基于線狀陣列掃描的激光雷達快速三維成像

曹家軍 許保瑜

摘?要：本文介紹了一種線掃描快速掃描三維激光雷達成像儀。線陣激光雷達的系統結構和工作原理。從一個單元開始，根據對激光束發射和接收光路的分析，利用光學原理和解析幾何方法，推導了一種嚴格的線陣激光雷達成像方案。計算公式，分析影響激光雷達成像質量的內外因素，現場試驗表明，在30m的距離上，該儀器的工作原理是距離分辨率可達5cm，探測直徑大于8cm目標，平面擬合后殘差的標準差約為5cm。

關鍵詞：遙感;激光掃描;三維成像;線陣

1 緒論

基于線狀陣列掃描的激光雷達最近已成為距離測量和3D圖像采集的重要方法。許多研究小組已經使用了一個雪崩光電二極管（GmAPD）作為在3D成像激光雷達系統的檢測器，由于其非常高的檢測靈敏度和一個簡單的讀出集成電路。但是，當在3D成像雷達系統中使用GmAPD時，存在一些缺點。首先，由耗盡區中的熱噪聲引起的暗計數在信號處理階段會產生錯誤警報。其次，GmAPD與光強度無關，表明它無法區分信號和噪聲。因此，在使用GmAPD獲得清晰3D圖像的雷達系統中，噪聲消除過程至關重要。

麻省理工學院林肯實驗室開發了具有GmAPD的3D成像激光雷達系統。他們的3D成像雷達系統是緊湊，輕便的系統，具有出色的性能。但是，它會產生大量噪點，因此需要大量時間才能去除清晰的3D圖像的噪點，因為這是通過一系列圖像處理算法完成的。

對于清晰的3D圖像，去除噪聲的階段是必不可少的。因此，我們開發了一種低噪聲3D成像激光雷達系統，該系統可以通過減少兩次原始測量的飛行時間（TOF）數據的采集階段，減少誤報，從而以快速的采集速度獲得清晰的3D圖像。1×8GmAPD陣列。

2 低噪聲三維成像激光雷達系統

雷達系統分為兩部分：其硬件和軟件。圖1顯示了雷達系統的示意圖。激光脈沖從光源發出并穿過光學系統。一小部分激光脈沖用于生成起始信號，其余的激光脈沖照射到目標上。接收光學系統收集視場（FOV）中散射的激光脈沖和背景光的一部分。然后，激光返回脈沖和背景光被分束器強度分成兩半，并路由到兩個GmAPD陣列。“與”門比較兩個GmAPD陣列的到達時間，僅當來自GmAPD陣列的兩個信號之間的時間差小于固定值時，才會生成停止信號。盡管由于將激光返回脈沖的能量分成兩半而使信號減小，8]。TOF數據是開始信號和停止信號之間的時間差，它是在信號處理步驟中的TDC上生成的。然后，在圖像處理步驟中，通過點云方法將TOF數據傳輸到一定距離以可視化3D圖像。

2.1 硬件

具有二次諧波產生的二極管泵浦無源Q開關微芯片激光器（AlphalasPULSELAS-P-1064-300-FC/SHG）用作光源。由于激光器是被動調Q的，因此啟動信號不能由激光器本身產生。因此，一小部分激光脈沖在45°反射鏡處傳輸到光電二極管。用于產生啟動信號的PD是Thorlab高速Si檢測器。其余的激光脈沖被反射鏡反射并被透鏡L1和L2準直。由于激光的單偏振，半波片（HWP）位于偏振分束器（PBS）之前，以便控制PBS1處激光脈沖的透射和反射。發射的激光脈沖通過擴束器。由透鏡L3和L4的焦距以及擴束器確定的系統的FOV被設定為與假定高斯傳播的激光束發散相同。在擴束器之后，激光脈沖被兩軸電流掃描儀引導到目標，然后被散射。用于控制1×8GmAPD陣列光束指向的兩軸電流掃描儀來自CambridgeTechnology，具有50mm孔徑鏡。來自系統FOV中目標和背景光的散射激光脈沖通過兩軸電掃描儀，四分之一波片（QWP），PBS1，通過雙軸電掃描器收集到GmAPD陣列（ID數量為id150-1×8）中。光學帶通濾波器HWP2，PBS2和聚焦透鏡按此順序排列。由于微芯片激光器具有較窄的光譜線寬和溫度穩定性，因此光學帶通濾波器具有六個通道和50ps定時分辨率的TDC（AgilentU1051A）接收啟動和停止信號，并測量它們之間的時間差。AND門的功能是比較由GmAPD陣列1和GmAPD陣列2測量的TOF。當將AND門的功能應用于TOF時，由于GmAPD中每個像素之間的時延特性不同，因此需要進行校準陣列1和2被定義為一個時間段。單位表示通過將總測量時間除以特定值而獲得的時間間隔。通過計算系統的總體定時抖動，將時間段設置為3ns。

具有固定焦距鏡頭的電荷耦合器件（CCD）攝像機（PixelinkPL-B953U）被用作安裝在系統光軸上的視軸攝像機，以拍攝目標。CCD攝像機的FOV比較符合系統的FOV。

2.2 軟件

算法執行一系列功能步驟，以將系統獲得的TOF數據轉換為3D圖像。接收到激光脈沖后，系統會提供二維深度圖像，其中包括用于軟件處理的角度深度數據和3D圖像可視化數據。首先，將TOF數據轉換為笛卡爾位置。使用每個像素的掃描角度和范圍信息來計算笛卡爾坐標上的XYZ點。使用XYZ點，可以通過點云方案執行3D圖像可視化。在點云方案中，將接收到的數據中的每個XYZ點簡單地繪制在3D笛卡爾坐標中。

3 距離分辨率和3D圖像

雷達系統的距離分辨率是其區分距離或方位非常接近的目標的能力。為了獲得系統在100m處的距離分辨率，測量了所提出系統的TOF的標準偏差。在電動平移臺上以10cm的間隔將測量目標定位在99.8m和100.2m之間。在每個位置使用10，000個激光脈沖獲得標準偏差。

圖2顯示了場景的二維圖像。場景距離約為60m。對于GmAPD陣列1和2，噪聲的平均速率函數分別為16kHz和20kHz，該函數定義為撞擊在檢測器上的背景光子速率與GmAPD陣列的暗計數速率之和。三維圖像以1164點×1170點掃描，視場（FOR）為4°×4°。圖顯示分別由一個GmAPD陣列和兩個GmAPD陣列采集的3D圖像。一個GmAPD陣列獲取的3D圖像文件的容量為162MB，兩個GmAPD陣列獲取的3D圖像文件的容量為3.6MB。

4 小結

本文介紹了使用兩個1×8GmAPD陣列的低噪聲三維成像雷達系統。被動調Q開關微芯片激光器用作光源和cPCI系統，該系統包括TDC，并設置用于快速信號處理。提出的雷達系統能夠以快速的獲取速度獲得清晰的3D圖像，這是通過在TOF數據獲取階段結合使用1×8GmAPD陣列來減少誤報而實現的。為1×8GmAPD陣列系統開發了用于三維可視化的軟件。在100m處測量了系統的距離分辨率，并顯示了白天由一個GmAPD陣列和兩個GmAPD陣列采集的3D圖像。

參考文獻：

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