优化FMCW激光雷达系统：散斑噪声对性能的影响及孔径设计

本文主要探讨了散斑噪声对调频连续波（FMCW）相干激光雷达系统性能的影响。在现代雷达技术中，相干激光雷达利用激光信号的频率变化来测量目标的距离和速度，而散斑噪声是由于激光照射到粗糙表面时产生的随机干涉图案，它对系统的拍频信号（即雷达信号的频率差）质量产生了显著影响。这种噪声源于激光的多路径传播，尤其是在非均匀介质中，会导致信号强度的随机波动，降低信号信噪比，从而影响雷达的精确度。 作者们采用了几何光学近似方法对散射场进行了简化处理，这是一种在研究复杂光学系统时常用的简化模型，有助于理解散斑噪声的根源和传播特性。通过蒙特卡罗模拟仿真，他们构建了一个定量的模型，这个模型能够预测散斑噪声对系统拍频信号强度的具体影响。这一模型考虑了粗糙表面的高度、波长以及散射特性等因素，揭示了信号强度与这些参数之间的负指数关系。 实验结果显示，散斑噪声对弱散射表面的影响尤为明显，信号强度会随着粗糙度的增加而快速衰减。这对于系统设计来说是一个关键的考虑因素，因为它意味着为了获取稳定的信号，可能需要优化光学天线的孔径，以减少散斑噪声的影响。优化后的系统能够在存在散斑噪声的环境中有效地探测拍频信号，其测距和测速精度分别达到了小于1厘米和0.05厘米每秒的水平。 文章的关键点在于，通过理论分析、仿真建模和实验验证，研究人员找到了控制散斑噪声的有效途径，这对于提高相干激光雷达的性能，尤其是在恶劣环境或高精度需求的应用中，具有重要的实际意义。此外，论文还强调了散斑噪声对雷达系统稳定性和准确性的潜在威胁，为未来激光雷达技术的发展提供了深入理解和实用的解决方案。