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面阵成像三维激光雷达.pdf

面阵成像三维激光雷达.pdf

上传者: sky051525 2012-02-24 评分 5 0 118 16 538 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《面阵成像三维激光雷达pdf》,可适用于高等教育领域,主题内容包含浙江大学信息科学与工程学院博士学位论文面阵成像三维激光雷达姓名:姜燕冰申请学位级别:博士专业:光学工程指导教师:严惠民浙江大学博士学位论文摘要人类对符等。

浙江大学信息科学与工程学院博士学位论文面阵成像三维激光雷达姓名:姜燕冰申请学位级别:博士专业:光学工程指导教师:严惠民浙江大学博士学位论文摘要人类对于信息捕获技术的探索是无止境的面阵成像三维激光雷达技术作为一种能够快捷、准确地获取大信息量三维信息的重要技术在军事领域、国民经济建设领域、农林生态领域等都可以得到广泛应用。而目前面阵成像三维激光雷达还处于发展之中其理论模型还没有建立完善其性能尚未完全满足各方面的应用需要。本论文围绕着提高性能为主题在面阵成像三维激光雷达系统的噪声理论模型、高效率光学系统、三维分辨率的相互影响等方面进行深入的研究。本文的主要研究内容和创新点如下:以典型的面阵成像激光雷达结构为基础通过对各个工作过程中引入噪声的分析建立以ICCD为核心探测器的面阵成像激光雷达的完整噪声模型在此模型的基础上分析了噪声模型对测距精度的影响提出了面阵成像激光雷达的体分辨率概念得到了描述面阵成像激光雷达性能的能量观点并指出提高雷达性能的途径和研究方向。提高光学系统的效率是提高面阵成像激光雷达的性能最有效途径之一因而着重进行这方面的研究。率先采用总相对精度作为评价函数分析照明的光强分布对雷达性能的影响发现在出射总能量一定时均匀化照明能使时达到最好的总相对精度将比整形前厄米高斯型能量分布的照明效果降低%的总相对误差。对半导体激光器堆叠的高效率均匀化照明方法进行深入研究。提出基于倾斜多高斯模型光束的均匀化照明方案对倾斜多高斯光束的理论进行分析给出其平均光强解析表达式发现这种光束在远场传播过程中可以保持平顶特性非常适合用于远场的均匀化照明。采用时域和傅里叶频域相结合的分析方法阐明影响该模型光束照明均匀性的参数和影响规律。提出半导体激光器光束整形成倾斜多高斯光束的光学设计方案并在光学模拟计算中得以实现结果显示:在现有的半导体激光器堆叠的误差失配下该方案仍然可以达到%的均匀性和%以上的整形效率。提出基于混光筒的均匀化整形方案经过光学软件的验证其均匀性和效率分别为%和%.提出基于复眼透镜的均匀化照明方案经过光学软件的验证其均匀性和效率分别为%和%。研究接收光学系统对于雷达性能的影响因素给出高效成像光学透镜和中继透镜的结构和关键参数。研制用于光纤标定用途的低成本、高可靠性的光纤耦合系统。浙江大学博士学位论文在搭建新型面阵成像激光雷达的基础上研究光学传递函数对于系统性能的影响。首先利用特征目标图像的刀口像法测定系统的光学传递函数利用测定的光学传递函数从理论上分析点扩散函数对测距分辨率的退化作用分析结果与实验获得的测距分辨率的实际退化相一致。通过分析发现在现有器件的光学传递函数水平下对城市和常见目标进行适当的多像素binning可以有效提高测距分辨率且不降低目标在距离图像中的空间分辨率。利用多重复特征目标法进行户外实验测定新型面阵成像激光雷达的测距分辨率在m到m的选通距离内为.m到.m。发现基于强度的面阵成像激光雷达因受限于量子散粒噪声其测距分辨率与目标距离、目标本身特性等的有关其关系符合本文提出的面阵成像激光雷达的噪声模型。关键词:成像激光雷达噪声模型均匀化照明光束整形半导体激光器堆叠光学传递函数空间分辨率测距分辨率浙江大学博士学位论文AbstractInformationcapturetechnologyisallendlessexploration.TheArrayImagingThreeDimensionalLadar(ADL)techniqueason.eofmostattractiveinformationcapturetechnology,hasacapabilitytoprovideprecisionandrapidcaptureofvastDinformation.ADLtechniqueishighlysoughtinawidevarietyofapplicationsinmilitary,nationaleconomicconstructionagriculturalecology,etc.However,therearestillmanyproblemsdesideratetobesolvedtomeetthestrictrequirementsofapplication.IntheviewoftheoreticalresearchandpracticalapplicationthenoisemodelandthewaystoimproveDresolutionperformancearestudiedthoroughlyinthisdissertation.Themainresearchedcontentsandtheirachievementareasfollows:OnbasisoftheprototypicalADLthenoisesfactorsandsystemerrorfactorsfromeachdetectionprocessareanalyzedtoestablishnoisemodelofADL.ThenoisemodelisusedtoanalyzetherangeresolutionofADL.Itisfoundthattheenergyreceivedbythedetectorslimitstheresolution.TheresearchresultsindicatewaystoimprovetheperformanceofAlDL.OneofthesolutionsiStoenhalicetheefficiencyoftlleopticssystem.Evaluationfunctionoftheilluminationeffecttorangeresolutionisproposed.ItisfoundthatuniformilluminationCanreducethetotalrelativeerrorby%comparetoGaussianirradiancedistributionofthesametransmitenergy.Beamshapingmethodofuniformilluminationforlaserdiodesstackisstudied.AbeamshapingmethodbysuperpositionoftiltedfundamentalmodeGaussianbeamstoformanearlyuniformilluminationisproposed.TheanalyticalformulaforaverageintensityofthemultitiltedGaussianbeams(MTGB)propagatingisderivedandusedtostudytheuniformpropertiesofthebeamprofilebytheFourieranalysismethod.ItisfoundthattheMTGBmaintaintheflattoppedshapeasitpropagates.AndtheuniformpropertiesoftheMTGBarecloselyrelatedtotheparametersoffundamentalbeamsandsuperposition.Bothanalyticalformuladerivationandthenumericalexamplesareillustrated.Theopticaldesignisproposedindetail.Theresultsshowuniformitybetterthan%andashapingefficiencyabout%ontheconditionofpresentlyLDstackriggingerror.TheuniformilluminationmethodforLDstackbasedonlightpipeisproposedsimulationresultsshowed%uniformityand%shapingefficiency.AnotheruniformilluminationmethodforLDstackbasedonfly’SeyesisproposedandprovedinASAPsoftware.Theinfluenceofthereceiveropticsincludingimaginglensandrelaylenstoresolutionisanalyzed.ThestructureandparametersofhighefficiencyV浙江大学博士学位论文imaginglensandrelayslensarepresented.Alowcostopticalfibercouplingsystemusedforfiberaccuracycalibrationisdeveloped.AnovelpulseshapefreeADLisproposedanditsexperimentsystemisintroduced.Theeffectofopticaltransferfunctiontorangeresolutionandspatialresolutioninrangeimagesarestudied.TheedgeresponseisusedtocaculatedModulationTransferFunction(MTF)oftheADLsysteminoutdoortest.TherangeresolutiondegradationbyMTFinfluenceisprovedbytheexperiment.ItisfindthatthepresentsystemMTFisaboutp/mmandthesemakeproperpixelsbinninganacceptableapproachtoimprovetherangesolutionwithoutreducethespaticalresolutioninrangeimage.Therangeresolutionisevaluatedbymeasuringtheseveralrepeatableobjects.Theexperimentshowsthattherangeresolutionisaffectedbytheobjectcharactircsandobjectrange.Atagatedrangeofmtolmtherangesolutionis.mto.m.ItisanotherprooftothenoisemodelofAlDL.Keywords:imagingladarshotnoiseuniformilluminationbeamshapingLDstackMTFspatialresolutionrangeresolution浙江大学研究生学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果也不包含为获得逝婆盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名:骂荡让签字吼卅衫月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)v/学位论文作者签名:易琵让导师签名.乎笏妙签字吼砷年夕M.日签字日期:a一夕年夕月l占日浙江大学博士学位论文致谢首先衷心感谢我的导师严惠民教授。在我攻读博士学位的五年时间里始终得到了严老师耐心细致的指导和无微不至的关怀。严老师渊博的知识、丰富的科研经验、严谨的治学作风以及活跃的创新能力令我敬佩不已特别是他旺盛的工作热情和对科研事业的忘我精神更令我汗颜。严老师是我今后学习和工作中的榜样。学习工作生活中严老师及时的点拨、批评和教诲更将使我受益终生。特别感谢曹向群教授感谢他在学习和工作中对我的谆谆教诲和不断鼓励。曹老师学识渊博、作风严谨并富有创新精神年逾古稀仍活跃于科研教育第一线并具有着旺盛的科研热情令人钦佩不已是学者的楷模值得我终身学习。本论文的完成得益于曹老师的指导。感谢工程中心的陆祖康教授、王自强老师、陈钰清教授、林斌教授、倪旭翔副教授、王立强副研究员、袁波副研究员和石岩博士后多次学术讨论中的点拨、探讨和指导都使我受益匪浅.感谢已毕业的张秀达博士多年课题研究中的有益讨论、实验协作和大力帮助使我受益颇多他活跃的思维和极强的动手能力令我印象深刻。在课题的理论分析和实验过程还得到了汪龙硕士、尹圣宝硕士、高君效硕士、王启明硕士、赵伟博硕士、羊华军硕士、李燕硕士、姚金良硕士、李晖硕士的帮助在此向他们表示感谢。感谢实验室已毕业的杜艳丽博士、林云跃硕士感谢乔文博士、鲁微博士、上官王聘硕士、杨超硕士等师弟师妹感谢徐进博士陈浙泊博士、孙鸣捷博士、戚巽骏博士、郑华博士、汪洁博士、陈庆光博士、汪宏志硕士、王英男硕士、黄恩立硕士、马俊硕士、叶斌硕士等同学他们是学习和生活上的好朋友。感谢评审和评阅本论文的各位专家、教授谢谢他们提出的宝贵意见和建议。最后衷心感谢我的父母和家人他们对我一直以来的理解、支持关心和爱护使得我能够全力以赴地投入到学习和科研之中。我对他们始终心存感激祝他们健康平安!姜燕冰年月日于浙大玉泉第一章绪论第一章绪论激光雷达在英文中的单词为“LIDAR”是“LightDetectionAndRanging”的缩写也有叫“LADAR”是“LAserDetectionAndRanging”的缩写都与雷达“RADAR”源于“RAdioDetectionAndRanging”采用了同样的构词法。这类构词直接说明激光雷达与微波雷达的建立都是为了探测目标并捕获目标的距离信息【。激光雷达把雷达探测用的电磁波从微波波段延伸到光波段因其极短的波长可把测距精度提高到亚毫米量级‘。看似简单的改变却带来激光雷达系统许多新特征涵盖了发射源、接收器、调制解调技术、传播媒介特征、探测原理等各方面f】而另一个突出的特征是激光雷达的光学成像探测特性探测到的目标的成像三维信息不仅回答了探测目标的有无、远近还能解决目标是什么、怎么样的问题【。目前的一般面阵成像光学系统可以把物空间中物体的空间分布投影到成像面上形成一个二维分布是目前人类社会中使用最为广泛的信息捕获手段也是其中信息量颇为巨大的一种手段其应用已经充满了现代文明的每一个角落。而面阵成像三维激光雷达是面阵成像光学系统与测距激光雷达相结合的产物把成像系统中的获得二维分布结合雷达捕获的距离信息通过一个逆投影过程再现物空间的三维信息。其作为一种捕获目标物空间的三维信息的新型技术具有直接、快捷、准确地特点将随着人们对于信息探测的需求会获得大力发展。该技术可以在地质地貌捕获、农林植被三维特征捕获‘每】、水利电力设计、城市规划‘、军事目标识别及跟踪【】、飞行体防撞预警B等等领域得到广泛应用为建立城镇、地区、国家、地球的三维信息模型提供巨大的帮助。本博士论文研究面阵成像三维激光雷达技术主要就激光雷达性能的评估、性能影响因素、测距性能的进一步提高的途径和方法进行深入研究。本章作为导论部分将首先回顾该项技术的发展历程和现状然后再说明本论文的研究思路、展开结构及主要创新点.成像系统中捕获的图像也携带着目标的其他信息譬如光谱信息、颜色信息等对于真实重现物体也是重要的而本论文中仅仅关注目标的空间三维信息.浙江大学博士学位论文.激光雷达系统的发展和现状年世界第一台激光器发明成功【】使得利用激光作为雷达的发射源成为可能。这种极短工作波段能使雷达的探测精度提高两个数量级在军事和民用方面都有很大的应用空间因而不久各国陆续开展激光雷达的研究工作。图.是一种典型的单点激光雷达的结构图它由激光器、发射光学系统、接收光学系统、光电探测器、AD转换电路、信号处理模块组成。其工作流程如下:信号发生器控制激光器发射出激光信号激光信号经发射光学系统准直后照射到目标再经过目标反射、散射等作用后携带着目标的距离等信息返回到探测器通过接收光学系统采集到光电探测器转换成电信号最后经过对电信号的分析获取返回信号所携带的目标的各项信息。囹.单点激光雷达典型结构框图Fig.Diagramofsinglepointladar激光雷达的发展是以图.所示的典型结构为基本骨架以各个主要器件的不断进步为直接推动力不断提高激光的各项性能为目标在近年时间里获得了长足发展‘】。利用超大功率C激光器作为激光雷达光源的林肯实验室的Firepondlaserradarsystem利用能量为.mJ峰值Kw的激光脉冲采用多普勒测量法在年捕获Km远的AgenaD型火箭残骸并定位而后提高了激光能量可以测得Km远的激光地球动力卫星(LaserGeodynamicsSatelliteLAGEOS)。激光器的窄脉冲特性配和上快速响应光电探测器件以及精确计数器等则显著提高了单点脉冲测距的精度如我国上第一章绪论海天文台利用ps精度的计时器对AJISAI卫星测距获得cm的测距精度【J。半导体激光器的发展使得激光雷达功率发射费用成本大幅降低发光效率则提高至%左右促进了激光雷达研究的推广。年StreaktubeimagingLidar(STIL)条纹管成像激光雷达系统利用条纹管作为探测器件其探测参数达到在英尺的海洋水中l/英寸的精度并且成为从原理上第一款直接得到距离信息的三维水下成像系统简化了扫描型激光雷达的结构【。像增强器和CCD(ChargeCoupledDevice电荷耦合器件)、CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor互、金属氧化物半导体)等面阵探测器的出现使无扫描成像激光雷达技术获得了发展。出现了著名的Sandia国家实验室ScannerlessLaserRadar,NHK公司的DTV相机,等面阵成像三维激光雷达。以上的发展轨迹揭示了新型器件电光发射、光电接收、甚至是调制器件的引入都有可能促进激光雷达技术的发展因而长期从事激光雷达研究人员应对关键器件的性能和发展特别关注。激光雷达技术在发展的同时各类型激光雷达的优势也在不断的被挖掘应用较多分以下几类.水下探测激光雷达f卯由于蓝绿激光(波长为.伽.um)能穿透几百上千米的海水可以用于水下目标的监测和定位。激光雷达常用于海洋生物研究海底地貌勘探【海洋工程设施建设和维护作业军事监视识别和侦察水下目标发现搜索与援救探雷目标跟踪导航控制和目标识别【等应用。但由于水的强散射特性使得成像质量以令人惊讶的速度随着传输距离退化。解决的主要方法有空间域和时域避免的两类分别是窄视场扫描成像(典型的是激光线扫描成像LaserLineScanLLS)和脉冲照明接收门选通方式成像(gatedviewing)f羽。大气成分监测激光雷达【”因为被测气体对激光的散射、吸收、消光等物理作用存在通过定量分析激光大气回波来达到监测大气与传统的监测大气污染方式相比激光雷达具有实时性强、监测范围大等优点。以目前的研究论文数量看从事这种激光雷达研究的科研人员占激光雷达总研究人数的大多数。多普勒测风激光雷达利用运动平台与测量区域的相对运动的多普勒效应来探测云的运动状烈可以得到~米每秒左右的风速测定精度。另外一个大类是测距型激光雷达是本文关注的研究对象。根据获得目标信息的数量多少和实现方式不同把激光雷达划分为单点测距激光雷达、扫描三维激光雷达和面阵三维成像激光雷达三大类下面进行具体阐述和分析。浙江大学博士学位论文单点测距激光雷达具有测距范围远而测距精度高的特点主要应用于远距离单点测距中。早在年美国宇航局(NationalAeronauticsandSpaceAdministrationNASA)就利用红宝石激光器对卫星进行了探测其精度有m左右.近年来采用的多是Nd:YAG调Q激光器利用数百毫焦的高能激光脉冲和~lOOps的脉冲宽度其测距精度决定于万/Ⅳ其中万为捕获的脉冲宽度而N为捕获的光电子数目而捕获的脉冲的宽度除了依赖于发射脉冲宽度也还依赖与接收光电探测器的响应频率测距精度目前在厘米和毫米级别.也有利用半导体激光器进行伪随机调制再利用最大似然函数进行解调的测距方法测卫星的精度也可达lcm左右,】。目前卫星高精度定位定轨我国的天文台激光测距的精度已经可以达到毫米量级。近处测距采用多普勒测距方法可以获得目标的运动特征调频方法的引入可以提高连续波测距的精度如美国军事研究实验室(ArmyResearchLaboratory)研制的一种新的光电混频的方法开发一种无扫描的FM/CW激光雷达【在m测距距离时能达到.mm的测距分辨率。民用领域已经可以购得测距范围几百到上千米测距分辨率小于lm的脉冲型激光测距仪以及测距分辨率达到ITIITI级别的测相型连续测距仪。单点测距激光雷达技术发展最为悠久的针对不同种类应用发展最为全面以后发展趋势主要集中在性能提高、成本降低而在方法上改进不多。而且只捕获单点的距离信息信息量不够大从而应用范围受到限制。为了能够捕获目标上多点的距离信息出现了扫描三维激光雷达。其工作原理是利用单点测距的激光雷达在成像面上进行二维扫描而获取目标的三维信息。由于探测器的单一性特性以及往返时间占据了长距离测量过程中大部分时间从而在远距离无法提高点扫描速度从而实时性差。美国陆军研究所在作用距离为米的作用范围探测一幅分辨率只有图像时间需要秒【】。国内国防科技大学在年前后研制的单点测距二维扫描三维激光雷达在作用距离为米时以帧的速度形成分辨率【。目前脉冲扫描速率在KHz量级左右测量距离一千米附近测量精度O.米的单点测距扫描激光雷达国外有产品供应。也有用连续波扫描的方式例如德国和美国的研究人员在年时报道了一种面形成像扫描激光雷达采用双频率差分测距法和度视角旋转扫描镜(rps)测距m时精度达到了mm用作实地三维建模和煤矿地道、地铁隧道等的轮廓捕获【l其技术难点在于高频调制和APD的信号提取。扫描三维激光雷达技术相对成熟优势在于测量时对每个点进行采样能量集中从而具有高的距离分辨率。缺点是扫描装置结构复杂回波的延时会使整帧图像捕获时间增长空间分辨率第一章绪论局限性大对于远距离的目标很难实现实时高分辨率面阵三维距离的信息捕获。面阵三维成像激光雷达的出现很好解决了高分辨率三维信息的高帧率捕获难题成为目前大信息量、实时三维测距的有效手段。其主要特征是利用面阵探测器技术。因为没有扫描结构所以整机的结构紧凑外形尺寸小因为对目标各点进行同时捕获帧率不会受到分辨率和测量距离的限制。从原理上具有获得X以上像素图像和视频帧率输出的优点从而非常适合成为实时捕获三维信息的工具。是目前激光雷达探测的发展的一个重要方向。该项技术的应用范围非常广泛应用前景远大。目前出现较多的是科学探索和军事应用方面。在空间探索方面NASA目前大力研究的自动高精度着陆障碍避免技术正在研制一种对于目标高度的测距精度为厘米量级、测距范围在m左右的成像三维激光雷达用于月球车等器件规避着陆危险,。Sandia国家实验室的无扫描成像激光雷达应用于航天器的隔热层的损坏的快速检测【。军事应用方面主要应用有如飞行器的近地导航f目标去伪装侦别【卯三维目标锁定等方面。年美国空军怀特实验室(WrightLaboratory)就开始研制LOCASS成像激光雷达导引头技术已经被移植到巡逻攻击导弹(LAM)上执行监视、目标报告、战场毁伤评估和末端精确攻击任务。在国民经济建设中的农业、水利电力设计、公路铁路设计、国土资源调查、交通旅游与气象环境调查、城市规划等领域都可以得到广泛应用。如林业部门通过三维成像激光雷达探测树木的覆盖率树木的成材率【】等信息用于进行经济开发和调控治理在水利项目中激光雷达技术可以用于河流监控与治理可以根据测得的地貌三维信息直观预判水位高低对周围地区的淹没情况有利于水利部门进行有效的水利工程设计和水灾防治工作在电力输送、输油管铺设、公路和铁路设计项目中地貌三维信息获取的准确性和及时性将极大地决定方案成本、施工难度。在文化艺术领域三维摄像的捕获对于构建真三维和后期的电视节目制作有帮功,,,。在艺术品文物保护方面可以利用面阵三维激光雷达可以进行无接触测量并获得文物的外形的精确尺寸【。综上所述由于三维成像激光雷达技术在众多领域具有巨大的应用潜力及实用价值研制出具有高精度、大探测范围、实时的面阵三维成像激光雷达装置并将其投入于实际应用中必能给相关的领域研究带来重大的便捷之处以及给相关的产业带来重要的技术突破由此带来的重大的经济效益及社会作用绝不容小觑。浙江大学博士学位论文.面阵三维成像激光雷达技术这一部分将着重分析目前的面阵成像三维测距激光雷达的具体方案和系统实现以理解面阵成像激光雷达技术的现有技术寻求研究方向和突破口。自上世纪年末开始基于对快速捕获三维信息的需求以及激光技术和面阵光探测器技术的逐渐成熟面阵激光雷达技术因为其具有捕获速度快、信息量大结构紧凑可靠等特点逐渐成为研究者关注的对象主要优势是因为采用二维探测器阵列作为接收器同时捕获成像面的大量三维信息且不需要等待与所测像素点的倍数成比例的采集时间可能实现快速大图像分辨率的三维探测。根据二维面阵探测器的类型不同可以分为直接探测阵列和间接探测阵列。直接探测器阵列技术主要是以能够直接测量每点距离信息的列阵。Fibertek有限公司的RalphaBurnham在年介绍利用像素的探测器阵列(multipixelintensifiedPhotodiodeIPD)通过三维距离信息来进行百公里以外的目标角度识别应用【利用.ns的nm激光脉冲可以达到cm的测距分辨率.测距分辨率主要依靠对每个激光脉冲达到的时间进行鉴别需要对应于每个像素的探测具有一个高达GHz带宽的鉴别电路因而高像素的集成化是个大问题。洲lPOdetector/飞一一训L.toSystemProces,sorrange晰MasterFPGAs雒眦storageMuraplexer.妪一d.叼t柚$i鲫ai图.Fibertek公司采用的IPD测距单元电路Fig..SchematicdiagramofmuitipixelreceiverforIPDfromFibertek,Inc.美国的林肯实验室一直致力于采用盖革(Geiger)模式的APD测距单点模块构建的APD测距阵列【.制成的可以在米获得厘米的测距精度.利用每个APD的单元直接获得其时间延时不需要进行强度计算直接捕获到达的时刻信息。目前这第一章绪论种APD阵列已经达到了像素但是该方法受限于目前的工艺水平而且测距精度也受制干单点测距模块的互相串扰的影响该影响是由于各个单元之间的光电子串扰目前还无法消除【耐。这种阵列的像素分辨率一般小于万像素所以当需要获得大分辨率图像(万像素以上)时仍然需要配合扫描装置【I.刚嫉酣肯髫嚣裟裂勰豁搿鼍爹帆辅扪“媳素分辨率的三维图像测距精度在到厘米Fig.】APDGeigermodedetectionmodulesfromI。incolnLaboratoryAD】magewith一pixelofacarmaway,therailgeresolutionisaboutandera间接探剥器阵列技术以CCD.CMOS等二维探测器阵列为基础通过调制探测激光的信号和接收器前的光调制器件进行调制解调并获得距离维信息像素间信号qzf存在串扰具有阵列像素大、光能利用率高且探剥精度较高。目前能够在大视场下保持调制特性一致的光调制器件主要是指阻微逼道板为基础的像增强器件。并因调制解调方法不一样形成了多种实现方法。根据接收门的开关时问特性分为连续测量洁和门选通测量法。连续测量往目前主要有两类一类是基于光强型强度调制相位相关法另一类是采用基于采样原理的距离映射法.对第一类影响深远的是美国Sandia国家实验室。这个实验室自上世纪九十年代始开展了一系列的的无扫描器三维主动成像研究,。该方法采用正弦调制分别调制激光器的发射激光幅度和像增强器增益幅度使其具有固定的初始相位差从目标返回的光信号携带了与距高相关的相位延时:p=脚/c(I)淅Ⅱ走学博士学位论文其中f为调制频率而R为剥量距离c为光速返回的信号同样与像增强器具有固定的相位延时在相关捕获后即在CCD上获得了跟相位差相关的强度值。经过三次或者四次移相测量可以解除相位差再通过公式求出距离信息。年采用连续输出功率为W的半导体激光器为光源能够以Hz的帧率成x分辨率的图像米内测距精度为.毫米I“I如图.所示是其系统结构图和对航天太阳能电池板变形的测量结果。以此方法为基础发展出一个系列连续相关测矩激光雷达。如利用幅度的调制作用来压制与信号无关的背景噪声的水下测距擞光雷=遮|”J。国内浙江大学成功研制了方波正弦幅度调制型面阵成像激光雷达和正弦半波幅度调制相关法方案原理上可以提高剥距精度”oI.但目前受制于大功率激光器和像增强器的高频调制技术获得的宴际测量精度还无法进一步提高。叭““““”““i嫠i黎.鬟飞机太阳姚弛扳三雏形娈测量。粕精度达到毫米盹““flonisnt。he。por“inci。pl。eof裟翟曼器兽要!萎然:兰:囊鬈:黜““”““”第二类连续型方法是基于采样原理的距离映射法最先提出的是日本JapanBroadcastingCorporation(日语为NipponHosoKyokai简称NHK)公司自年始开展的一系列DTV相机研究Z。该方法也是依照不同距离目标的返回时间延时不同而采样获得的目标图像强度不同来宾现。如图.所示方集原理发射激光是一个窄脉冲激光脉冲而以等腰三角形的形状进行对像增强器进行幅度调制返回的窄脉冲对像增强器的增益进行采样并获得与往返时间相关的强度值但该方案对线性调制要求严对采样的时域特性讨论局限性大。要求激光的脉宽在亚纳秒或者纳秒且具有几十兆的重复率大功率半导体激光器的高频调制技术难度高探测距离无法提升目前还处于近处三维TV摄像机的实验阶段没有远距离三维成像实验结果。最新系统的像素数目为x第一章绪论帧率为fps利距精度为.毫米Obj氍ts目l增益调黼型AxiVisioncamem系统框图Fig,】DiagramofgainmodulationAxiVisionCamera连续测量方法的好处在于技术探测速度快、测距精度高。这些方法遇到的困难是在测量远距离目标时由于后向散射干扰遣成噪声急剧增加信号光容易被阳光等强背景辐射干扰导致信嘿比急剧降低等因此该方法的最大探剥距离通常在几来到几十米。门选通接收方法起初是为克服后水下激光强烈的永媒夼后向散射而提出的"“随着空气中剥量距离的不断增大为了克服空气中的后向散射现象以及抻制背景噪声门选通方法近年来重新成为激光雷达领域研究的热点并发展迅速.最初的f选通方法仅仅是采用纳秒级别的高能量窄脉冲照射目标在期望距离的时间延时后打开与激光脉宽相近的接收门(门选通技术)经过像增强器增强后在CCD上获得探测视场的图像.问题在于一幅图像内的距离信息只有一个粗略的选通距离不能给出对图像内每个像素点上距离信息。后续的改进中通过多个门控接收器得到多幅图像来提高距离分辨率和图像信噪电但距离分辨率不高的难题没有在根本上解块同时增加了设备的复杂度和成本.是一种只能获得粗略距离信息的三维成像澈光雷达技术.年丹麦Andersen等人进行了时问切片技求(币meSlicing)的门选通型三维激光淅Ⅱ^学博学位论文雷达系统研究脉冲皮秒级脉冲激光和皮秒级门选通多幅距离图像叠加的方法在米处实验结果如图.右图所示【埘。年时采用更短的脉冲激光来处厘米景深有毫米的精度并可以在晴朗正午太阳直射背景下获取精确获取三维信息其缺点是每获取一幅三维图像需要幅强度图像台成使得三维图像的输出帧率阵到了l帧每秒ml其精度能提高到好于脉冲宽度和门选通宽度对应的时间长度其原因来之于多幅图像的平均作用。这是一个极大的进步井以此揭开了超分辨率的门选通成像激光雷达的研究的序幕.图l丹麦防务研究室的”时间切片法”三维测距激光雷达Fig‘‘TimeSlicing'’DimagingladarformDanishdefenseresearchestablishment此后年法德圣路男士研究院的Laurenzis等人展示了一种超分辩率距离映射门选通型三维成像系统。研究人员利用us的宽接收门方波去接收us的半导体激光器脉冲方渡接收的卷积过程使得不同时刻逗回的信号的强度与距离具有如图所示的形状而通过三幅不同距离选通成像在同一位置形成两次喔度值通过两者之间的比值可以获得其在距离选通门内的具体位置。在待测场景的景深米测距精度为米图像分辨率x分别在米.米、米处门选通来获得强度图进行计算后获得米到米的距离图像测距精度在米左右”。RUmmmmm*%n口g口{!t第一章绪论LaserIntensityl(t)网SensorGateG(t)兰旺拥.RangeIntensityProfile图.德法圣路易士研究院的超分辨率门选通面阵成像激光雷达测距原理Fig..TheprincipleofsuperreolutongatedviewingimageladarfromFrenchGermanResearchInstituteofSaint.Louis.论文的立论依据通过对当前激光雷达主要技术方案的现状讨论可知扫描型测距激光雷达由于扫描速率低需要大量的数据处理和较长的回波等待时间从而不易实现远距离快速大信息量三维信息捕获。作为直接探测阵列面阵激光雷达技术的关键器件一一直接探测阵列探测器目前还没有大像素分辨率的成熟产品出现。相反作为间接探测阵列的关键器件一一McP像增强、CCD以及ICCD都具有成熟的产品且像素尺寸可达到百万像素级别并处在不断的发展中因此间接探测阵列面阵成像激光雷达技术成为在目前条件下最有可能实现的大空间分辨率的快速、准确的三维信息捕获技术。从现有的技术方案来看间接探测阵列面阵成像激光雷达技术的测量理论方法也初步具备。近处目标可采用连续测量方式获得大像素高精度的三维距离信息。对远处目标可采用门选通、甚至是超分辨率门选通测量方式来捕获大量空间信息和距离信息。总之无论从面阵成像三维激光雷达的固有优势还是从目前探测理论的发展、光源和探测器相关技术的进步来看面阵成像三维激光雷达技术是最有可能满足快速三维信息捕获的激光雷达技术。另外一方面面阵成像三维激光雷达技术在科学探索和军事应用方面如机器视觉、目标识别和跟踪导向等在国民经济建设中的农业、水利电力设计、公路铁路设计、国土资源调查、交通旅游、气象环境调查及城市规划等领域都可以得到广泛应用其捕获的大数据量的三维信息有利于城镇、地区、国家、地球的三维信息模型的建立从而能够为人类在三维空间内合理规划和利用地球资源提供巨大的帮.功,s.浙江大学博士学位论文目前远距离面阵成像激光雷达技术正处于一个发展的关键时刻超分辨率门选通概念的兴起大大促进远距离探测精度的提高而实时性的远距离高分辨率成像激光雷达技术的研究还处于起步阶段进行远距离高分辨率面阵成像三维激光雷达系统研究对于推动我国的激光雷达技术的发展对掌握成像激光雷达的关键技术都有巨大意义。因此无论是从激光雷达的发展条件和趋势来看还是从国内外对于高性能三维信息捕获技术的需求来看以及从目前的超分辨率门选通激光雷达研究契机和对我国激光雷达技术的促进作用来看进行面阵成像三维激光雷达研究并不断提高其性能是一项可有所作为且意义巨大的研究课题也基于此原因本课题组即将获得国家计划目标导向项目(AAl)的资助。.论文的研究内容面阵三维成像激光雷达技术在捕获三维信息方面具有实时性强、信息量大、平台依赖性小的优点各国研究人员都积极尝试各种方法来实现测量、并尽可能地提高测距精度和测距范围。本论文研究主要围绕着激光雷达性能的进一步提高的途径及方法这条主线展开研究工作。论文的主要研究内容有:.研究基于激光器、像增强器和面阵CCD典型结构的面阵成像三维激光雷达系统详细分析测量各个过程中噪声引入对于最终测量精度的影响重点考虑了关键器件的噪声影响最终建立了完整的噪声模型。基于该噪声模型系统得到了限制信噪比提高的主要因素分析超分辨率门选通测距激光雷达的测距分辨率指出提高新型面阵成像三维性能提高的途径。.面阵成像高效率光学系统的研究。分析照明能量利用率和照明质量对于激光雷达系统测距精度的影响建立面阵激光雷达照明质量的评价函数。深入研究了半导体激光器堆叠的大视场均匀化照明方法提出一种基于倾斜多高斯光束模型的大功率半导体激光器堆叠的均匀化照明方法并设计了光学系统把能量的利用效率从现有的%左右提高到%左右。同时提出了基于混光筒和基于复眼柱面透镜阵列的均匀化照明方法并在光学软件中进行模拟验证。研究接收光学系统的高效率设计的必要条件以提高有效接收能量。研制可靠的光纤耦合系统以用于光纤标定测长实验。第一章绪论.搭建脉冲无关型面阵成像三维激光雷达系统并对远距离目标场景进行测距成像测量实验具体分析其空间分辨率和距离分辨率。具体研究系统光学传递函数的测量方法分析光学传递函数对于测距分辨率的退化作用。通过多组重复特征目标的精度测量实验测得面阵成像三维激光雷达的测距分辨率与目标距离、反射率等特性的关系验证了噪声模型的正确性。针对以上研究内容论文的主要创新性进展有:.建立了完整的基于ICCD的面阵成像激光雷达噪声模型指出提高面阵成像激光雷达精度的研究方向并通过多重目标法测定了目标的测距分辨率和目标特性的关系验证了噪声模型的正确性。.新型高效率半导体激光器堆叠的均匀化照明方法。首先提出了照明能量强度分布对面阵成像激光雷达测距精度影响的评价函数提出了倾斜多高斯模型光束基于该模型光束提出并设计了半导体激光器堆叠的均匀化整形照明方法光学仿真计算结果表明在现有的半导体激光器堆叠装配误差下仍然可以达到%的均匀性和%的效率较一般均匀化方法的效率提高.倍左右。.通过对新型面阵成像激光雷达系统空间分辨率的分析和实验测量发现在目前系统的光学传递函数限制下对激光雷达图像进行合理的多像素binning可以提高测距分辨率同时仍可保持距离图像中目标的有效空间分辨率。.论文的基本结构第一章介绍论文的研究基础介绍激光雷达的发展和现状并对面阵成像三维激光雷达的国内外系统进行具体介绍和分析给出了论文的立论依据明确论文的主要研究内容总结创新点.第二章从激光雷达的典型结构入手逐步分析各个模块对于激光雷达测距精度的影响从光电探测器的噪声模型着手建立面阵激光雷达系统的噪声模型.第三章面阵三维成像激光雷达的光学系统研究.分析均匀化照明对于面阵成像激光雷达系统的必要性。深入研究半导体激光器堆叠的高效率均匀化照明方法提出三种均匀化照明方法:基于混光筒的光束均匀化照明整形方案基于复眼的光束均匀化照明整浙江大学博士学位论文形方案基于倾斜多高斯光束模型的均匀化照明整形方案。同时阐明高效率光学接收系统的必要条件。介绍研制的用于光纤标定测长的光纤耦合系统。第四章介绍搭建的脉冲形状无关法面阵成像三维激光雷达系统在该实验系统的基础上从理论上对光学传递函数和测距分辨率和关系进行研究通过特征目标的刀口像法实验测定了系统的线扩撒函数并验证其对于系统测距分辨率的影响。通过多重复目标法测定了测距分辨率与目标特性、距离的关系。第五章对已做工作进行总结对论文的创新点和所做工作的优缺点进行讨论提出进一步的研究方向。第=章i《成懔二镕赢光雷进的噪声模型与性能提高造径第二章面阵成像三维激光雷达的噪声模型与性能提高途径面阵成像三维激光雷达的测距的性能有许多指标如测距精度、作用距离、空问分辨率等这些指标不仅仅决定于剥距原理也决定于关键器件的噪声特性。为了得到高性能的面阵成像激光雷达有必要深入分析MCP、CCD等器件的噪声原理建立起激光雷达系统的噪声模型。本章从分析面阵成像三维激光雷达的典型结构入手遂步分析噪声『入的原因和机理最终建立总体噪声模型基于该噪声模型对现有面阵成像擞光雷达的测距方寨进行分析并对脉冲形状无关面阵成像激光雷达的性能进行研究。.面阵成像激光雷达的基本结构及激光雷达方程Il面阵成像激光雷达的基本结构基于像增强器的面阵成像三维激光雷达的典型结构如图所示激光器发出的激光经过整形照明系统照射到目标物体上.经物体反射后经过将接收光学系统采集成像于MCP的接收面上转变为电子柬经过MCP的二次电子倍增作用倍增后的电子打到荧光屏上电致发光重新转化为光信号经过中继光学系统到达CCD接收屏上获得强度图像。再通过获得的强度图像经过相应的解调方法获得距离信息。目前出现的以此器件结构为基础的面阵成像激光雷达剥距原理上的不同仅仅是激光器和像增强器调制解调的方式不同。lrnnshDh,ago田I面阵成像三维教光雷遮的结构框图Fig.IArrayImagingDladardiagramCCD^nm..激光雷达方程首先根据成像光学系统的光照度模型推导激光雷达方程了解能量在激光雷达测.距中的传播过程。图.成像激光雷达的能量传播模型Fig..Thepropagationofopticalenergyinima西ngl洳如图.所示激光器的发射功率(辐射通量)为只照明光学系统耦合效率为现’目标所在的照明面与系统距离为R空气透过率为f视场角为%照明面s上的照度为:E。=墨竖()(R.协(等咖假定物体为漫反射体面积为谢且反射率为成则相应的亮度为:..一一EodApo.e:一Eot()一一=一一。L。一础石枷万万絮兰嚣篇篇篇篇誊纂’淼弦条件。物方的孔径角度为u像方孔径角度为u’’厩保无予尔现逻迎加~“”‘的口径为。物方孔径角u:旦R弧度其中像面。。的大小为徼通道像增强的口径’设为第二章面阵成像三维激光雷达的噪声模型与性能提高途径D,r。=mm。那么成像面轴上像点获得的辐射照度为:Er=君Trrl,mzrLoU=笋研M万:二:万Ptrl,trPo(爿D=三警()则到达像面的总的功率为:e=学也是面阵成像三维激光雷达系统讨论中经常提起的激光雷达方程。(.)上述整个激光雷达的工作流程和能量传播过程中每个过程都伴随着噪声的引入和信号的衰减最终或多或少都会影响到最后的测距精度、分辨率以及作用距离等激光雷达性能。下面将依次分析上述过程的噪声借用非序列光学设计中光线属于光学元件的思想采用噪声依附于器件的思路进行讨论。.面阵成像激光雷达的噪声模型..激光器大气媒介中工作的激光雷达采用的激光器波长主要选择在大气透射窗口。C激光器的输出谱带非常丰富主要波长在~llum是目前输出功率最强的激光器连续输出功率已达数十万瓦脉冲功率密度达百亿瓦级别而且能量转换率高达到%.%是能量利用率最高的激光器之一。主要适用于相干激光雷达如林肯实验室的Firepond激光雷达和用于机载的相干雷达【】。固体激光器主要的特点是输出能量大峰值功率高

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