仙居谁认识做网站的,有哪些好的网站建设,广东建设执业资格中心网站,全国建设部网站本文内容转载自《激光杂志》2019年第5期#xff0c;版权归《激光杂志》编辑部所有。杨兴雨#xff0c;李晨#xff0c;郝丽婷#xff0c;王元庆#xff0c;古丽孜热∙艾尼外南京大学#xff0c;伊犁师范学院摘要#xff1a;激光雷达具有体积小、质量轻、探测距离远、高分… 本文内容转载自《激光杂志》2019年第5期版权归《激光杂志》编辑部所有。杨兴雨李晨郝丽婷王元庆古丽孜热∙艾尼外南京大学伊犁师范学院摘要激光雷达具有体积小、质量轻、探测距离远、高分辨率、高精度、高密度、快速成像等优点目前已经成为世界各国优先发展的新式雷达。尤其是激光三维成像雷达技术在科学实验领域、民用领域、商用领域以及军事领域迫切需求的刺激下各种先进激光三维成像雷达技术迅速发展起来了。详细描述了不同体制下的激光三维成像雷达的研究现状分别以国内外最先进的激光三维成像雷达为例分析其基本成像原理归纳其性能对比不同体制激光三维成像雷达的优势与缺陷总结出激光三维成像雷达未来的发展趋势最终展望其应用前景。 关键词三维成像先进激光雷达研究进展趋势 1 引言 激光雷达技术在市场迫切需求的刺激下不同体制下的激光雷达在不同应用背景和应用环境中应运而生并且得到了快速发展。激光三维成像雷达是近十几年快速崛起的激光雷达技术之一其在科研领域、民用领域、商用领域以及在军事领域都具有极大的应用价值和巨大的发展潜力。激光三维成像雷达根据探测方式的不同可分为扫描式激光三维成像雷达和无扫描式激光三维成像雷达。 扫描式激光三维成像雷达是通过机械扫描或者非机械扫描来控制激光脚点对目标物进行逐点扫描来获取目标的三维信息这种方式的探测效率以及分辨率依赖于探测器的阵列规模。扫描式的激光三维成像雷达是以单点发射激光的模式对激光器的频率和能量参数要求较高硬件光电系统的工程实现较为复杂。无扫描式的激光三维成像雷达主要通过增益调制、光子计数、距离选通、激光编解码、闪光解调等方式实现对中远距离的目标进行三维信息的获取。无扫描式激光三维成像雷达能够对运动的目标进行无失真成像并且具有高帧频、超高分辨率、成像速度快、可靠性高、体积小、质量轻等优点在侦察、识别以及实时成像要求较高的军事领域有着至关重要的作用。目前已经成为世界各国的研究的重点和热点这种机制下的激光三维成像雷达将是未来发展的主要趋势。 分别描述了扫描方式及无扫描方式的激光三维成像雷达分析其基本成像原理归纳对比每种激光三维成像雷达的技术参数总结对比其优缺点展望未来激光三维成像雷达技术的主流发展方向。 2 扫描式激光三维成像雷达技术 扫描式激光三维成像雷达技术采用单元探测器加光机扫描的工作模式可实现远距离探测成像。按照不同的应用背景以及具体实现成像方法的不同其分类方式也有所区别。按照扫描成像方式的不同可分为点阵扫描成像、线阵摆扫成像、线阵推扫成像以及块状扫描成像等成像雷达技术。按照有无机械扫描装置可分为机械扫描三维成像激光雷达技术和非机械扫描式三维成像激光雷达技术。 根据有无机械扫描装置文章描述分析了几种具有代表性的先进激光三维成像雷达技术的基本成像原理以及关键技术参数。 2.1 机械扫描式三维成像激光雷达技术 机械扫描式激光三维成像雷达较为典型的系统主要有摆镜扫描式、光楔扫描式、光纤扫描式以及旋转推扫式等。 2.1.1 摆镜扫描式 典型的摆镜扫描式激光三维成像雷达系统以美国麻省理工学院林肯实验室MITLincoln LaboratoryMITLL研制的第一代Gen-Ⅰ激光三维成像雷达和第二代Gen-Ⅱ激光三维成像雷达。 Gen-Ⅰ系统采用了532nm波长的二极管泵浦激光器作为系统光源4×4像元盖革模式Gm-modelAPD面阵探测器作为回波信号接收单元APD阵列的像元尺寸为100μm×100μm有效面积30μm×30μm。如图1所示Gen-Ⅰ系统利用一对单轴扫描镜扫描获取到32x32阵列的三维点云图。 图1 Gen-Ⅰ激光雷达系统结构示意图 Gen-Ⅱ系统采用了NdYAG固体倍频微晶片泵浦激光器作为激光雷达系统光源32x32像元盖革模式Gm-modelAPD面阵探测器作为回波信号接收单元。系统结构原理示意图如图2(a)所示Gen-Ⅱ系统利用了一个两轴扫描镜扫描±20︒视场角内目标信息为了提高系统探测性能Gen-Ⅱ系统在APD阵列焦平面前增加了微透镜阵列来进一步集中激光回波信号的能量系统结构设计图以及实物图如图2(b)和(c)所示。 图2 Gen-Ⅱ激光三维成像雷达系统 Gen-Ⅰ和Gen-Ⅱ激光三维成像雷达系统都是基于盖革模式APD阵列的激光雷达系统。这种激光雷达系统的基本原理都是主动式探测通过激光器发射的单脉冲激光泛照在目标物区域目标反射的回波信号经接收光学系统被APD阵列接收从而获取到激光的飞行时间ToFTime of Flight最终通过计算得到探测目标与激光成像雷达系统之间的相对距离获取目标的三维图像其基本原理图如图3所示。 图3 Gm-APD激光三维成像雷达原理图2.1.2 光楔扫描式 典型的光楔扫描激光三维成像雷达系统以美国Sigma空间实验室的光子计数激光三维成像雷达与哈尔滨工业大学小卫星技术研究所研制的小面阵快扫描激光成像系统为例。 Sigma空间实验室设计研发的光子计数激光三维成像雷达采用了532nm的NdYAG微芯片倍频激光器该激光器能产生6x10-3 mJ的瞬时单脉冲能量这些能量被光学衍射元件DOE分束成10x10的高斯光束阵列通过带有双光楔扫描器件光学发射通道覆盖探测目标区域最终实现了4.7km左右目标探测其系统实物图如图4所示。 图4 双光楔扫描光子计数激光成像雷达 哈尔滨工业大学小卫星技术研究所研制的小面阵快扫描激光成像系统采用线性5 X5 APDLm-APD阵列作为探测接收端选择了转速600 rmin楔角1.5︒直径75 mm的双光楔作为扫描器件实现了128x128像素阵列的成像该系统结构示意图如图5所示。 图5 块扫描激光雷达成像系统机构图 光楔式扫描激光成像雷达的基本成像原理也是通过时间飞行技术ToF来计算目标与激光雷达系统之间的相对距离从而获取目标三维信息的。其不同于其他扫描式激光雷达系统在扫描器件上采用了双光楔扫描器对发射光路的激光束进行光束整形后投影至探测目标物进行的探测。光楔扫描的最大特点就是扫描角度大扫描速度快但由于色散影响成像质量一般不用于高精度激光成像雷达光楔扫描的基本原理示意图如图6所示随着光楔转动角度的不同经两次折射产生的光束投影方向也发生变化。 图6 双光楔扫描基本原理示意图 2.1.3 光纤扫描式 光线扫描式激光雷达是一种新型的扫描成像激光雷达典型代表有德国Dornier公司生产的HELLAS激光雷达系统和Toposys公司生产的Falcon系列的激光成像雷达系统。其中HELLAS激光雷达系统成功的装备了德国EC-135和美国UH-60黑鹰直升机系统中实现军用直升机的前视避障功能图7所示为美国UH-60黑鹰直升机系统中的HELLAS激光雷达系统和避障过程中障碍物的成像效果图。 图7 HELLAS激光雷达系统及成像效果图 光纤扫描式激光雷达的基本原理如图8所示控制系统产生触发信号来控制激光器的脉冲触发扫描系统控制激光束按照不同的脉冲序列耦合到中心光纤按照一定角度投影到探测目标从目标处返回的回波信号通过光接收系统依次耦合到接收光纤阵列中最终通过接收扫描系统将回波信号依次扫描到接收端探测器上实现对目标三维信息的获取。 图8 光纤扫描式激光三维成像雷达原理图 2.1.4 旋转推扫式 旋转推扫式激光三维成像雷达是通过旋转激光束产生不同发射光信号实现对回波信号探测的激光雷达系统典型代表有南京大学SIT实验室研发的群像素激光三维成像雷达系统实物图如图9所示。群像素激光三维成像雷达系统的两代激光雷达样机分别采用了波长1064 nm、重复频率10 kHz、单脉冲能量7mJ的激光器作为系统光源8x8 Lm-APD阵列作为探测器单元其扫描结构采用了旋转群组构将激光束在时间域和空间域进行编码后投影至目标物同时激光雷达主体随着载荷前视推扫形成面阵激光脚印回波信号被接收系统接收通过数字解码的形式将数字信号解调出回波信号的相位、时间信息最终形成点云图。 图9 群像素激光三维成像雷达样机 群像素激光三维成像雷达的基本原理如图10所示激光束被发射光路整形为带状激光束被旋转群组构在空间上分割为若干编码激光点通过望远系统投影至目标物处形成激光脚印阵列这些具备“特殊身份”的激光脚印经反射被激光雷达所捕获通过时间飞行技术获取到激光脚印的亚像素三维信息形成三维点云图。 图10 群像素激光三维成像雷达基本原理 2.2 非机械扫描式三维成像激光雷达技术 非机械扫描式三维成像激光雷达技术是一种基于无机械扫描器件的扫描式激光雷达。较为典型的有基于声光扫描技术、液晶扫描技术及微电子机械系统微镜扫描技术等非机械扫描式激光三维成像雷达。 2.2.1 声光扫描式 典型的声光扫描式激光三维成像雷达以中国科学院上海光学精密机械研究所研发的声光扫描三维视频激光雷达为例实物图如图11所示该系统采用二维声光扫描技术大大提高了扫描速度能够精确测量激光脉冲的飞行时间实现高精度的三维视频成像像素分辨率达到了220×220角度分辨率0.182mrad。 声光扫描式激光三维成像雷的基本原理示意图如图12所示系统通过改变声光器件的声音频率来改变激光的发射角度其原理如公式(1) 式中λ表示激光波长∆fs表示超声波的频率n为声光介质的折射率vs表示超声波在介质中的传播速度∆θ表示光束偏转角。 图11 声光扫描式激光三维成像雷达样机 同时采用高精度时间差检测电路来检测发射的脉冲光与回波信号的时间差再利用时间飞行技术计算出距离信息最终形成三维点云图。 图12 声光扫描激光三维成像雷达原理图 2.2.2 液晶扫描式 液晶扫描式激光成像雷达典型代表电子科技大学研发的液晶光学相控阵激光成像雷达系统如图13(a)所示系统结构框图。在“十一五”和“十二五”规划期间电子科技大学研制了1920阵元的以为投射式液晶相控阵激光成像雷达阵元宽度为5μm光源采用的新型二极管NdYAG脉冲激光器波长1064nm20 Hz单脉冲能量50mJ脉宽10 ns-13 ns可以实现4︒范围内连续扫描其实物图如图13(b)所示。 图13 液晶光学相控阵激光成像雷达系统结构图与系统实物图 液晶光学相控阵激光成像雷达的基本工作原理架首先根据需要实现的出射光束的偏转角度计算获得理论上所需要的电压代码将得到的电压代码输入到已有的控制程序中获取实际加载在液晶相控阵上的电压值并与相控单元的相位调制相对应液晶相控阵根据这个指令进行相应的响应得到与输人的电压值相一致的相位延迟实现光束的偏转方向与设定的角度相同通过信号接收端实现信号采集和处理最终形成强度像或者距离像。 2.2.3 MEMS微镜扫描式 微电子机械系统MEMS微镜扫描式激光雷达典型代表以美国陆军研究实验室ARL研究的MEMS微镜扫描激光成像雷达系统为例其实物图如图14所示。该系统可实现帧速度5-6 Hz像素分辨率256x128视场角60︒x30︒的目标进行探测。 图14 MEMS微镜扫描激光成像雷达系统实物图 MEMS微镜扫描激光成像雷达的基本工作原理是通过MEMS微镜扫描激光器发射的脉冲光信号改变光束的发射角度通过信号接收端实现信号采集和处理最终获取目标的三维信息。这种激光雷达便于集成化、轻小化对未来无人机载荷具有很大优势。 3 无扫描式激光三维成像雷达技术 激光三维成像雷达的本质是激光测距无扫描式激光三维成像雷达按照测距方式的不同可分为直接测距法和间接测距法。直接测距法是利用探测器阵列直接测量每个像素点的时间信息计算出每个像素点的距离信息。常见的直接法探测激光三维成像雷达主要有基于Lm-APD阵列的闪光式激光三维成像雷达以及基于Gm-APD阵列的光子计数激光三维成像雷达。间接测距法是将可探测的光强、振幅、相位、频率、偏振态等信息转换为时间信息再计算得出距离信息。常见的间接法探测激光三维成像雷达主要有调频连续波激光三维成像雷达、基于偏振调制的激光三维成像雷达、条纹管激光三维成像雷达以及增益调制型激光三维成像雷达等。 3.1 直接测距三维成像激光雷达技术 3.1.1 Lm-APD阵列激光三维成像雷达 基于线性雪崩光电二极管阵列的闪光式激光三维成像雷达是典型的直接测距无扫描式激光三维成像雷达。较为典型代表系统有TigerEYE系统、DragonEYE系统等。 TigerEYE闪光式激光三维成像雷达系统是美国先进科技概念公司ASC研发的一款基于Lm-APD阵列的激光三维成像雷达系统实物如图15所示该系统光源采用了对人眼无害的红外激光波长1570nm脉宽5ns单脉冲能量7 mJ。探测器为128×128的Lm-APD阵列系统视场角最大可达45︒探测距离不小于2 km系统重量不大于2 kg。“虎眼”可实现全天时60 fs的实时成像而且具备距离选通成像的能力能够穿透烟雾等障碍进行探测成像。 图15 TigerEYE闪光式三维成像雷达系统 DragonEYE闪光式激光三维成像雷达系统是ASC与NASA等合作研发的一款激光成像雷达系统。系统采用1570 nm激光器作为光源128×128 Lm-APD焦平面阵列作为探测器距离精度可达60 cm4km系统重量仅有3 kg其成功安装在奋进者号上如图16所示。 图16 安装在奋进者号的DragonEYE系统 基于Lm-APD焦平面的阵列TigerEYE与Drag-onEYE其基本工作原理都是由系统发射一个或者多个脉冲激光所有像素点的距离信息直接被对应的传感器阵列接收通过闪光成像的方式获取目标的三维信息。 3.1.2 Gm-APD阵列激光三维成像雷达 Gm-APD具备单光子计数特性基于Gm-APD阵列激光三维成像雷达也称作光子计数激光三维成像雷达。较为典型的代表MITLL研发的第三代Gen-Ⅲ激光雷。 Gen-Ⅲ系统是MITLL研发的第三代激光成像雷达系统系统光学结构简图如图17所示该系统的光源采用了被动调Q二极管泵浦激光器波长532nm32x32 Gm-APD探测器阵列作为接收端像素间距100 μm探测效率大于20视场角10.3 mrad×103 mrad距离分辨率15 cm成像频率可达10 kHz。 图17 Gen-Ⅲ系统光学结构简图 光子计数激光成像雷达区别于Lm-APD阵列激光三维成像雷达其本质是通过对脉冲飞行时间进行统计测量。其测量基本原理如图18所示在时间域上回背景光和探测器噪声的分布较为平均有效回波信号单次测量具有偶然性经过多次测量统计后才具有实际探测的意义如图所示多次统计测量后可准确的获取探测目标的距离信息。 图18 统计测量基本原理简图 3.2 间接测距三维成像激光雷达技术 3.2.1 调频连续波激光三维成像雷达 调频连续波FMCW激光三维成像雷达是通过将频率信息转换为时间信息后计算出成像雷达与目标相对距离的间接式激光三维成像雷达较为典型代表美国陆军实验室研发的“FOPEN”激光雷达其实物图如图19所示。光源采用了1550 nm的连续输出的激光二极管激光器640x512探测器作为信号接收端视场角35︒x35︒测距精度小于3 cm。 “FOPEN”激光雷达的基本原理通过调制信号发生器产生调频信号一路作为连续波激光器的调制信号来控制激光器发射的激光瞬时功率随调频信号变化另一路作为接收子系统的本振信号光电探测器将目标反射的回波信号转换为电流信号其中的交流信号与本征信号混频形成差频信号差频信号经过滤波、放大和采样后通过解算频率信息得到目标的距离信息。 图19 “FOPEN”激光雷达系统实物图 3.2.2 条纹管激光三维成像雷达 条纹管激光三维成像雷达STIL的本质是将脉冲激光的飞行时间转换为荧光屏上条纹的相对距离。较为典型代表为哈尔滨工业大学研发的单缝条纹管激光三维成像雷达实物图如图20所示。该系统进行了远距离目标成像最远距离可达6 km其系统分辨率可实现0.02 m3 m以及1 m6 km。 图20 STIL系统实物图 条纹管激光三维成像雷达基本成像原理如图21所示线光视场内不同位置目标回波信号的距离差反映在回波信号到达光电阴极上的时间差即光阴极上产生电子的时间差。这些电子经过加有斜坡电压电极作用下偏转标志从不同回波信号的光电子发生偏转在纵轴上的偏转距离不同再通过微通道板进行放大使电子离散地变化反映在纵轴方向上最终分离开轰击到磷屏上被标记下来。最终通过微距透镜将磷屏上的图像接收到CCD上并通过计算机或者单片机进行储存。 图21 STIL系统原理图 3.2.3 增益调制型激光三维成像雷达 增益调制型激光三维成像雷达是根据CCD上获得目标强度信息反演出测距时间最终获取目标距离信息的成像雷达。较为典型的为哈尔滨工业大学研究的双ICCD线性增益调制成像激光雷达其系统结构简图如图22所示。该系统的测距精度达到了mm量级而且表示指数增益变化快慢的调制时间常数越小精度越高。 图22 双ICCD线性增益调制激光雷达 双ICCD线性增益调制激光雷达的基本原理是激光器产生窄脉宽脉冲信号泛照在探测目标物处反射的回波信号被接收端的ICCD接收系统中的两个ICCD分别被两个高压调制器增益调制其中一个ICCD上的增益随着时间线性增大另一个ICCD上的增益随着时间线性减小。这两种增益调制的ICCD探测同一目标获取的图像相除消除激光脉冲形状、大气散射率等因素的影响最终精确的解算出测距时间获取目标的距离信息。 4 优劣势对比分析及发展趋势 4.1 优劣势对比分析 不同体制下的激光三维成像雷达技术在特定的应用领域存在着优势和劣势在不同的使用要求以及使用条件下不同的激光雷达技术也存在着优缺点。在大的方面扫描式的激光三维成像雷达系统一般结构复杂控制精度要求高以及存在着能量利用效率较低的问题在远距离高精度探测方面与无扫描式的激光三维成像雷达系统不具有优势。无扫描式的激光三维成像雷达系统一般系统结构较为简单系统控制精度较高但受限于探测器阵列规模分辨率在相同条件下较低。为了更清晰地描述具体体制下的激光成像雷达的优缺点按照上述文章总结的不同体制的成像雷达展开分析。 机械扫描式激光三维成像雷达机械扫描装置结构复杂制造工艺要求高难以实现远距离探测但在实现相同分辨率的目标探测可节约探测器规模和数量以扫描的方式高效利用探测器。在实现较远距离探测时需要增大激光能量增加成本增加系统体积、重量同时也增大系统功耗、系统噪声等。 无机械扫描式激光三维成像雷达相对扫描式激光成像雷达结构简单控制精度较高但对扫描材料要求较高在承受大功率激光辐照存在困难难以实现远距离目标探测激光能量利用效率不高。 直接测距式激光三维成像雷达基于Lm-APD焦平面阵列闪光式激光三维成像雷达测距精度高、作用距离远、成像速度快、对运动目标无失真成像、抗干扰能力强。但Lm-APD单元容易饱和未知强光信号还可能导致期间损坏导致系统稳定性较差。另外目前Lm-APD阵列规模较小严重限制了三维成像的分辨率Lm-APD的发展已处于一个瓶颈阶段并且探测器成本造价较高。 基于Gm-APD阵列闪光式激光三维成像雷达具备单光子探测的特点灵敏度高、探测距离远、抗环境干扰能力强、信噪比较高。但统计测量数据量大后端数据处理能力要求高成像速度较慢对于动态目标探测成像效果容易失真同时由于灵敏度较高近距离探测极容易饱和或者损坏。大阵列Gm-APD器件造价昂贵造成系统成本一般比较大。 间接测距的FMCW激光三维成像雷达抗干扰能力强、信号处理简单、不存在测距盲区、距离模糊、近距离测量精度高。但连续激光的功率一般较低难以支撑中远距离探测对激光器的超宽带调制难以实现并且光电混频探测器成本较高现阶段已处于技术瓶颈期存在技术短板该方法成像速度慢解算距离需要FFT运算成像的实时性不高。 条纹管激光三维成像雷达STIL探测距离远、距离分辨率较高、视场角较大、抗干扰能力强、成像速度快、技术比较成熟。但系统能量损耗太大利用效率太低体积庞大功耗加大系统噪声大造成成像质量较差。 增益调制型激光三维成像雷达系统结构简单、测距精度高、数据量较小、距离解调算法容易实现、成像速度快。但系统ICCD的驱动功耗较大系统能量利用效率较低作用距离较近系统成像质量不高分辨率较差。 4.2 发展趋势 激光成像雷达在科学研究领域、商业领域、民事应用领域以及军事领域都是紧迫需求的一种新兴技术在改变发展现阶段各种体制下的激光雷达技术迫在眉睫。未来的激光雷达的发展方向以及改进方向总结如下(1)小体积、轻重量、集成化程度高最终达到芯片级(2)系统结构简单化、系统性能多功能化(3)作用距离更远、分辨率更高、信噪比更高、视场角更大(4)成像速度更快实时成像质量更高(5)提高系统能量利用效率减少探测器阵列规模提高探测器灵敏度降低系统成本(6)提高系统稳定性及更复杂环境的适应性(7)提高雷达系统的隐蔽性和保密性(8)激光雷达的网络化和智能化提高对目标的探测、追踪、识别和定位的准确性。 激光成像雷达在未来人们生活以及现代战场中将是无法替代不可或缺的设备将是人们获取信息的重要手段之一特别是在未来信息战中激光成像雷达将是战争能否取得胜利的法宝是未来人们关注的重点重大科学方向之一。 5 结束语 对机械扫描式、非机械扫描式以及无机械扫描式激光三维成像雷达进行了综述阐述了不同体制下先进的激光三维成像雷达及其基本成像原理对比分析了这些体制下的激光三维成像雷达系统的优势和劣势归纳其特点总结了未来激光成像雷达的发展方向以及发展趋势展望未来激光成像雷达的科技地位。文中对不同体制下的激光三维成像雷达的综述总结为未来激光成像雷达的发展提供了借鉴作用。未来智能实验室是人工智能学家与科学院相关机构联合成立的人工智能互联网和脑科学交叉研究机构。未来智能实验室的主要工作包括建立AI智能系统智商评测体系开展世界人工智能智商评测开展互联网城市云脑研究计划构建互联网城市云脑技术和企业图谱为提升企业行业与城市的智能水平服务。 如果您对实验室的研究感兴趣欢迎加入未来智能实验室线上平台。扫描以下二维码或点击本文左下角“阅读原文”
