一种少光子高精度多波束激光雷达系统及验证

介绍了一种基于8×8面阵SiPM（Silicon photomultiplier）的少光子高精度多波束三维成像激光雷达系统,并给出了激光测距的理论计算以及系统设计。从64波束线阵激光并行发射出发,采用线阵转面阵光纤的排布技术实现激光发射与探测器接收配准。设计了离轴三反的光学收发系统、超窄带滤波结构以及64通道高速并行读出电路,并搭建了激光雷达样机。实验结果表示,静态21 m测距下,64通道一致性较好,测距精度均达到1 cm,最大距离偏差为6 cm;三维成像中,分辨率达到512×512,成像时间100 ms,能够分辨15 cm不同目标,平面点云厚度为5 cm。     

空间位姿测量中面阵点云CPD方法的优化及验证

面阵激光成像雷达可以实现瞬态三维探测,适用于运动平台及非合作目标的位姿测量。针对相邻像元间具有串扰特性的面阵非均匀格网型稀疏点云,提出了一种适用于空间非合作目标位姿测量的多视角点云自动配准方法。该方法基于改进的相干点漂移(Coherent Point Drift, CPD),将目标点云视为观测数据集,源点云视作为高斯混合模型(Gaussian mixture model, GMM)的质心点集。利用贝叶斯后验概率公式及期望最大化(Expectation-Maximum, EM)方法,对构造的GMM模型似然函数进行求解,在寻优过程中通过点云重叠特性对运算点集的权值参数进行自适应调整。对单次EM迭代后源点云间距离残差进行排序,选取最优变换点云对使用最近邻方法建立局部扰动量,得到每次漂移迭代的空间变换矩阵。为了避免陷入局部解,通过监督点云均方误差更新率,对参与漂移运算的点集属性进行交替。针对空间配准目标,建立了两种近似运行下的阵列成像仿真工况。试验结果表明：在强背景及像元模糊干扰下,该配准框架具有鲁棒性优势,其结果平均最大公共点集测度相对于粗+精组合配准框架提升约61%,可应用于空间面阵平台下...     

高分七号激光测高中全波形回波数据的EMD降噪

针对具有多个高度层的复杂场景,全波形激光测高系统记录的回波信号中往往带有较高的噪声,采用合适的降噪方法将有助于提高计算激光测距的精确性、反演地物垂直结构和构建目标特征参数的准确性。根据高分七号激光测高在轨探测的低信噪比全波形数据的特性,采用经验模态分解（Empirical mode decomposition,EMD）方法来构建典型的本征模函数（Intrinsic mode function, IMF）,对于分解出多个不同尺度IMF的筛选,比较了使用去除高频分量,阈值选取、Wavelet选取和去趋势波动分析（Detrended fluctuation analysis, DFA）等方法与策略,通过降噪效果及定量评价,测试结果表明EMD-DFA1与EMD-1IMF对高分七号激光测高的全波形数据具有较好的降噪效果,其次为EMD-Wavelet和EMD-Threshold。另外通过EMD-DFA1对单个波峰、混叠波峰、多个波峰等不同情况的全波形数据测试,结果表明该方法具有较好的自适应性。     

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。