用于高清晰激光视觉系统的MEMS扫描技术研究

摘要

激光雷达是目前解决三维立体成像最重要的技术手段,具有着一系列特有的优点:如高角分辨率、高距离分辨率和高速度分辨率,而且其抗干扰能力强、抗目标隐身能力强、测速范围广,不仅能得到目标的位置信息,还可以得到速度信息。因此其在智能机器人、无人车或无人机等军事和民用领域都有着广泛的应用价值。所以该技术也是美、日、欧等发达国家在空间技术、地形测绘和海洋监测等多个领域长远规划中大力发展的技术。
　　本论文提出了利用成像激光雷达技术和MEMS振镜扫描技术相结合的方式获得目标三维图像的系统方案,其中距离信息通过脉冲飞行时间测距法获得,而方位和俯仰信息则利用MEMS振镜的二维扫描获得。本论文的主要工作包括以下几个方面:
　　首先给出了MEMS三维激光视觉系统的整体设计方案,然后详细研究了该方案中的关键技术问题,如探测方法、测距方法、时间测量方法等理论,并对MEMS振镜扫描方法和X-Y检流计式振镜扫描方法做了详细对比,最终结合研究状况和论文实际要求确定了本论文中激光视觉系统的主要技术。
　　其次详细研究了MEMS振镜的扫描特性,讨论了信号驱动电压和驱动频率与MEMS振镜扫描角度之间的关系。然后依据MEMS振镜扫描原理,给出了其振动时的数学模型,利用MATLAB仿真软件,详细分析了MEMS振镜在不同频率比和相位差情况下的轨迹特点,并进行实验验证仿真结果。最后针对MEMS振镜扫描角度过小的问题给出了利用正负透镜组扩展技术的解决方案,通过光学设计软件ZEMAX设计了一组正负透镜,并进行了实验验证扩展效果。
　　最后依据MEMS扫描激光视觉系统方案,利用脉冲飞行时间测距法,进行了激光脉冲测距实验,并对实验结果进行相应的处理与分析。

目录

摘 要

Abstract

第1章 绪 论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2成像激光雷达的发展

1.3 MEMS技术的发展

1.4本论文的主要研究内容

第2章 MEMS三维激光视觉系统关键问题研究

2.1 MEMS三维激光视觉系统总体设计

2.1.1 总体设计方案

2.1.2 激光视觉系统探测方法

2.1.3 激光视觉系统探测器选取

2.2 MEMS二维扫描技术

2.2.1 MEMS振镜扫描原理

2.2.2 MEMS振镜扫描轨迹研究

2.2.3 X-Y检流计式振镜扫描原理与仿真研究

2.3 脉冲回波到达时刻与时间间隔测量

2.3.1 脉冲飞行时间测距方法

2.3.2 恒比定时时刻鉴别方法

2.3.3 时间间隔测量方法

2.4目标光学特性

2.5本章小结

第3章 MEMS大视场扫描光学系统设计与实验

3.1 MEMS振镜扫描特性参数实验研究

3.1.1 驱动频率和MEMS振镜扫描角度的关系

3.1.2驱动电压和MEMS振镜扫描角度的关系

3.2 MEMS振镜扫描轨迹特性研究

3.2.1 MEMS振镜扫描轨迹MATLAB仿真

3.2.2 MEMS振镜扫描轨迹实验研究

3.3 MEMS大视场扫描光学系统设计与实现

3.3.1 折叠扫描光学系统设计

3.3.2 设计方案的理论计算

3.3.3 MEMS大视场扫描实验

3.4 本章小结

第4章 MEMS扫描激光脉冲测距实验研究

4.1 测距实验

4.1.1实验方案

4.1.2主要实验装置

4.1.3脉冲激光器性能指标测试

4.2 实验结果及分析

4.3 本章小结

结 论

参考文献

哈尔滨工业大学硕士学位原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢