条纹管成像激光雷达中最优信号宽度的匹配方法

摘要

条纹管成像激光雷达中最优信号宽度的匹配方法，本发明涉及激光雷达中最优信号宽度的匹配方法。本发明是要解决目前的条纹管成像激光雷达在成像过程中并未对信号宽度做最优化处理，导致雷达系统无法获得最高的距离精度，测绘的目标轮廓达不到最清晰的程度。根据条纹管成像激光雷达系统参数确定系统误差和随机误差，根据系统误差和随机误差得到总距离精度随总信号宽度变化的数值模型，根据数值模型极值点确定最佳总信号宽度；根据总信号宽度、静态信号宽度和激光脉宽之间的关系，确定最佳静态信号宽度；通过计算机闭环控制模块和matlab图像处理模块的运算，使静态信号宽度与最佳静态信号宽度相一致。本发明属于雷达技术领域。

说明书

技术领域

本发明属于雷达技术领域，具体地说，本发明涉及激光雷达中最优信号宽度的匹配方 法。

背景技术

与普通微波雷达相比，激光雷达由于使用的是激光束，工作频率较微波高了许多，因 此通常具有高分辨率、高隐蔽性、强抗干扰能力、轻量化等优点。激光雷达可以获得极高 的角度、距离和速度分辨率，通常角分辨率不低于0.1mard。激光直线传播、方向性好、 光束非常窄，只有在其传播路径上才能接收到，因此敌方截获非常困难，且激光雷达的发 射系统(发射望远镜)口径很小，可接收区域窄，有意发射的激光干扰信号进入接收机的概 率极低。

基于条纹管工作原理的阵列探测器，可以线列方式对目标扫描成像。优点是无需复杂 的半导体工艺；降低了高精度时间信息采集难度；采用多极MCP倍增技术，可达单光子 探测灵敏度；“死时间”可忽略不计；光敏面占空比接近～100％，探测效率高。该体制激光 雷达适用于三维测绘，代表性系统有阿雷特联合公司研制的基于条纹管工作原理的激光雷 达。因此，开展基于条纹管线列探测器作为探测单元的线扫描式激光雷达系统研究对三维 地形的测绘具有重大意义。

目前的条纹管成像激光雷达在成像过程中并未对信号宽度做最优化处理，这就导致雷 达系统无法获得最高的距离精度，测绘的目标轮廓达不到最清晰的程度。因此，如何通过 优化信号宽度来进一步改善距离精度目前尚属于条纹管激光雷达的技术空白。

发明内容

本发明是要解决目前的条纹管成像激光雷达在成像过程中并未对信号宽度做最优化 处理，导致雷达系统无法获得最高的距离精度，测绘的目标轮廓达不到最清晰的程度，而 提出了条纹管成像激光雷达中最优信号宽度的匹配方法。

条纹管成像激光雷达中最优信号宽度的匹配方法，它按以下步骤实现：

(1)根据条纹管成像激光雷达系统参数确定系统误差和随机误差，根据系统误差和 随机误差得到总距离精度随总信号宽度变化的数值模型，根据数值模型极值点确定最佳总 信号宽度；其中，所述系统参数包括门宽、CCD分辨率、信噪比以及激光脉宽；

(2)将条纹管成像激光雷达调至静态工作模式，保证激光脉宽和CCD分辨率不变， 根据总信号宽度、静态信号宽度和激光脉宽之间的关系，确定最佳静态信号宽度；

(3)将条纹管第二聚焦极F2与电压控制器相连接，并由计算机自动控制其电压数 值，从而改变获得的静态信号宽度，通过计算机闭环控制模块和matlab图像处理模块的 运算，使静态信号宽度与最佳静态信号宽度相一致，从而实现最优的距离分辨精度，即完 成了条纹管成像激光雷达中最优信号宽度的匹配方法。

发明效果：

本发明通过对条纹管成像激光雷达中条纹管第二聚焦极电压的闭环控制，使静态信号 宽度被调节至最优静态信号宽度值，从而有效解决了最优信号宽度的匹配问题，显著提高 了条纹管成像激光雷达的测距精度。

本发明是一种基于条纹管成像激光雷达的最优信号宽度匹配方法。通过对信号宽度的 匹配优化，能够有效提高测距精度，匹配前后测距精度可提高4倍(从0.25米提高至0.06 米)，从而可使条纹管成像激光激光雷达的目标识别能力、高程测定能力和精确定位能力 得到显著提升，。本发明采用闭环控制算法，能在1分钟以内将信号宽度调节至最优状态， 从而实现高效高速的目标探测，同时全自动化处理大大简化的操作流程并显著提高了工作 效率。硬件上，本发明在现有的条纹管激光雷达系统上仅需要增加一个电压控制模块，有 效地控制了设备的生产成本。计算机控制中采用一些现有的程序模块，操作简洁，使非计 算机专业人员也能够快速掌握。

附图说明

图1是条纹管成像激光雷达的基本工作原理图；

图2是系统误差与信号宽度之间的关系曲线图；

图3是随机误差与信号宽度之间的关系曲线图；

图4是总距离误差与信号宽度之间的关系曲线图；

图5是F2电压闭环控制流程图

图6是成像实例装置图

图7是信号宽度最优匹配前后距离精度比较图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的条纹管成像激光雷达系统一般的工作原理如图1所 示。激光发射机将扇形激光束透射至目标并在目标上形成线型激光脚点，激光回波信号经 镜头成像于光阴极上，光阴极将光子转换成电子，在聚焦极的加速电场作用下轰击磷屏产 生图像。电子在加速过程中会由于垂直于加速电场的偏转电压的作用而产生平移，使得不 同时刻到达的回波信号在磷屏上能被空间分辨开。当偏转电压为0时，激光雷达系统工作 于静态模式下，此时激光雷达系统相当于一个电子成像系统，当偏转电压不为0时，激光 雷达系统具有时间分辨能力。通常磷屏图像由一个光纤锥耦合的CCD来采集，CCD上的 信号在垂直方向上代表了不同的目标距离，在水平方向上代表了不同的方位角。

(1)根据条纹管成像激光雷达系统参数确定系统误差和随机误差，根据系统误差和 随机误差得到总距离精度随总信号宽度变化的数值模型，根据数值模型极值点确定最佳总 信号宽度；其中，所述系统参数包括门宽、CCD分辨率、信噪比以及激光脉宽；

(2)将条纹管成像激光雷达调至静态工作模式，保证激光脉宽和CCD分辨率不变， 根据总信号宽度、静态信号宽度和激光脉宽之间的关系，确定最佳静态信号宽度；

(3)将条纹管第二聚焦极(F2)与电压控制器相连接，并由计算机自动控制其电压 数值，从而改变获得的静态信号宽度，通过计算机闭环控制模块和matlab图像处理模块 的运算，使静态信号宽度与最佳静态信号宽度相一致，从而实现最优的距离分辨精度，即 完成了条纹管成像激光雷达中最优信号宽度的匹配方法；

(4)将条纹管成像激光雷达调至动态工作模式，利用处于最佳信号总宽度状态下的 条纹管成像激光雷达系统对目标进行扫描成像，最终获得目标的点云数据。所述步骤(4) 将条纹管成像激光雷达调至动态工作模式，利用处于最优总信号宽度状态下的条纹管成像 激光雷达系统对目标进行扫描成像，最终获得目标的点云数据，根据点云数据可以验证最 优信号宽度匹配前后的测距精度可以提高约4倍。具体为：利用扫帚式扫描，对被测目标 进行成像，获得的原始条纹数据经后续处理便可得到目标的三维点云数据。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤(1)中根据条 纹管成像激光雷达系统参数确定系统误差和随机误差具体为：

条纹管成像激光雷达的系统误差σ_sys为：

$\left(\begin{array}{c}{\sigma }_{sys}=\frac{D}{N_{ccd}}{\int }_{\Delta =-0.5}^{\Delta =0.5}{\left(x_{cal}-x_0\right)}^{2}d\Delta \\ =\frac{D}{N_{ccd}}{\int }_{\Delta =-0.5}^{\Delta =0.5}{\left(\frac{{\Sigma }_{i=1}^{2m+1}\left(i-m-1\right)\exp \left[-\frac{{\left(i-m-\Delta -1\right)}^2}{2{\tau }^2}\right]}{{\Sigma }_{i=1}^{2m+1}\exp \left[-\frac{{\left(i-m-\Delta -1\right)}^2}{2{\tau }^2}\right]}-\Delta \right)}^{2}d\Delta \end{array}\right)$

其中，D为门宽，N_ccd为CCD分辨率行数，x_cal为计算得到的目标信号的质心位置， x₀为目标信号的真实质心位置，Δ为目标信号的真实质心位置与CCD采样坐标系零点间 的偏移，m为目标信号在CCD中所占的采样点个数，i为加和角标，τ为总信号宽度；

系统采用1000米距离门宽(D＝1000)和1000×1000像素的CCD，通过计算可以得 到σ_sys与τ之间的关系，如图2所示。

利用误差传递法得到条纹管成像激光雷达的随机误差σ_ran为：

${\sigma }_{ran}=\frac{D\tau }{N_{ccd}{\left({\Sigma }_{i=1}^{2m+1}{I}_i\right)}^{1/2}}$

其中，D为门宽，N_ccd为CCD分辨率行数，τ为总信号宽度，m为目标信号在CCD 中所占的采样点个数，i为加和角标，I_i为第i个采样点的信号强度。

随机误差与信号宽度成正比，与信号总能量的开方成反比。因为入射能量一定，不饱 和情况下，信号总能量与信号宽度无关，则可以得到固定信号总能量下随机误差与信号宽 度之间的关系，如图3所示。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤(1)中根 据系统误差和随机误差得到总距离精度随总信号宽度变化的数值模型具体为：

将系统误差和随机误差表达式带入上式，得到总距离精度σ与总信号宽度之间的关系式：

$\sigma =\sqrt{{\left(\frac{D}{N_{ccd}}{\int }_{\Delta =-0.5}^{\Delta =0.5}{\left(\frac{{\Sigma }_{i=1}^{2m+1}\left(i-m-1\right)\exp \left[-\frac{{\left(i-m-\Delta -1\right)}^2}{2{\tau }^2}\right]}{{\Sigma }_{i=1}^{2m+1}\exp \left[-\frac{{\left(i-m-\Delta -1\right)}^2}{2{\tau }^2}\right]}-\Delta \right)}^{2}d\Delta \right)}^2+{\left(\frac{D\tau }{N_{ccd}{\left({\Sigma }_{i=1}^{2m+1}{I}_i\right)}^{1/2}}\right)}^2}.$

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述步骤(1) 中根据数值模型极值点确定最佳总信号宽度具体为：

根据总距离精度σ随总信号宽度变化的数值模型计算得到总距离精度σ随总信号宽 度之间的关系曲线的极值点，该极值点对应的信号宽度值即为最优信号宽度值 τ_optimal＝0.35。

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：

条纹管成像激光雷达的分辨率由加在阴极和磷屏间的一对正交电压(F1、F2)决定， 其中，通过调节F1可以改变其方位角分辨率，通过调节F2可以改变其距离分辨率。距 离分辨率直接决定了静态模式下条纹图像的静态信号宽度，所以在成像过程中，可以通过 改变F2电压来使系统具有最优静态信号宽度τ_opt-static，从而实现雷达系统距离精度的提高。

所述步骤(2)具体为：

一、将条纹管成像激光雷达的条纹管的偏转板上扫描电压设为0，条纹管成像激光雷 达系统将工作于静态模式，此时条纹管成像激光雷达系统相当于一个电子成像系统，直接 获得激光脚点的条纹图像，通过改变光阴极与磷屏间的加速电压，调节信号图像的静态信 号宽度τ_static；

二、当偏转板上加入扫描电压后，雷达系统具有了距离分辨能力，此时激光脚点的条 纹图像将被展宽，展宽后的条纹总信号宽度τ为：

$\tau ={({{\tau }_{static}}^2+{\left(\frac{N_{ccd}{\tau }_{laser}}{D}\right)}^2)}^{1/2}$

则静态信号宽度表达式为：

${\tau }_{static}={({\tau }^2-{\left(\frac{N_{ccd}{\tau }_{laser}}{D}\right)}^2)}^{\frac{1}{2}}$

其中，所述τ_static为静态信号宽度，N_ccd为CCD分辨率行数，τ_laser为激光脉宽，D为门宽；

三、一般情况下τ_laser为系统固定参数，将最优总信号宽度值τ_optimal带入静态信号宽度 表达式中，得到最优静态信号宽度τ_opt-static为：

${\tau }_{opt-static}={({{\tau }_{optimal}}^2-{\left(\frac{N_{ccd}{\tau }_{laser}}{D}\right)}^2)}^{\frac{1}{2}}.$

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：

具体闭环控制流程如图5所示。

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

所述步骤(3)通过计算机闭环控制模块和matlab图像处理模块的运算，使静态信号 宽度与最佳静态信号宽度相一致，从而实现最优的距离分辨精度具体为：

一、首先通过matlab图形处理单元计算静态信号的宽度；

二、计算静态信号的宽度与最优静态信号宽度比较，计算机判断后自动调节F2电压；

三、再次计算F2电压调节后的静态信号宽度并与最优静态信号宽度相比较，当静态 信号宽度与最优静态信号宽度像差不超过0.1像素时，则系统处于最优成像状态，即获得 最高的距离精度。

四、其他步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

实施例：

如图6所示，在实验室内利用条纹光成像激光雷达系统展开距离分辨实验，激光器发 射532nm激光脉冲，经波束整形后由扫描转镜反射至目标上，形成线型激光脚点，回波 信号由70-300mm尼康镜头接受后成像于条纹光成像激光雷达的条纹管的光阴极上，光 阴极将光子转换为电子，电子经加速偏转后轰击磷屏发光，最后利用耦合与磷屏上的高分 辨率CCD采集信号并传输给计算机进行分析处理。条纹管的第二聚焦极电压由电压控制 模块控制，计算机自动闭环控制电压模块需要输出的电压，同时根据采集到的信号图像计 算静态信号宽度，最终使静态信号宽度能够与最优静态信号宽度相匹配，从而达到最高测 距精度。通过调节数字信号延时发生器的三路信号之间的延时值，使激光器，条纹管和 CCD的开门时间相互匹配。

通过对距离为10米的平面目标的距离分辨实验，可以有效验证测距精度的改善情况。 如图7所示，当条纹管成像激光雷达系统处于初始静态信号宽度状态时，测定目标距离的 离散程度较大，测距精度达到0.25米左右。当静态信号宽度匹配至最优静态信号宽度值 时，测定目标距离的离散程度显著降低，测距精度提高到0.06米左右，测距精度提高约4 倍。