這些方法使用模擬真隨機信號，旨在通過使用具有不同特徵的信號來增加傳感器之間的區分度，從而降低相互干擾的影響。

01

實驗設置

為了進行實驗研究，研究人員採用了放大自發發射（ASE）光源的輸出來生成真隨機信號。

值得注意的是，這是一個模擬信號，而沒有被轉換為數字信號，他們使用了C頻段的ASE並通過一個具有100 GHz的3 dB帶寬的高斯形濾波器進行濾波，然後使用具有2 GHz 3 dB帶寬的PIN光探測器（PD）進行檢測。

這樣他們得到了一個2 GHz 3 dB帶寬的真隨機信號，生成的隨機信號的自相關性用於作為相關性測量的基準。

另一個隨機信號被用作調製信號，饋送到馬赫-曾德爾幅度調製器（MZM），這個調製器將低於100 kHz的線寬的激光輸出輸入，然後將其調製為激光雷達的輸出信號。

接下來，他們生成了用於測量的光學真隨機信號，他們在真正的3D測量LiDAR中使用了激光束掃描系統。

這些測量是通過帶寬為5 GHz的高速相干探測器進行的，他們將+8 dBm的本振功率和-20 dBm的LiDAR隨機信號功率輸入接收器中。

測量得到的波形及其頻譜顯示，檢測信號的譜寬比真隨機信號發生器的輸出要窄。

激光雷達接收到了物體反射的光P回聲，這接收到的光與本地振蕩器輸出進行混合，用於進行相干檢測。

+8 dBm的本振輸出是激光輸出的一部分，用於生成LiDAR的輸出信號，相干接收器的電氣3 dB帶寬為2 GHz。

接下來，相干探測器的噪聲等效功率（NEP）為-40 dBm，相干檢測器的輸出之間的相關性SD和參考之間的相關性使用相關測量單元進行測量，以獲取LiDAR的輸出S輸出(t)。

典型的測量相關輸出顯示，相關峰值為0.923，相關時間為290 Ps，較長的相關時間可以通過減小光隨機信號的帶寬來解釋。

02

干擾仿真

該激光雷達系統可能會受到其他不同信號格式的激光雷達的干擾，研究人員僅考慮了一種不同信號格式的干擾來研究信號格式對系統性能的影響。

研究中考察了四種不同的信號格式，包括連續波光（CW光）、直接調製半導體激光器的脈衝光、調頻連續波（FMCW）信號光和真隨機信號調製（RM）信號，每一種信號格式代表了不同類型的激光雷達系統。

為了量化研究干擾的影響，研究人員使用了光纖設備來混合激光雷達的輸出信號和干擾信號，激光雷達的輸出信號耦合到光纖耦合器的一個分支，而干擾信號則耦合到另一個分支。

耦合器的輸出信號傳送到相干檢測器的輸入端，這兩個信號（光信號）的偏振與本地振蕩器的光信號的偏振相匹配，光功率可以通過可變光衰減器進行調節。

在所有實驗中，干擾信號的光功率被設置為-20 dBm，對於脈衝光情況，脈衝峰值功率設置為-20 dBm，因此平均功率要低得多，為-18 dBm，考慮到脈衝的寬度和重複頻率。

研究人員還保持了在相干檢測器帶寬內的干擾光信號與本振光信號之間產生電場干涉信號的頻率差。

這些實驗旨在研究不同信號格式對激光雷達系統性能的影響，特別是在存在干擾信號的情況下，通過對不同信號格式的干擾進行實驗，研究人員可以更好地了解系統在複雜環境中的運行方式，以優化性能和提高抗干擾能力。

03

對誤報的影響和信噪比的降低

相互干擾導致激光雷達檢測性能下降主要有兩個方面：造成誤報和信噪比下降，通常當干涉光耦合到 LiDAR 探測器時，探測器上的噪聲功率會增加，較高的噪聲功率會引入額外的誤報。

對於所提出的 LiDAR 情況，它還具有由相關估計引起的檢測噪聲基底，本底噪聲導致誤報。

本底噪聲的功率與干擾光功率無關P整數，因此誤報的概率PrF 保持所需的誤報概率Pr′F 無論干擾如何，Pr′F 是中檢測閾值的預設值，使用各種 LiDAR 信號格式驗證了這些功能。

通過比較驗證了所提出的 LiDAR 與各種 LiDAR 格式的干擾功率無關特性，期望的概率Pr′F (黑色實線)被指示，所有表示的值均通過以下方式標準化Pr′F ，對於每個 LiDAR 干擾情況，我們評估了概率PrF 不同的干涉光輸入功率。

當干擾光耦合到LiDAR接收器時，會導致檢測的信噪比（SNR）降低，這是由於回波信號的相關峰值減少所引起的，檢測概率Pr_D對於給定的檢測閾值，會隨着回波信號的強度減少而降低。

為了驗證這種影響，研究人員測量了各種干擾信號對激光雷達信噪比的影響，在實驗中，他們將回波光和干擾光耦合到激光雷達接收器中，在這個實驗中，假設在接收回波光的過程中，干擾光始終存在。

回波光的光功率被設置為-20 dBm（比總噪聲功率高20 dB），這裡假設噪聲功率可以忽略不計，然後，他們將干擾光的光功率從-32 dBm調整到-10 dBm。

通過計算干擾光和回波光的光功率比來測量信噪比的降低情況，這個比值表示為P_int/P_echo。

這種信噪比的下降與處理增益無關，因此研究人員對這個因素進行了標準化（GP= 19.3dB被使用）。

實驗結果表明，在RM情況下，計算值（黑色實線）與實際情況很好地匹配，但在其他情況下（CW、FMCW和脈衝），光功率損失約為-3 dB。

這種損失是由於調製器的低調製效率導致的，在RM情況下，光場的調製幅度約為全擺幅的70.3%（-1.53 dB），換句話說，為了達到相同的幅度RM信號需要多約3.06 dB的光功率。

為了解決這個問題，可以使用雙驅動MZM進行幅度調製，或者在光的其他物理量上引入真隨機信號，這些結果強調了在激光雷達系統設計中信噪比的重要性，尤其是在存在干擾的情況下。

04

有關光譜形狀和寬度的更多信息

假設參考信號S_ref(t)和干擾信號S_int(t)是兩個獨立的隨機信號，並且在理論上它們具有相同的頻譜形狀和寬度，但實際情況並非如此。

為了研究頻譜差異對性能的影響， 研究人員使用了CW（連續波）干擾源，因為它提供了最窄的頻譜S_int(t)，在這種情況下，干擾信號是單一頻率的正弦振蕩f。

通過相同的評估過程來評估了概率Pr_F（即檢測的假陽率），其中考慮了相同的時間窗口Δt = 50納秒和相同的檢測閾值V_threshold = 0.365，隨着頻率差f的增加，Pr_F逐漸減小，這種變化可以通過光譜形狀S_ref和S_int(t)之間的差異來解釋。

為了更清晰地理解，他們還繪製了功率密度曲線，兩者非常匹配，理論預測（黑色實線）的差異或變化也可以通過光譜形狀和寬度之間的差異來解釋S_ref和S_int(t)。

干擾的持續時間也受到信號格式的影響，FMCW（調頻連續波）和脈衝干擾信號格式由於其較廣的頻率掃描範圍而具有較長的干擾持續時間。

脈衝光干擾對於採用相干探測的激光雷達來說，由於其短脈衝寬度引起的跳頻時間短（約幾納秒），也會導致較短的干擾持續時間。

這項研究旨在調查不同信號格式的激光雷達在自動駕駛汽車應用中之間的相互干擾情況，為了作為受害者激光雷達，研究人員採用了一種激光雷達，其特點是具備模擬真隨機信號。

為了研究不同激光雷達信號對這一受害者激光雷達的干擾，研究團隊生成了多種信號類型包括連續波、直接調製激光器的脈衝光以及調頻連續波光，他們詳細描述了這些不同信號格式對受害激光雷達的干擾模式以及對其檢測性能的影響。

研究的關鍵結果包括相互干擾導致的兩個主要影響：誤報和信噪比下降，令人鼓舞的是，研究表明，不論干擾源的信號格式如何，採用模擬真隨機信號的激光雷達都具有強大的抗干擾能力，這意味着這種類型的激光雷達在自動駕駛汽車應用中可能具有重要的實際應用前景。