三维成像激光雷达线阵探测模式分析

以三维成像激光雷达对地面车辆目标探测为应用背景,采用线阵光电探测器并行接收的新体制来提高对目标成像的速度和实时性。按照对目标照射的激光辐射形式,总结出两种线阵探测模式：一种是激光多束发射模式,另一种是激光泛光发射模式。对这两种模式的机理、实现方式及优缺点进行了分析,并分别建立了两种模式下的激光雷达探测方程。采用信噪比和测距精度来分析两种模式的探测和测距性能。分别推导出了两种模式下信噪比与距离,发射功率与距离的关系表达式并进行了仿真。仿真结果表明,在相同距离和发射功率下,激光多束发射模式的回波信噪比更高;在相同距离和测距精度下,激光泛光发射模式需采用更高的发射功率。     

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。     

一种用于激光告警的PIN面阵探测系统设计

针对激光告警技术中面阵成像探测方式容易产生漏警、虚警以及信号处理难度大的问题,提出了一种基于触发器阵列锁存的PIN面阵探测系统设计方案。该系统以触发器为基本单元,同时在PIN面阵探测电路的输出端设计了信号锁存阵列,可将来自PIN面阵探测器所有通道的输出信号同步锁存,并设计了读取电路将锁存阵列中的面阵数据以串行数据的形式输出。采用FPGA搭建了阵列规模为8×8、角度分辨率为6°的信号锁存阵列和读取电路进行了试验验证,结果表明该方案可以实现高分辨率激光告警功能。     

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。     

基于国产三代微光ICCD探测器的三维激光成像雷达

针对高分辨、高帧频激光三维视频成像问题,基于国产三代微光像增强器,采用线性增益调制单ICCD成像方法,建立激光发射功率和成像距离的数学模型、测距模型。考虑激光光源功率波动、脉宽误差、同能量脉冲误差因素,对三维成像测距误差进行分析,得出远距离高精度三维成像的解决措施。开展单ICCD增益调制激光三维成像雷达工程样机研制,并进行外场成像试验,结果表明该激光三维成像雷达具有25 Hz帧频、720×576高分辨率,220米外测距精度优于001m,实现对目标的三维成像,验证了分析与措施的有效性。     

倒装焊组装的光电混合集成RCE探测器面阵

报道了一种可用于并行光传输系统的64×64光探测器面阵。器件结构采用谐振腔增强型(RCE),吸收区由3层InGaAs/GaAs量子阱构成,谐振腔是由2组多层布拉格结构的反射镜组成,工作波长位于980nm。该器件利用倒装焊技术,将GaAs基的谐振腔增强型光探测器面阵与相应的Si基标准CMOS集成电路混合集成在一起,形成具备64×64路光并行接收及处理的大规模光电集成探测器面阵器件,并对光探测器面阵的主要特性进行了测试,测试结果显示该面阵具有均匀的电特性,反向偏压均大于14V,暗电流约为10nA数量级。     

激光雷达多路距离测量系统设计

为了实现阵列激光雷达发射单脉冲激光瞬间3维成像,解决多路激光距离测量问题,采用并行处理架构设计了25路并行距离测量系统,由4个测量单元和1个复用单元构成1个多核并行处理机。每个测量单元包含8路跨阻放大器和8路高速比较器、1片TDC-GPX芯片和1个STM32处理器;复用单元由现场可编程门阵列实现多路测量数据打包,并通过USB2.0完成数据上传。结果表明,多路激光测距误差小于25cm;测量系统具有开放性,测量通道数易于扩展,子板可互换;并提出了按距离分段的误差校正方法,无须重复测量多次,可在单脉冲探测下直接校正测距数据。这为研制更高精度的阵列激光雷达系统奠定了一定的基础。     

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。     

一种 C 频段高集成多功能综合母板设计

介绍了一种 64 通道的 C 频段高集成多功能综合母板的设计方案和关键技术,该综合母板应用于有源相控阵雷达天线阵面前端模拟子阵。 利用多层印制板压合技术,在天线口径内将电源模块、波控模块和片式 T / R 组件集成在子阵综合母板上。 对各功能网络性能进行了仿真设计、电磁兼容性设计等,最终完成了综合母板设计。 所介绍的 64 通道 C 频段综合母板尺寸为 228 mm×308 mm×4. 8 mm,实测无源射频网络通道幅相一致性优于±0. 1 dB、±1°,有源接收链路通道幅相一致性优于±1. 4 dB、±5°。 该综合母板通过积木化拼接可实现雷达阵面规模二维扩展,适用于多种布局方案,避免了低效重复设计。     

多波束激光雷达的高精度收发配准方法的实验验证

针对三维成像多波束激光雷达系统微弧度量级激光发散角和多元并行收发条件下极高配准精度要求,进行了收发配准技术的研究和验证。提出了多波束激光雷达系统收发配准的方法,实现了一套基于光纤光学的收发光学系统分离的高精度收发光学系统;发射激光的单元发散角达到了近衍射极限的20 rad,接收视场达到60 rad,实现了1 064 nm近红外波段51元的线列并行收发,收发配准精度达到10 rad以下。实验验证结果显示,该收发配准的方法具有较好的可行性,配准的精度能达到理论分析要求。经过温度等环境因素的分析,系统在一定的温度范围内具有较好的稳定性,该温度范围较易控制,能够满足多波束激光雷达系统的工程应用要求。     

一种前视合成孔径激光雷达成像系统

提出了一种新型的基于激光收发阵列的前视合成孔径激光雷达(SAL)成像系统。给出了系统的结构模型,分析了系统成像原理,详细推导了点目标的回波模型和适用于前视SAL的ECS算法,最后通过Matlab对6点目标的情况进行了成像仿真,对点目标峰值中心的64×64点切片和方位向、距离向包络进行了详细分析,结果表明该系统可以有效地对雷达前视场景进行成像。     

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%。     

Development of a 64 × 64 CdZnTe array and associated readout integrated circuit for use in nuclear medicine

Previous work has shown that hybrid semiconductor detector arrays similar to those used in infrared focal-plane arrays are very attractive for use in nuclear medicine and other gamma-ray imaging applications. In this paper, we describe the development of a 64 × 64 readout multiplexer specifically for use in gamma-ray imaging; we also describe the construction of 64 × 64 CdZnTe hybrid detector arrays using the new readout. The readout and detector array are both about one inch square (2.5 cm × 2.5 cm) and have 380 μm pixel pitch. Some initial assembly problems have been resolved by stabilizing the hybrids with epoxy. Preliminary testing results are presented that verify that the 64 × 64 CdZnTe arrays perform as excellent imaging spectrometers.     

A LIDAR sensor prototype with embedded 14-bit 52 ps resolution ILO-TDC array

High resolution light detection and ranging (LIDAR) systems enable rapid imaging and mapping for applications such as autonomous vehicles and robotics. This paper presents a high-resolution LIDAR sensor system-on-a-chip (SoC) prototype containing a 31 × 2 pixel channel array with the input time-of-flight resolved by a 32 × 1 time-to-digital converter (TDC) array. A low-power avalanche photodiode (APD) receiver front-end with output bit-line sharing allows an array implementation and achieves ? 22 dBm sensitivity. Injection-locked oscillators (ILOs) are utilized in a TDC design to both minimize clock distribution power and improve timing accuracy. An on-chip phase-looked loop calibrates for ILO global PVT variations and ensures reliability over a wide operating range. Fabricated in GP 65 nm CMOS, the 14-bit TDC consumes 788 μW/channel and achieves 52 ps resolution over an 830 ns full-scale range, 37.2 ps_rms single-shot precision, 11 ps_rms channel uniformity, and DNL/INL of 0.56/1.56 LSB, respectively. This electrical characterization projects that the SoC has the potential for 0.78 cm ranging precision over a 124 m maximum ranging distance. Sensor testing with a pulsed laser and an APD array hybrid-integrated with the CMOS SoC shows a measurement range of over 700 ns with a 3.2 ns maximum single-shot error.     

机载激光云粒子成像仪研制与校准研究

为了实现对25m~1550m范围云粒子的测量和成像,采用了光学成像方法,基于准直光束照射的云粒子在64元探测器上投影切片组合的原理,研制了机载激光云粒子成像仪.介绍了激光云粒子成像仪各组成部分的功能,进行了探测单元量化标准、数据获取与处理方法、以及影响云粒子成像准确性的因素等方面的分析.建立了粒子尺寸校准装置,并采用7种规格的标准圆点进行了校准实验.结果表明,机载激光云粒子成像仪可探测到云粒子并成像,实现了粒子的尺寸测量和2维图像显示.     

基于MPPC阵列的三维单光子成像技术研究

三维成像技术在自动驾驶、航空任务、军事领域等都有着广泛的应用,不同技术体制的成像系统有不同的优点,其中基于多像素光子计数器(Multi-Pixel Photon Counter, MPPC)的三维成像技术由于其成像速度快、对极弱光敏感等优势具有广阔的发展潜力。然而,由于MPPC阵列发展不成熟,基于MPPC阵列的弱光三维成像探测水平受到限制。利用日本滨松公司研发的具有32×32规模的MPPC阵列S15013系列二维光子计数图像传感器,开发了一套三维成像系统,传感器的每个像素由12个单光子雪崩二极管并联而成,其总探测像素达到1 K以上。基于该系统,分析了阈值电压、镜头光阑等参数条件对三维成像探测结果的影响,对系统探测灵敏度和精度进行了测试,并针对37 m远模拟目标开展了三维成像探测试验。试验结果表明:在回波光子数约1.98 (光子/像素)的暗弱条件下,目标区域测距精度达到0.268 m,三维结构特征明显,达到了接近单光子成像的探测水平。     

无人机载激光线扫描浅滩三维成像研究

设计了一种基于三角法线扫描的无人机载激光雷达三维成像系统。系统以520 nm线激光为光源照射目标,利用无人机扫描获取目标的三维数据。文章设计了无人机载激光线扫描系统的硬件系统,构建了线激光水下折射三维坐标解算模型,提出了水上、水面与水下激光条纹提取的图像处理方法,并利用研制的雷达系统进行了近海浅水区域无人机扫描实验。实验结果表明,系统利用IMU及GPS能够有效提升三维图像的准确性,快速获取目标区域水上及水下目标的三维数据,平均距离分辨率达到3 cm,具有速度快、精度高、成本低的优势,在近岸浅海区域的大范围高速三维成像领域具有广阔的应用前景。