激光雷达扫描方式

为实现激光束对空域的有效扫描和探测,研究了栅形扫描、李萨茹形扫描、螺旋形扫描和六边形扫描四种常见的激光雷达扫描方式,推导了相应的扫描方程,讨论了参数的物理意义及调整方法;重点研究了栅形扫描和六边形扫描方式下光斑的分布情况,通过仿真分析了两种扫描方式下光束的漏扫率和重叠率,结果表明,在相同扫描条件下六边形扫描方式的漏扫区域最少。展示了基于上述研究内容的扫描控制系统实物图及扫描图案。分析总结了四种扫描方式的特点,给出了每种扫描方式的适用情况及使用建议。

     

扫描成像跟踪激光雷达

设计了一种基于激光图像跟踪的激光雷达系统来实现目标的跟踪测量。该系统通过激光光束二维扫描,形成包含距离和角度信息的三维图像,由测量视场内运动目标的几何中心与视场中心的角度偏差获得脱靶量,利用脱靶量驱动伺服机构使目标几何中心处于雷达扫描视场中心,从而实现目标的实时跟踪,并输出目标距离和角度信息。实测结果表明：采用设计的激光雷达系统对距离900 m的目标进行测量,测距精度优于0.25 m,角跟踪精度优于0.07°,角跟踪能力优于1.2（°）/s,实现了快速捕获目标、高精度跟踪测量和系统小型化等既定目标。     

移动式多普勒激光雷达光束扫描及风场反演技术研究

移动式多普勒激光雷达在外场实验过程中,考虑到工作平台的随机性,测量坐标系很可能不再是地面参考坐标系,这为三维矢量风场的反演带来困难。提出采用三维空间坐标旋转变换的方法建立了测量坐标系与地面参考坐标系的一般关系式,并进一步导出了反演三维风场的普遍公式。此外,在光束扫描过程中,由于二维扫描仪加工精度等的限制,光束存在一定的定向误差。采用Monte-Carlo模拟方法定量研究了光束指向偏差引起的风场测量误差,结果表明,当水平风速为100m/s时,1°的光束定向误差引起的水平风速大小误差为0.712m/s,方向误差为0.704°,与理论计算结果一致。理论分析结果还表明:当水平风速为100m/s时,1°的光束最大定向偏差引起的水平风速大小的最大偏差为1.16m/s,方向最大偏差为1°。     

基于激光雷达平面实时定位研究

将激光雷达安置于坐标原点,利用激光雷达测定平面上目标点坐标(r,θ),实现对目标点的定位。为了避免激光雷达测量上的视野盲区,设置激光雷达在平面上360°旋转对空间进行扫描捕获目标点,为了消除激光雷达位于一固定点对目标点的定位,导致定位测量上数据的单一性,将激光雷达置于一移动平台,构建动态坐标系,测量与平台同平面目标点相对激光雷达位置的坐标(r_i,θ_i),通过坐标转换,将多次测量的坐标平均值作为目标点的定位坐标值,实现对平面上特征点的定位,最后利用MATLAB进行数据处理绘图。     

机载扫描激光雷达的研制

研制了一台机载三维激光雷达系统,它采用Nd:YAG高重频激光器作为光源,检流计和摆镜构成扫描机构,C30659-1060-R8B雪崩激光二极管作为望远镜回波探测,si的PIN管作为发射光触发脉冲的探测,时间间隔测最卡用来探测距离.探测的距离精度35 cm,振镜摆动频率:50 Hz(光学角±10°),20 Hz(光学角±25°);振镜摆动角度:机械摆角±12.5°(实现光学摆角±25°);回波强度8 bit;高重复频率累加可以得到三维的距离和强度信息.     

高光谱成像激光雷达扫描镜的分析与设计

扫描镜是高光谱成像激光雷达的重要组成部件,因此,分析了多面体转镜扫描、振镜扫描、圆锥扫描三种扫描方式,推导了不同扫描方式的轨迹,并结合飞机航迹得到发射激光扫描轨迹与扫描方式的关系.在此基础上,设计了一种用于高光谱成像激光雷达系统的圆锥扫描方式.实验结果表明,在飞行高度为500 m、激光脉冲重复频率为130 kHz、激光...     

基于参数化盲反卷积的三维非扫描激光雷达距离估计

三维(3D)非扫描激光雷达具有多表面目标距离分辨能力,可以用于对隐藏和伪装目标的识别。为了快速、准确地估计3D非扫描激光雷达多表面目标距离信息,提出了基于期望值最大化(EM)的单像素多表面目标的距离估计算法,通过对系统点扩展函数的参数化,该算法可以同时估计出成像系统点扩展函数和目标的距离信息。仿真实验结果表明,相比于传统的混合高斯匹配算法和维纳空间滤波算法,该算法在系统点扩展函数未知的条件下,可以将目标的距离估计精度分别提升大约70%和40%。     

双扫描激光雷达精细探测低层大气气溶胶方法

为实现水平非均匀分布的低层大气气溶胶光学特性的遥感探测,提出一种基于双扫描激光雷达的气溶胶精细探测方法.该方法以扫描激光雷达为遥感探测工具,通过双激光雷达相向交叉扫描工作模式,实现对同一空域近地表气溶胶全视野剖面的交叉探测,从而提供双激光雷达方程组以精确求解气溶胶消光和后向散射系数.在数据反演过程中,通过对交叉扫描区域进行坐标化和网格化处理、网格像素单元的初值预设,以及双扫描激光雷达方程组的数值逼近反演得到气溶胶消光.利用长距离扫描激光雷达的数据对该方法进行验证,结果表明,该方法与多角度方法反演所得到的结果随高度变化的趋势具有高度的一致性;同时双扫描激光雷达可提供交叉扫描区域剖面的气溶胶浓度分布,相比于单条廓线具有较大的优势.     

一种提高非扫描激光雷达距离分辨率的方法

现有非扫描激光雷达阵列探测器的信噪比较低,影响到系统的距离分辨率,详细分析了阵列探测器的噪声特性,得出了噪声满足各态历经性的重要结论,并指出在输入信号相同的条件下,可以通过空域积累代替时域积累的方法提高距离探测器的信噪比.并根据前述结论针对非扫描激光雷达/电视复合成像系统,提出一种采用改进邻域平均的图像处理方法提高非扫描激光雷达系统距离分辨率的图像处理方法,并应用于实际系统,结果表明该方法能够有效提高非扫描激光雷达系统距离分辨率.     

基于压缩光的量子激光雷达技术

利用Wigner函数对真空态、单光子态、压缩态在相空间的噪声分布进行仿真,并系统分析了基于压缩光的量子相干激光雷达和压缩光注入式量子激光雷达.研究表明,相比经典激光雷达,较高压缩度有利于量子相干激光雷达探测信噪比的提升,理论上8dB的压缩度可以使信噪比提高6.25倍;而压缩光注入式量子激光雷达系统的空间分辨率主要取决于真空压缩光的压缩度和无噪声相敏放大系统的增益.由于压缩光对探测信噪比的提升作用,量子激光雷达在微弱信号探测和高分辨率成像领域具有显著优势.     

一种基于激光反射的测量微小尺寸改进型技术研究

随着科技的发展,对测量微小物体尺寸的精确度、速度都提出了新的要求,作者曾提出过一种基于激光发射测量微小物体尺寸的技术(见文献1).该技术原理简单,测量微小物体尺寸的误差可控.然而,该技术在测量物体的大小方面还存在着一定的局限性;同时为了使系统达到最大测量范围,小齿的斜面与底板夹角α在实际过程中需要讨论.本研究对实验装置进行适当改进,从而解决了上述瓶颈问题.     

基于激光多普勒技术扭振测量的研究

提出一种基于激光多普勒技术和光学外差原理对高速回转机械进行扭振测量的新方法,分析了工作原理,推导出光路部分的数学模型,并通过实验分别验证了测量方法的可行性和准确性。高相干激光投射到转轴同一个截面上2点,反射光的多普勒频移正比于转轴转速,通过光学配置,使前后两个时刻的多普勒频移光信号在光探测器上发生光学混频,光电流拍差正比于转轴在两个时刻的速度差,控制两个时刻时间差很小,直接得到角加速度。与其他激光多普勒扭振测量方法相比,该方法直接测量转动角加速度,在保证测量精度的前提下,提高了扭转振动测量的实时性,极大地扩展了扭振测量的动态范围,对大型回转机械运行状态监测和故障诊断具有重要意义。     

双探头三维表面轮廓测量系统

提出了一种将原子力显微(AFM)探头与位置敏感探测器测距探头相结合的双探头三维表面轮廓测量新方法, 可在获取样品表面轮廓的同时, 测定样品局部形貌。搭建了双探头三维表面轮廓测量系统, 阐述了系统的工作原理, 并对其结构组成包括双探头、步进扫描台和计算机控制平台进行了说明。用2000 line/mm的光栅进行了扫描实验, 对系统的测量范围进行了标定。以外径8 mm、内径4 mm的金属垫圈为样品, 进行了整体三维表面轮廓与局部表面形貌测量实验, 给出了垫圈表面图和局部三维形貌图。结果表明, 该系统能满足不同尺寸和材质的样品的测量要求, 即可实现对样品轮廓的大范围扫描测量, 又可对样品局部进行高精度形貌测量。     

基于激光反射的测量微小物体尺寸技术研究

本文就一种基于反射原理,测量微小距离的技术进行了研究.该技术通过记录反射光的数目来获得物体的尺度,操作简单,制作工艺成熟,易于实现.其精度可以与所用激光束的纤细度比拟,具有较大的现实意义.     

基于背景特征参数的激光雷达目标检测

激光雷达的弱小目标检测是激光雷达的关键技术, 其主要研究难点之一是在低信噪比下, 可用于区分目标与背景噪声的特征少。研究的对象是激光雷达的远距离目标回波, 主要指空中飞机目标。根据试验得到的数据, 发现目标点在背景中往往是一些孤立的点, 与背景的相关性较小。而背景中的任一点与前后背景点相关性较强, 可以用周围的点进行线形或非线性表示。为解决低信噪比下激光雷达的目标检测问题, 提出了基于背景特征参数的目标检测算法。运用高阶统计量作为背景特征值对杂波数据进行处理。在一个小区域内, 背景的高阶统计量不会有很大的起伏, 而目标在它所在的区域内具有相对突出的变化。信噪比得以提高, 然后通过恒虚警检测和多帧相关检测, 获取真正的目标。试验结果表明该方法非常有效, 实时性强, 具有较高的实用价值。     

用Hough变换提高激光光斑中心定位精度的算法

在激光扫描大型三维曲面测量中, 激光光斑中心的准确定位是提高测量分辨力的关键。当测距范围较大时, 受多种因素的影响, 激光光强分布严重不均致使其几何中心与强度中心发生了偏离。此时, 传统的光斑中心提取方法不能适用。为此, 根据光斑图像仍能给出圆形光斑的大部分轮廓这一特点, 提出了基于Ｈｏｕｇｈ 变换的激光光斑中心读取方法。实验结果表明该方法对提高大型三维曲面测量精度是有效的。     

激光外差干涉快速超精密测量模型研究

为了精确地描述激光外差干涉在快速超精密测量中的位移测量．建立了激光外差干涉快速超精密测量模型。传统外差干涉测量模型采用舍去高阶误差的方法,便于分析与快速计算,但存快速纳米精度测量中,高阶误差已经影响到测量精度．根据多普勒频移公式,通过分析激光外差干涉的测量原理．在已有的激光干涉测量模型上增加了u^2/c的积分项．相当于将传统测量模型进行了高阶误差补偿。通过理论分析可知,当最高测量速度为1m/s,运行位移为3m时,该测量模型能够减小约18nm的测量误差,解决了传统测量模型存存的残余误差累计问题,从而为激光外差干涉在快速超精密测量领域的应用提供了一种理论依据。     

一种新的激光车辙深度测量方法研究

车辙深度测量通常使用共梁式多路激光测距传感器测量路面多个离散点,由多个测量点组成的断面信息计算车辙深度,因横向采样点间距宽,导致测量误差较大。提出了一种新的激光车辙深度测量方法,采用线激光器和三维(3D)相机组合集成测量路面3D断面,通过3D断面解算车辙深度。3D相机以一定夹角采集激光器投射在路面的线结构光图像,获取路面的3D断面数据,对断面数据通过拉依达准则进行异常值剔除,再进行旋转、平移和模型识别,最终计算路面左右轮迹和最大车辙深度。实际证明,数据重复性和相关性都达到98%以上,与传统方法相比较,该方法采样间距小、测量精度高、成本低、通用性强,具有广阔的使用推广价值。     

基于激光雷达的多旋翼飞行器实时避障系统

针对多旋翼飞行器的障碍物规避问题,提出一种基于激光雷达的自主飞行多旋翼飞行器避障系统,实现多旋翼飞行器自主飞行的实时避障;该避障系统针对静态、低速运动障碍物,综合飞行器本体姿态、速度、加速度等状态信息,建立基于改进势场法的避障模型和算法;在机器人操作系统(ROS,Robot Operating System)平台进行该避障系统的软件实现,其通过串口与飞控进行通信,完成多旋翼飞行器的自主避障飞行;同时,为了使该系统能在强光环境正常工作,在不影响系统实时性的前提下,对激光雷达的干扰问题进行优化设计;大量实验表明:该避障算法计算量小,能够保证避障系统的实时性,在机体慢速以及低速运动(机体与障碍物之间的相对运动速度小于等于3 m/s)的场景中能够正确检测范围6 m内,并迅速规避障碍物。     

半正弦波相关型三维激光雷达

提出了基于半正弦波-方波相关法的凝视成像三维激光雷达.用傅里叶级数展开对新方法进行了分析.理论分析表明,半正弦-方波相关可以在抑制高频噪音的同时加大调制的交流分量.基于新相关方法的探测系统可以在不损失测距准确度的条件下可以获得更大的输出光功率从而获得更大的探测距离.采用基于新方法的探测装置对~70 m外约100 m2的目标进行了探测实验.实验结果表明,基于新方法的激光雷达在60 m处的分辨率约为0.3 m,从而验证了理论分析的结论.