设计了三维成像激光雷达高带宽数据采集与存储系统。为保证系统存储的实时性,通过PCIE 3.0 (peripheral component interface express 3.0)将数据传输到计算机,将回波数据存储到固态硬盘(SSD)大容量盘阵中。针对系统中多片模数转换器(ADCs)采样数据不同步问题,提出了高速信号同步触发电路及现场可编程逻辑门阵列(FPGA)固有路径延迟校准算法。为了精确测量激光雷达内光路触发脉冲与系统时钟之间的延时量,设计了基于多级输入输出延迟(IODELAY)单元的时间数字计数器(TDC)算法,时间分辨率高达52 ps。结果表明,系统最大存储带宽为5.12 GByte/s,存储容量为24 TByte,在数据采集和存储上表现出很强的实时性和同步性,有较高的实用价值。

无扫描激光三维成像雷达具有体积小、质量轻、高分辨率、高精度和对动态目标无失真成像等优点, 目前已成为许多国家研究的重点和热点。本文阐述了闪光式、光子计数、增益调制型等7种无扫描激光三维成像雷达体制和距离选通成像技术的基本原理, 追踪并归纳了其研究进展, 对比分析了各体制的技术优劣, 并从核心器件角度分析了发展趋势。结论如下: 采用2D传感器在光学层面进行时间信息转换实现三维成像的方法具有高分辨率、高能量利用率和高信噪比等特点, 在航天、测绘、**、民用等领域具有突出优势和应用前景。

将成像激光雷达这一新型主动大气探测手段运用于水平大气透过率测量研究。采用矩阵图像错位相加法提高信噪比。获取随距离变化的信号之后, 通过Klett积分结合斜率法的反演方式获得1 km以内水平传输路径上的消光系数分布, 对消光系数进行路径积分, 计算出水平大气透过率。将反演结果与对比实验中直接测量的大气透过率进行对比分析, 发现不同天气情况下两者的相关性系数在0.7以上, 相对误差在20%以内。该成像激光雷达设备可进行有限距离的水平大气透过率探测研究。

针对传统的后向散射激光雷达系统结构复杂和需要几何因子矫正的情况, 研制了一套可以全天候测量的成像激光雷达用以克服这些缺陷。采用基于求解消光系数分布的方法反演能见度, 提出一种Klett后向积分法与遗传算法相结合的改进的迭代算法, 同时用传统的斜率法和权重拟合法求得能见度。选取比较有代表性的四种天气, 多云、阴天、晴天和雨天的数据进行处理, 得到这四种天气情况下的能见度。将这四组能见度数据与能见度仪器 Belfort 6230A在这四天同时测得的能见度数据进行对比, 结果表明, 在不同的天气情况下, 两种仪器测得的数据趋势相同, 相关系数均在0.67以上, 具有较强的相关性。可以得出结论: 研制的成像激光雷达系统可用于探测大气的能见度。

通过设计成像激光雷达的各种参数, 结合一种大气模式模拟得到了一维激光雷达信号, 并根据高斯分布的特点和实测的光束宽度还原了二维光柱图像。对该原始图像加入不同强度的高斯白噪声和一定强度的平均背景,生成类似于成像激光雷达实测信号的染噪图像。使用二维小波变换的方法对染噪的激光雷达光柱图像进行去噪, 获得了较好的去噪效果。去噪后的回波信号与原始回波信号之间的相对误差均在±12%以内。利用去噪的激光雷达信号反演出气溶胶的消光系数。将反演出的气溶胶消光系数与输入的大气模式下气溶胶的消光系数进行对比, 结果表明二者的相对误差在±15%之内, 并且总体变化趋势一致, 由此验证了所提出的利用小波对激光雷达染噪图像进行去噪的可行性。

成像激光雷达作为一种主动成像手段, 具有在低照度、复杂背景条件下获取高分辨率远距离景物三维图像的能力, 作为任务载荷应用于无人机系统领域已成为一种必然趋势, 前景十分广阔。对成像激光雷达技术体制进行总结归类并对其国内外研究进展进行了技术分析, 并在此基础上, 结合无人机载环境特点, 针对典型应用场景, 综合考虑成像距离、成像分辨率、成像范围和成像速度(帧频)等多方面因素, 从总体上探讨并提出无人机载成像激光雷达的一般结构形式、典型技术方案选择和平台适应性要求, 以期对相关技术研究和设备研制起到一定参考作用。

针对采用盖革模式雪崩光电二极管(Gm-APD)作为探测器的成像激光雷达,介绍了其测距原理及3D成像原理,并对如何提高其探测性能的方法进行了分析。以分析Gm-APD触发信号的统计特性为基础,对出现在距离门内不同位置目标的探测概率和虚警概率进行了研究与仿真,结果表明,目标处在距离门最前面时,探测概率受噪声水平影响最小,虚警概率受信号强度影响最大;目标靠近距离门中间位置时,探测概率随噪声水平增大下降缓慢,虚警概率随信号强度增大下降缓慢;目标处在距离门末尾时探测概率受噪声水平影响最大,而虚警概率几乎与回波信号强度无关。

本文介绍了一种基于面阵探测器的凝视成像激光雷达系统。整个系统分为三部分, 第一部分是脉冲激光发射系统, 采用中心波长为 808 nm的半导体堆叠激光器作为光源; 第二部分是接收系统, 由成像物镜, 像增强器和面阵探测器组成。第三部分是计算机图像数据采集处理系统。系统使用分时的两次测量法, 先后用恒定增益和线性增益两种方式对接收到的光强进行调制, 由这两次测量得到的光强信息解调出距离信息。文章分析了系统的噪声特性, 对给定的系统参数用仿真软件估计了距离误差。实验表明, 系统的实际距离分辨力和仿真分析得到的距离分辨力相符。

为了确定成像激光雷达与摄像机两种不同传感器的相互位置参数，建立两者的一一映射关系，在现有激光雷达与摄像机外部参数标定方法的基础上，通过引入奇异值分解技术，对现有标定算法进行了改进。首先，介绍了改进标定算法的基本原理，采用奇异值分解方法求解超定方程组，得到成像激光雷达坐标系与摄像机坐标系之间的投影变换矩阵。为了降低噪声影响，使用非线性优化算法优化初值。然后，利用自制的立体标定靶进行了标定实验，并使用已标定出的结果对成像激光雷达图像和摄像机图像进行了融合实验来验证提出的标定算法。实验结果表明，该算法平均标定精度达到13.33 μm，标准差为7.49 μm，比原始算法提高了1倍，基本满足图像融合对标定精度的一般要求。