基于ICCD的无扫描脉冲成像激光雷达系统研究

摘要

成像激光雷达是一种主动光电成像系统，由于其具有分辨率高、作用距离远和获得信息丰富等优势成为探测成像领域研究的热点。无扫描成像激光雷达通过焦平面探测器实现凝视成像，在系统体积、重量、功耗和成像速率方面与传统扫描成像激光雷达相比具有很大的优势。ICCD是一种具有高灵敏度、高时间分辨率的积分型阵列探测器，在目前功率型探测器阵列发展不够成熟的情况下，ICCD成为了无扫描成像激光雷达主要的成像器件。
　　本文基于间接获得距离信息的原理，经过理论分析和推导得到基于ICCD的无扫描成像激光雷达测距方程。利用该方程对基于ICCD的无扫描成像激光雷达测距精度进行了理论研究，研究结果表明ICCD的调制精度、激光回波光强、器件信噪比是影响系统测距精度的主要因素。
　　在理论研究的基础上设计并研制了基于ICCD的无扫描成像激光雷达实验平台，该平台在高压、高速和高时间精度的控制方面取得了进展，突破了液晶光栅、达曼光栅联用的高效均匀照明技术、高速选通控制技术、ICCD高压调制技术和高时间精度系统同步控制技术等关键技术，并完成了一系列平台性能测试实验。利用建成的该硬件平台开展了基于ICCD的增益调制无扫描激光雷达成像实验，实验结果表明，系统测距精度优于1m，成像帧频高于25Hz。
　　提出了一种基于ICCD的距离选通无扫描成像激光雷达改进方案，对该方案中成像所需的最佳切片数和切片过程的最佳起始位置进行了理论分析，给出了最佳切片数和最佳起始位置与激光脉冲宽度、选通门宽度、选通门移动步长和系统信噪比的关系式，进一步得出了系统测距精度与系统主要参数的关系式。利用所建立的平台完成了改进系统的室内及外场实验，实验结果表明，改进系统的测距精度在室内为0.1m，室外为0.8m。基于最佳切片数和最佳起始位置的研究成果，提出了改进的距离选通无扫描激光雷达数据处理算法，实验结果表明，该算法能够将系统的测距精度由0.8m提高到0.3m。
　　针对器件信噪比是制约无扫描成像激光雷达测距精度的瓶颈，在目前工艺水平无法大幅提升器件信噪比的条件下，提出采用高信噪比强度像作为参考图像，通过高信噪比强度像信息对距离像进行分割，在分割区域内滤波的图像处理方法，利用该算法对实际距离图像的处理结果表明，在不影响系统成像速度的前提下，该方法可将系统测距精度提高1倍以上。

目录

摘要

Abstract

Contents

第 1 章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 无扫描成像激光雷达发展现状

1.2.1 基于连续波体制的无扫描成像激光雷达

1.2.2 脉冲体制无扫描成像激光雷达

1.2.3 距离选通无扫描成像激光雷达的理论研究

1.3 无扫描成像激光雷达处理算法研究现状

1.4 本课题研究的主要内容

第 2 章 基于 ICCD 的无扫描成像激光雷达测距体制 研究

2.1 引言

2.2 基于ICCD的无扫描成像激光雷达测距原理

2.2.1 基于ICCD的距离选通无扫描成像激光雷达测距方程

2.2.2 基于ICCD的无扫描成像激光雷达测距方程

2.3 基于ICCD的无扫描成像激光雷达测距精度

2.3.1 调制斜率的影响

2.3.2 ICCD系统噪声影响

2.3.3 回波强度造成的起伏影响

2.3.4 回波强度不同造成的增益偏离

2.3.5 各参数对系统测距精度的综合影响

2.4 本章小结

第 3 章 基于 ICCD 的无扫描成像激光雷达平台研制

3.1 引言

3.2 基于ICCD的无扫描成像激光雷达系统结构

3.2.1 发射光学系统

3.2.2 接收光学系统

3.2.3 ICCD 选通系统

3.2.4 ICCD 调制系统

3.2.5 同步控制系统

3.3 平台性能测试实验

3.3.1 照明均匀性测试实验

3.3.2 背景光影响测试实验

3.3.3 距离成像性能测试实验

3.3.4 距离分辨率测试实验

3.4 本章小结

第 4 章 基于 ICCD 的距离选通无扫描成像激光雷达 系统研究

4.1 引言

4.2 距离选通成像激光雷达最佳切片数和最佳起始位置研究

4.2.1 距离选通激光雷达系统切片数与测距误差的关系

4.2.2 距离选通无扫描激光雷达最佳切片数计算方法

4.2.3 距离选通无扫描激光雷达最佳起始位置计算方法

4.2.4 改进的距离选通无扫描激光雷达数据处理方法

4.3 改进的距离选通无扫描成像激光雷达系统

4.4 改进的距离选通无扫描成像激光雷达系统成像实验

4.4.1 起始切片位置对测距精度影响的实验验证

4.4.2 改进的距离选通成像系统成像处理算法实验验证

4.5 本章小结

第 5 章 基于 ICCD 的无扫描成像激光雷达图像处理 算法研究

5.1 引言

5.2 提高无扫描成像激光雷达测距精度的图像处理算法

5.2.1 ICCD 噪声特性分析

5.2.2 改进邻域平均图像处理算法

5.2.3 改进算法对实际图像的处理及分析

5.3 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间所发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历