双通道动态三维成像激光雷达的系统研究

摘要

面阵成像激光雷达作为三维探测的一种全新手段，越来越受到人们的重视，相对于其他激光雷达，它具有成像速度快、测距精度高、不需要扫描装置等优点，在地质地貌捕获、农林植被三维特征捕获、城市规划等领域有广阔的应用前景。
　　 本文在阐述国内外三维成像激光雷达研究进展和目前成像激光雷达面临主要问题的基础上，提出了双通道的结构设计。经过像素级配准后的双通道成像系统克服了单通道只能静止拍摄的缺点，可以两个通道同时对目标场景拍摄，获取在恒定增益和线性增益调制下的灰度图像，进而计算得到距离图。因而双通道成像系统具有动态成像的特点。
　　 本文详细介绍了双通道成像系统的构造，并通过特征点提取和仿射变换相结合的方法实现了两个通道间的配准。研制了整个成像系统的中的电路控制系统，包括信号产生电路、门选通电路、线性增益调制电路、温度控制电路和电源电路，并分析了控制信号的质量对激光雷达测距精度的影响。实验测量结果表明，研制的电路性能良好，对测距精度的影响很小。样机研制完成后分别在室外进行了静态测距和动态模拟实验。实验结果显示：增加半导体激光器的输出功率、提高接收系统的效率后，样机可以在飞机上实现动态成像。
　　 本文还结合成像激光雷达的测距原理，首次分析了在点扩散函数受限的情况下，反射率、实际距离和噪声等因素对成像激光雷达测距精度的影响，得出了在不同区域引起测距误差的主要原因不同的结论。根据理论分析的结果，提出了对拍摄得到的灰度图像进行分块复原来提高测距精度的方法，仿真结果显示：对于距离突变不多的目标场景，该方法复原得到距离图的均方根误差比全局复原方法小。将该方法用于实际拍摄的雷达图像，验证了该方法的有效性。
　　 论文最后对全文的研究成果进行了总结，并对下一步的工作进行了展望。

目录

文摘

英文文摘

致谢

1．绪论

1.1 引言

1.2 课题研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 本论文的主要研究内容

2．双通道成像激光雷达的系统架构

2.1 测距原理与系统整体结构

2.2 像增强器的特性研究

2.2.1 电压与增益关系

2.2.2 像增强器的分辨率

2.3 双通道成像系统的配准

2.3.1 位置调节实现粗匹配

2.3.2 图像处理实现细匹配

2.3.3 灰度响应的匹配

2.4 本章小结

3．控制电路的设计

3.1 控制电路的总体设计

3.2 信号发生电路的设计

3.3 像增强器驱动电路设计

3.3.1 门选通电路的设计

3.3.2 线性增益电路的设计

3.4 温度控制电路的设计

3.4.1 温度控制的意义

3.4.2 半导体激光器温升特性

3.4.3 温控风扇系统的设计

3.5 电源系统的设计

3.6 本章小结

4．电路的性能分析与实验结果

4.1 门选通电路性能分析

4.2 线性增益电路性能分析

4.2.1 线性增益曲线的时间抖动分析

4.2.1 线性增益曲线的线性度分析

4.3 实验结果与分析

4.3.1 静态实验结果与分析

4.3.2 动态实验结果与分析

4.4 本章小结

5．图像处理在提高激光雷达测距性能上的应用

5.1 点扩散函数对测距精度的影响

5.2 分块迭代的复原方法

5.3 分块迭代复原方法的结果分析

5.3.1 仿真结果

5.3.2 实验结果

5.4 本章小结

6．总结与展望

参考文献

硕士期间发表的论文和专利