适用汽车智能驾驶的多光谱激光雷达波长选择可行性研究

在汽车智能驾驶系统中,激光雷达由于其独特的三维成像能力,成为场景探测感知传感器群组中不可或缺的组成部分。为提升单一波长激光雷达在物性探测分类和状态上的性能,借鉴多光谱探测具有物性探测能力的原理,论文对适用于汽车智能驾驶的多光谱激光雷达的波段选择进行了可行性研究,利用主成分分析法对智能驾驶中典型目标进行光谱计算及分析,结合激光光源特性以及光电探测器的特性,综合多光谱激光雷达波段选择方法和智能驾驶应用场景中典型目标地物光谱特性,以及商用激光雷达的可获得性,得出了适用汽车智能驾驶的多光谱激光雷达的波长可以选择808 nm、905 nm、1 064 nm、1 310 nm,并通过测试验证了多光谱激光雷达所选波长的有效性。     

激光雷达三维成像研究进展（特邀）

激光雷达三维成像相比二维成像具有信息丰富、主动性好、抗干扰能力强等优势,已广泛应用于遥感侦察、无人驾驶、航空航天等多领域。近年来,激光雷达三维成像发展迅速,一方面,以APD阵列器件为典型核心器件的制造能力增强,激光雷达的成像效率得到明显提升;另一方面,随着三维成像方法（扫描/非扫描）的不断改进,其综合性能也得到突飞猛进的发展。通过总结现有激光雷达三维成像的研究现状,讨论现阶段其面临的问题与解决方法,为推进激光雷达应用提供支撑。     

APD三维成像激光雷达研究进展

三维成像激光雷达因获取信息丰富、抗干扰能力强、分辨率高等优势已广泛应用于地貌勘测、自动驾驶、智能交通、视觉跟踪等国防与民用领域。随着雪崩光电二极管（APD）探测器件的发展与三维成像体制的多样化(例如:微机电系统扫描、相控阵、闪光等),激光雷达性能较早期已得到大幅提升。立足于军民领域对激光雷达的新需求,迫切需求新方法、新体制进一步提升三维成像的综合性能。首先从APD三维成像激光雷达的发射单元、接收单元、算法单元（数据处理单元）三方面关键技术展开分析。然后,以载荷应用需求对三维成像激光雷达进行了分类阐述与讨论,重点以车载环境感知为例深入讨论了现有激光雷达的应用现状与军民应用所面临的难点问题。基于APD器件的三维成像方法多元化发展,讨论了两种适用于APD器件的新型三维成像方法（异构变分辨率与鬼成像）。最后,在分析三维成像激光雷达研究现状的基础上,总结了三维成像激光雷达正朝着大视场、高分辨、高精度、实时性、模块化、智能化的方向发展,为进一步研究高性能三维成像激光雷达奠定基础。     

目标散射特性对激光雷达回波特性的影响分析

研究目标散射特性对其激光雷达回波特性的影响是进行目标激光雷达主动成像、跟踪以及目标识别的基础。首先推导了考虑探测激光时空分布的目标激光雷达回波公式,通过3DS MAX软件建立了三种典型目标的三维模型,采用单站激光雷达BRDF模型仿真得到了理想漫反射、近似镜面反射以及粗糙表面三种情况下不同目标多角度回波峰值序列,基于此分析了目标散射特性对其激光雷达回波特性的影响,可为目标激光雷达主动探测及成像提供理论参考。     

脉冲调制激光雷达水下成像系统

针对水下目标探测应用场景,给出了相应的532 nm波长激光雷达系统参数,结合条纹管激光雷达和载波调制激光雷达的优点,设计研制了一套水下三维成像增程激光雷达原理样机。相对于常见的微波调制激光产生高频脉冲的方案,该原理样机采取调Q技术压缩激光脉冲,再结合F-P腔的特性产生高频激光脉冲,具有峰值功率高和输出能量高的优点。实验结果表明,该原理样机在清水环境中成像距离优于20 m,能够捕捉到13 m处直径9 mm的目标细节;在浊水环境中的信号处理增程能力达到81.4%,相对距离分辨误差为0.01 m。所获得的实验结果为进一步提升水下激光雷达的成像距离和分辨率进而发展水下成像装备奠定了基础。     

条纹原理激光雷达成像仿真及实验

基于条纹原理的阵列探测体制激光成像雷达由于其独特的技术优势在激光测绘中具有潜在的应用。介绍了扫帚扫描结合条纹原理阵列探测体制激光雷达的仿真及飞行实验研究结果。首先介绍新体制激光雷达仿真平台的建立及典型的仿真结果。利用该仿真平台可指导新体制激光雷达的设计,并对机载飞行实验参数的设定进行成像效果仿真,仿真的距离测量精度为0.5 m。最后开展了新体制激光雷达机载飞行实验,给出了典型地区的原始条纹图像及经过数据处理后的点云图。新体制激光雷达外场实验结果的测距精度优于1 m,机载飞行实验测距精度结果与仿真分析结果一致,验证了该仿真系统的正确性。通过与实际被动光学相机成像图像进行比较,验证了新体制激光雷达在航空测绘等方面的技术可行性。     

激光雷达在装甲车中的应用探讨

探讨了激光雷达的特性、工作原理以及相对于微波雷达的优势，并提出了现在乃至将来激光雷达作为现行装甲车辆传感器的重要补充手段，在高精度跟踪测量、高分辨率目标识别和三维成像等方面的应用前景，并论述了激光雷达存在的缺点和改进方法。     

激光雷达与高光谱遥感对地立体探测研究

将激光雷达对大气,水体的透视及对地精确测距定位的立体成像探测能力和高光谱技术相结合,发展先进的空、天基对地立体成像综合定量探测系统,是国家对大气、陆地和海洋精确立体综合定量探测的迫切需要,也是遥感技术自身发展进步的要求,激光与地面、水体和大气的相互作用及其在高光谱的遥感响应是空,天基激光雷达和高光谱对地立体成像综合定量探测的核心理论基础和关键科学问题.综述了激光雷达对地探测系统的研究现状和发展趋势.提出了新的基于激光雷达与高光谱遥感的对地立体探测系统.将激光雷达对大气、水体的透视以及对地的精确测距定位与高光谱技术相结合,介绍了该系统的原理方法和特点.从激光雷达和高光谱数字影像的广义大气修正和地形辐射改正,大气光学厚度与程辐射图像的生成,激光雷达的非均匀水体修正和水底地形改正,激光雷达和高光谱与介质以及目标的相互作用,多源数据融合等五个方面阐述了该体系的关键技术及其研究思路.     

天基合成孔径激光雷达成像参数分析

由于空间中没有大气，不存在大气湍流和大气衰减等问题，因此，相对于地基和机载合成孔径激光雷达（SAL），天基SAL有更好的应用前景。为验证中高低轨卫星间SAL成像的可行性，本文中建立了天基SAL成像模型，推导了星对星成像的相干积累时间和脉冲重复频率等参数。利用二体运动轨道外推法，建立了卫星轨道模型。并根据雷达天线波束宽度的限制，计算了激光雷达的收发天线方向图，提出利用目标增益曲线的3 dB波束宽度，获得最大合成孔径时间的方法。最后，通过仿真建立了六种天基SAL应用方式，并分析了不同应用方式下的成像参数，验证了天基SAL成像的可行性。本文的研究为天基SAL成像算法的研究奠定了基础。     

天基合成孔径激光雷达非合作目标成像系统设计与实验

合成孔径激光雷达是合成孔径技术在激光相干探测雷达领域的推广,相比传统合成孔径雷达具有更高的分辨率。相比机载、陆基等应用环境,空间没有大气湍流和机械振动,非常适合合成孔径激光雷达应用,而合成孔径激光雷达本身分辨率不随距离变化的优点,也利于空间大尺度距离探测。建立了对非合作目标进行高分辨率成像监测天基合成孔径激光雷达成像模型,对系统中关键参数进行分析,针对地球静止轨道上的目标进行了系统设计,提出系统实现工程化需要进一步突破的关键技术。结合理论分析,设计了缩比模型验证实验,利用转台模拟空间卫星间运动,得到了方位向分辨率1 mm的目标图像,证明了系统分析的合理性和该系统的实用性,对天基合成孔径激光雷达技术的推广具有一定意义。     

天基光电成像遥感设备面临的威胁及其对抗技术

近年来的几次高技术局部战争中,天基光电成像系统发挥了巨大的作用。然而,天基光电成像遥感设备在军事中的重要性和固有的脆弱性,使其安全与防护问题日益突出。阐述了天基光电成像遥感设备存在的脆弱性和空间军事化所带来的多种恶意威胁,如不同平台的反卫星激光武器、动能拦截弹、高功率微波武器等。针对上述威胁,分析了天基光电成像遥感设备相应的各种对抗、防护技术和手段．包括天基自卫告警、多频谱假目标、多波段隐身伪装和烟幕干扰、光电传感器的加固技术、加强光电成像平台机动能力、携带综合自卫武器等．其中针对天基光电成像传感器着重讨论了最新的抗激光攻击加固技术．如液晶薄膜防护技术等。最后提出了开展相关新概念、低成本防护技术的建议。     

光子计数激光雷达时间-数字转换系统

时间测量系统在激光雷达中主要用于激光脉冲飞行时间的测量,其性能直接影响着激光雷达的各项指标.基于FPGA设计了一种应用于光子计数激光雷达的时间-数字转换(Time-to-Digital Converter,TDC)系统,利用延迟线内插在FPGA内部实现了高精度的时间测量,通过实验分析,研究了TDC系统的性能及其应用于光子计数激光雷达后的效果.实验结果表明,TDC系统的时间分辨率达到29 ps,测时精度37 ps,能够实现9通道的高精度事件计时功能,用于光子计数激光雷达后,整个激光雷达系统的测时精度为421 ps,达到6.3 cm的距离测量精度,能够实现高精度高分辨率的激光三维成像.     

基于时间相关单光子计数的穿透成像激光雷达研究（特邀）

激光雷达是一种能够快速获取目标三维信息的光学传感器,凭借精确定位与高效识别能力,其在军事侦察、无人驾驶、空间交会对接等领域发挥着越来越重要的作用。然而在浓雾、烟尘、海水等复杂的气候或环境下,传输介质对光场的强烈散射作用会造成传统激光雷达接收信号的严重退化,致使其性能迅速降低,甚至根本无法正常使用。针对该类环境下接收信号的退化特性,首先建立了Monte Carlo的Mie散射瞬态光场传输模型,接着通过计算机模拟仿真了传输光场的时域分布规律,针对该规律研究了时域信号去散射效应的滤波算法,最后在实验室搭建了基于时间相关单光子计数的穿透成像激光雷达系统,开展了雾气模拟环境下的成像实验,结果验证了该穿透成像激光雷达系统的处理方法对目标图像重构质量的提高具有较好的效果。该研究为激光雷达在复杂散射环境中的进一步应用提供了基础。     

机载激光三维成像技术应用现状

分析了扫描式、推帚式两种机载激光三维成像技术的基本原理,对两种技术的总体特点进行了比较.列出了当前典型的机载激光三维成像系统参量,对较先进的ALTM-1210,SHOALS-1000T,ASLRIS以及中国的“863推帚式”四个系统的组成和参量做了具体介绍.展望了机载激光三维成像技术的应用前景及发展方向.     

High density 3D sensing using a nodding 2D LIDAR and reconfigurable mirrors

Perception in 3D has become a standard practice for a large number of robotic applications. High-quality 3D perception is not easily affordable. Our previous work on a nodding 2D LIDAR provides high-quality 3D depth information. However, its sparse measurements poses challenges in understanding the physical characteristics and kinematic parameters of moving objects within an uncertain environment. The contributions of this paper are two-folds: (1) a novel design of a nodding LIDAR that provides denser scans and achieves a three times higher scan update rate, and (2) a novel dynamic reconfigurability feature of the sensor by allowing a suitable change in its field of view on the fly using a set of mirrors. Additionally, we develop a novel calibration mechanism for this sensor and experimentally validate its effectiveness for dynamic object detection and tracking. The proposed dynamic reconfigurability with denser scans in the field of interest supports the broader applicability of 3D nodding LIDAR in moving target applications or newer applications that demand defining the interest area for perception.     

稀疏激光雷达与可见光/红外成像系统的标定方法

激光雷达与成像系统之间的位姿标定是激光点云与图像像素进行融合的前提。目前主流的离线标定方法中,普通棋盘格标定板用于64线及以上的激光雷达时效果较好,而用于16线激光雷达时由于其数据稀疏而导致误差较大。而且,涉及红外成像系统的标定时,需要特制的棋盘格来获得发射率差异。本文针对稀疏激光雷达点云数据较少的问题,研究了可以同时标定激光雷达与可见光、红外成像系统的方法,设计了菱形九孔标定板,并提出几何约束损失函数来优化特征点的坐标。最后,分别使用红外和可见光成像系统与16线激光雷达进行标定,实验结果表明,平均重投影误差均在3个像素之内,取得了较好的效果。本文方法还能用于稀疏激光雷达与可见光-红外多波段成像系统的标定。     

基于TIN的LIDAR点云过滤算法

机载激光雷达是一种快速获取高精度三维地理数据的新技术,对其获取的不规则分布的三维点云数据过滤处理是目前的研究前沿,也是机载激光雷达应用的关键技术.本文在分析典型地物激光雷达点云空间分布基本规律的基础上,重点研究了典型地物表面及其边缘的点云空间分布特征及基于TIN结构的邻近点云高程突变规律,并设计了相应的点云过滤算法.论文还对算法的参数选择及相应的误差进行了探讨,并进行了LIDAR数据DEM提取实验.     

天基数据链抗干扰问题研究

针对天基数据链的应用需求,对天基数据链的抗干扰特性进行了研究,分析了增强天基数据链系统抗干扰能力涉及的主要技术手段,提出了用户终端在设备研制中应采取的措施,并在应用方式上提出了一些建议,对于抗干扰天基数据链系统及设备的研制具有一定的参考价值。     

中段弹道目标群的红外成像仿真研究

建立中段弹道目标的简化辐射模型和基于点扩散与拖尾的红外焦平面模型,结合目标群中各目标的运动位置和空间目标投射到二维焦平面位置坐标的计算,仿真天基低轨红外传感器对中段弹道目标群的成像.分析仿真结果,发现中段弹道目标群的存在对天基红外传感器的目标探测与跟踪提出了新的要求,并给出一些解决途径.