面阵激光雷达多通道时间间隔测量系统研制

为解决APD面阵激光雷达多路激光飞行时间测量这一关键技术,研制了多通道高精度并行时间间隔测量系统。系统硬件由研制的4个基本测量单元和1个数据打包单元组成,系统软件采用事件驱动模式编程,利用循环FIFO和中断技术实现与上位机数据通信。被研发的测时系统应用于5×5光纤阵列耦合APD面阵激光雷达试验后,面阵激光雷达所有25个通道最大的距离标准偏差为4.22 cm,测距偏差为-6.41 cm~10.58 cm,达到面阵激光雷达测距精度要求。     

盖革模式APD阵列激光雷达的三维成像仿真

基于盖革模式APD阵列激光雷达是一种非扫描三维成像激光雷达,为研究系统的三维成像效果,对该系统的三维图像进行仿真.首先应用光线追踪法构建三维场景;并对APD像元的探测概率和累积概率进行仿真,在此基础上给出对探测距离仿真的方法,得到激光雷达探测的距离像;最后通过坐标变换将距离像转化为三维图像,实现了三维场景重建.仿真结果...     

线阵扫描三维成像激光雷达系统

针对小型智能机动平台对三维成像激光雷达小型化、低功耗、高精度、快速成像的特定应用要求,基于集成激光器阵列和APD探测阵列设计并实现了12元线阵扫描三维成像激光雷达系统;基于高速数字处理芯片和高精度时间间隔测量芯片实现了并行高精度激光脉冲飞行时间测量和实时数据处理和传输。详细描述了系统原理、组成部分以及实验结果。实验验证该系统激光脉冲重复频率大于10 kHz,垂直方向激光单元角度间隔小于2.5 mrad,近距离距离分辨率优于2.4 cm,测量数据统计标准差小于1,各通道一致性良好。在高速水平扫描转动平台驱动下实现了室内三维场景重构以及高塔大视场远距离目标探测成像实验。     

基于APD面阵探测器的非扫描激光主动成像雷达

为了获得目标区域的高精度3-D距离图像,采用自研带读出电路的雪崩光电二极管（APD）面阵探测器组件,研制了一台非扫描激光主动成像雷达。雷达采用波长1.064μm脉冲激光泛光照射目标区域,APD面阵探测器组件接收目标漫反射激光回波信号,经信息处理获得目标区域3-D距离图像,对典型目标开展了3-D成像实验研究。结果表明,所研制的非扫描激光主动成像雷达可获得较好的目标区域3-D距离图像,成像距离达1.2km,距离分辨率为0.45m,成像帧频为20Hz。基于APD面阵探测器组件的非扫描激光主动成像雷达技术取得突破。     

一种少光子高精度多波束激光雷达系统及验证

介绍了一种基于8×8面阵SiPM（Silicon photomultiplier）的少光子高精度多波束三维成像激光雷达系统,并给出了激光测距的理论计算以及系统设计。从64波束线阵激光并行发射出发,采用线阵转面阵光纤的排布技术实现激光发射与探测器接收配准。设计了离轴三反的光学收发系统、超窄带滤波结构以及64通道高速并行读出电路,并搭建了激光雷达样机。实验结果表示,静态21 m测距下,64通道一致性较好,测距精度均达到1 cm,最大距离偏差为6 cm;三维成像中,分辨率达到512×512,成像时间100 ms,能够分辨15 cm不同目标,平面点云厚度为5 cm。     

一种共照射源超空间分辨率三维重建方法

受到制造工艺限制,现有的3D非扫描激光雷达APD阵列无法做到高度集成。为了提高3D非扫描激光雷达的空间分辨率,满足高分辨率空间采样需求,文中提出了一种共照射源3D激光雷达和2D探测器超空间分辨率信息获取方法。该方法使用高分辨率共照射源2D探测器对3D激光雷达进行辅助成像,将2D探测器得到的激光回波强度信息与3D激光雷达得到的目标深度信息进行数据融合,并对不同孔径的成像结果基于非相参合成孔径成像原理进行修正,实现超越3D非扫描激光雷达空间分辨率的目标三维重建。实验结果表明,该方法能够有效提高3D非扫描激光雷达的空间分辨率。     

基于点阵照明的APD阵列外差激光雷达外差效率的提高

当前研制的快速成像无扫描激光雷达系统由于激光器功率和信号损耗的限制,遇到了无法增大作用距离的瓶颈。结合光外差体制和APD阵列探测器设计的APD阵列外差探测激光雷达系统可以有效地解决这个问题。鉴于光学系统的外差效率能够直接影响外差激光雷达的性能,因此照明方式的设计是该套激光雷达系统的一个关键。经过分析,传统的直接扩束照明模式下系统的平均外差效率仅为10-5量级,远无法打到使用要求;因此提出了采用改进的点阵照明,并采用在阵列探测器前置微透镜阵列实现匹配接收的方式来解决这一问题。计算结果显示,经过优化后的点阵照明模式下的系统外差效率可达0.82,进而证明了采用点阵照明设计的APD阵列外差激光雷达系统的性能可以达到实用要求,为进一步开展APD阵列外差激光雷达的研究工作奠定了理论基础。     

基于APD阵列的闪光雷达光学系统设计

基于雪崩光电二极管(APD)阵列的闪光雷达是一种非扫描3D成像激光雷达,为实现APD阵列非扫描成像,设计了一套正交光栅衍射分光光学系统。利用伽利略望远镜对532nm脉冲激光进行准直扩束;针对APD阵列的特点,使用二维正交光栅和聚焦透镜对扩束光进行衍射分光,光斑经发射-接收分光镜和发射透镜后照明APD像元的瞬时视场;利用发射-接收分光镜使发射光路与接收光路分开。使用ZEMAX软件对准直扩束和衍射分光部分进行了仿真,并对发射和接收透镜进行了理论分析和计算。设计的光学系统符合32×32像元APD阵列成像的要求。     

用于汽车实时障碍检测的光学传感系统

介绍了几种用于汽车障碍物探测的光学系统。对于三维照相机系统、三维扫描激光雷达成像系统、一维扫描激光雷达系统及非扫描激光雷达成像系统的优缺点进行了分析比较。目前,最具实用价值的是一维扫描激光雷达系统。     

基于InGaAs单光子探测器的线阵扫描激光雷达及其光子信号处理技术研究

随着探测体系的发展,基于单光子探测技术的光子计数激光雷达受到了广泛关注,有效降低了系统对激光功率的需求,广泛应用在远距离测距及成像领域。针对激光雷达在人眼安全波段的工作需求,基于自由运转模式InGaAs/InP SPAD单光子探测器设计了一套多元收发的远程线阵光子计数激光雷达扫描成像原型系统,对探测器在日光背景下的探测概率影响因素展开了分析,配合主动淬灭电路设计及工作温度、偏压调整获得了系统的最佳工作点,并针对扫描视场中孤立目标特征采用了点云滤波及后脉冲预处理算法,将单个接收通道的原始数据率由200 kbps量级降低至小于1 kbps。与记录单次回波相比,单个测距周期记录四次回波可将有效数据量提升约5%。同时也对探测器的噪声及后脉冲等特性进行了分析。该系统工作波段为1 550 nm,探测器线阵规模可达到128元,激光重频为20 kHz,可在2 s内实现水平200°范围内的激光三维成像,作用距离>3 km。经过成像算法处理,该系统在日光条件下成功实现多距离目标三维成像,成像目标清晰。     

双通道接收的无扫描激光成像技术

比较了几种无扫描激光三维成像技术的优缺点,提出一种基于双通道接收的强度调制型无扫描激光三维成像技术,该技术具有成像速度快、精度高、可靠性好、距离远的特点。采用大功率脉冲激光器作为激光照射源,两路ICCD同时接收,双通道分光系统将接收回波分到两路ICCD,通过两路ICCD强度信息反演出目标各点距离信息。重点介绍了该项技术工作原理和实现方法,研制了原理样机,进行了成像实验,对成像结果进行了分析,实现了作用距离5.1 km、作用距离30 m时距离分辨率0.25 m的技术指标。     

阵列分束激光三维成像技术

针对现有激光三维成像中使用的面阵APD探测器相邻像元间隔较大,导致激光利用率低从而影响探测距离的缺点,提出阵列分束激光三维成像技术。该技术对激光发射源采用液晶空间光调制器进行衍射阵列分束,将一束激光分成与阵列APD探测器相应的阵列子光束,调整激光发射子光束和阵列APD探测器的位置,使得子光束照射目标后聚焦到阵列APD探测器的像元上,提高了整束激光的利用效率。介绍了阵列分束激光三维成像技术系统组成和工作原理,提出采用液晶空间光调制器的方法实现阵列分束的方案,研制了阵列分束激光三维成像原理样机,利用研制的原理样机对采用阵列分束后的效果进行了验证。实验结果表明,采用该技术后,采用峰值功率10 kW、脉宽8 ns的激光源,填充因子2/3的88 APD,三维成像作用距离达到510 m,同等条件下与不分束相比,作用距离提升39.1%。     

基于盖革APD阵列的微扫描激光成像技术

盖革APD阵列探测的激光成像雷达具有高灵敏度、高帧频、宽视场、坚固、体积小等优点,成为了激光成像雷达发展的趋势。但目前APD阵列像元填充比低,器件阵列少,无法满足高分辨率激光成像的要求。为了解决该问题文中提出采用激光点阵发射的方法与APD阵列像元一一对应,采用拼接技术提高成像分辨率,采用微扫描技术提高激光成像视场。通过构建实验系统,完成了室外试验,成像效果良好,使用现有APD探测器（3232）将系统空间分辨率提高了四倍（6464）,提高了激光三维成像能力。     

军用激光雷达的发展趋势

以高技术战争应用为背景，论述未来军用激光雷达发展的主要趋势：不断探索新的雷达体制，包括激光相控阵雷达、目标成像识别激光雷达、动目标指示激光雷达、激光合成孔径雷达和非扫描激光成像雷达等；远程应用仍将是激光雷达研究工作的追求目标；向多传感器集成和多功能一体化发展；二极管泵浦的固体激光器及其泵浦的光参量振荡器将成为激光雷达的主流辐射源。     

非扫描脉冲成像激光雷达灵敏度方程

非扫描成像激光雷达是激光雷达的重要发展方向之一.激光雷达的一个非常重要的性能指标就是给定条件下的最大探测距离,这需要通过激光雷达灵敏度方程对其进行计算.分析了脉冲直接探测的非扫描成像激光雷达与扫描成像激光雷达的不同,介绍了增益调制型非扫描激光雷达系统构成及成像原理,并给出了基于像增强器型CCD(ICCD)能量积分器件作为探测器的该激光雷达成像中的信号和噪声.最后,提出了一种基于对比度和图像信噪比的增益调制非扫描成像激光雷达灵敏度方程.     

增益调制非扫描激光雷达测距精度的理论分析

非扫描成像激光雷达是激光雷达重要发展方向之一.介绍了增益调制型非扫描激光雷达系统的成像原理.根据该激光雷达的成像原理可以得出,脉冲宽度和背景光积累将会对激光雷达的测距精度产生较大影响.分析了脉冲宽度、回波展宽以及背景光会对距离精度产生的影响.在考虑脉冲宽度和背景光积累,忽略其他噪声和目标表面粗糙度的情况下,对大气传输和目标对回波脉冲展宽的影响进行了分析,对增益调制型非扫描激光雷达在不同的系统及目标参数情况下的回波波形和测距精度进行了仿真计算,为系统性能参数的选择和距离图像的后续处理提供了理论依据.