基于線狀陣列掃描的激光雷達(dá)快速三維成像

曹家軍 許保瑜

摘?要：本文介紹了一種線掃描快速掃描三維激光雷達(dá)成像儀。線陣激光雷達(dá)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理。從一個(gè)單元開始，根據(jù)對(duì)激光束發(fā)射和接收光路的分析，利用光學(xué)原理和解析幾何方法，推導(dǎo)了一種嚴(yán)格的線陣激光雷達(dá)成像方案。計(jì)算公式，分析影響激光雷達(dá)成像質(zhì)量的內(nèi)外因素，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，在30m的距離上，該儀器的工作原理是距離分辨率可達(dá)5cm，探測(cè)直徑大于8cm目標(biāo)，平面擬合后殘差的標(biāo)準(zhǔn)差約為5cm。

關(guān)鍵詞：遙感;激光掃描;三維成像;線陣

1 緒論

基于線狀陣列掃描的激光雷達(dá)最近已成為距離測(cè)量和3D圖像采集的重要方法。許多研究小組已經(jīng)使用了一個(gè)雪崩光電二極管（GmAPD）作為在3D成像激光雷達(dá)系統(tǒng)的檢測(cè)器，由于其非常高的檢測(cè)靈敏度和一個(gè)簡(jiǎn)單的讀出集成電路。但是，當(dāng)在3D成像雷達(dá)系統(tǒng)中使用GmAPD時(shí)，存在一些缺點(diǎn)。首先，由耗盡區(qū)中的熱噪聲引起的暗計(jì)數(shù)在信號(hào)處理階段會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤警報(bào)。其次，GmAPD與光強(qiáng)度無關(guān)，表明它無法區(qū)分信號(hào)和噪聲。因此，在使用GmAPD獲得清晰3D圖像的雷達(dá)系統(tǒng)中，噪聲消除過程至關(guān)重要。

麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了具有GmAPD的3D成像激光雷達(dá)系統(tǒng)。他們的3D成像雷達(dá)系統(tǒng)是緊湊，輕便的系統(tǒng)，具有出色的性能。但是，它會(huì)產(chǎn)生大量噪點(diǎn)，因此需要大量時(shí)間才能去除清晰的3D圖像的噪點(diǎn)，因?yàn)檫@是通過一系列圖像處理算法完成的。

對(duì)于清晰的3D圖像，去除噪聲的階段是必不可少的。因此，我們開發(fā)了一種低噪聲3D成像激光雷達(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過減少兩次原始測(cè)量的飛行時(shí)間（TOF）數(shù)據(jù)的采集階段，減少誤報(bào)，從而以快速的采集速度獲得清晰的3D圖像。1×8GmAPD陣列。

2 低噪聲三維成像激光雷達(dá)系統(tǒng)

雷達(dá)系統(tǒng)分為兩部分：其硬件和軟件。圖1顯示了雷達(dá)系統(tǒng)的示意圖。激光脈沖從光源發(fā)出并穿過光學(xué)系統(tǒng)。一小部分激光脈沖用于生成起始信號(hào)，其余的激光脈沖照射到目標(biāo)上。接收光學(xué)系統(tǒng)收集視場(chǎng)（FOV）中散射的激光脈沖和背景光的一部分。然后，激光返回脈沖和背景光被分束器強(qiáng)度分成兩半，并路由到兩個(gè)GmAPD陣列?！芭c”門比較兩個(gè)GmAPD陣列的到達(dá)時(shí)間，僅當(dāng)來自GmAPD陣列的兩個(gè)信號(hào)之間的時(shí)間差小于固定值時(shí)，才會(huì)生成停止信號(hào)。盡管由于將激光返回脈沖的能量分成兩半而使信號(hào)減小，8]。TOF數(shù)據(jù)是開始信號(hào)和停止信號(hào)之間的時(shí)間差，它是在信號(hào)處理步驟中的TDC上生成的。然后，在圖像處理步驟中，通過點(diǎn)云方法將TOF數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭欢ň嚯x以可視化3D圖像。

2.1 硬件

具有二次諧波產(chǎn)生的二極管泵浦無源Q開關(guān)微芯片激光器（AlphalasPULSELAS-P-1064-300-FC/SHG）用作光源。由于激光器是被動(dòng)調(diào)Q的，因此啟動(dòng)信號(hào)不能由激光器本身產(chǎn)生。因此，一小部分激光脈沖在45°反射鏡處傳輸?shù)焦怆姸O管。用于產(chǎn)生啟動(dòng)信號(hào)的PD是Thorlab高速Si檢測(cè)器。其余的激光脈沖被反射鏡反射并被透鏡L1和L2準(zhǔn)直。由于激光的單偏振，半波片（HWP）位于偏振分束器（PBS）之前，以便控制PBS1處激光脈沖的透射和反射。發(fā)射的激光脈沖通過擴(kuò)束器。由透鏡L3和L4的焦距以及擴(kuò)束器確定的系統(tǒng)的FOV被設(shè)定為與假定高斯傳播的激光束發(fā)散相同。在擴(kuò)束器之后，激光脈沖被兩軸電流掃描儀引導(dǎo)到目標(biāo)，然后被散射。用于控制1×8GmAPD陣列光束指向的兩軸電流掃描儀來自CambridgeTechnology，具有50mm孔徑鏡。來自系統(tǒng)FOV中目標(biāo)和背景光的散射激光脈沖通過兩軸電掃描儀，四分之一波片（QWP），PBS1，通過雙軸電掃描器收集到GmAPD陣列（ID數(shù)量為id150-1×8）中。光學(xué)帶通濾波器HWP2，PBS2和聚焦透鏡按此順序排列。由于微芯片激光器具有較窄的光譜線寬和溫度穩(wěn)定性，因此光學(xué)帶通濾波器具有六個(gè)通道和50ps定時(shí)分辨率的TDC（AgilentU1051A）接收啟動(dòng)和停止信號(hào)，并測(cè)量它們之間的時(shí)間差。AND門的功能是比較由GmAPD陣列1和GmAPD陣列2測(cè)量的TOF。當(dāng)將AND門的功能應(yīng)用于TOF時(shí)，由于GmAPD中每個(gè)像素之間的時(shí)延特性不同，因此需要進(jìn)行校準(zhǔn)陣列1和2被定義為一個(gè)時(shí)間段。單位表示通過將總測(cè)量時(shí)間除以特定值而獲得的時(shí)間間隔。通過計(jì)算系統(tǒng)的總體定時(shí)抖動(dòng)，將時(shí)間段設(shè)置為3ns。

具有固定焦距鏡頭的電荷耦合器件（CCD）攝像機(jī)（PixelinkPL-B953U）被用作安裝在系統(tǒng)光軸上的視軸攝像機(jī)，以拍攝目標(biāo)。CCD攝像機(jī)的FOV比較符合系統(tǒng)的FOV。

2.2 軟件

算法執(zhí)行一系列功能步驟，以將系統(tǒng)獲得的TOF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為3D圖像。接收到激光脈沖后，系統(tǒng)會(huì)提供二維深度圖像，其中包括用于軟件處理的角度深度數(shù)據(jù)和3D圖像可視化數(shù)據(jù)。首先，將TOF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為笛卡爾位置。使用每個(gè)像素的掃描角度和范圍信息來計(jì)算笛卡爾坐標(biāo)上的XYZ點(diǎn)。使用XYZ點(diǎn)，可以通過點(diǎn)云方案執(zhí)行3D圖像可視化。在點(diǎn)云方案中，將接收到的數(shù)據(jù)中的每個(gè)XYZ點(diǎn)簡(jiǎn)單地繪制在3D笛卡爾坐標(biāo)中。

3 距離分辨率和3D圖像

雷達(dá)系統(tǒng)的距離分辨率是其區(qū)分距離或方位非常接近的目標(biāo)的能力。為了獲得系統(tǒng)在100m處的距離分辨率，測(cè)量了所提出系統(tǒng)的TOF的標(biāo)準(zhǔn)偏差。在電動(dòng)平移臺(tái)上以10cm的間隔將測(cè)量目標(biāo)定位在99.8m和100.2m之間。在每個(gè)位置使用10，000個(gè)激光脈沖獲得標(biāo)準(zhǔn)偏差。

圖2顯示了場(chǎng)景的二維圖像。場(chǎng)景距離約為60m。對(duì)于GmAPD陣列1和2，噪聲的平均速率函數(shù)分別為16kHz和20kHz，該函數(shù)定義為撞擊在檢測(cè)器上的背景光子速率與GmAPD陣列的暗計(jì)數(shù)速率之和。三維圖像以1164點(diǎn)×1170點(diǎn)掃描，視場(chǎng)（FOR）為4°×4°。圖顯示分別由一個(gè)GmAPD陣列和兩個(gè)GmAPD陣列采集的3D圖像。一個(gè)GmAPD陣列獲取的3D圖像文件的容量為162MB，兩個(gè)GmAPD陣列獲取的3D圖像文件的容量為3.6MB。

4 小結(jié)

本文介紹了使用兩個(gè)1×8GmAPD陣列的低噪聲三維成像雷達(dá)系統(tǒng)。被動(dòng)調(diào)Q開關(guān)微芯片激光器用作光源和cPCI系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括TDC，并設(shè)置用于快速信號(hào)處理。提出的雷達(dá)系統(tǒng)能夠以快速的獲取速度獲得清晰的3D圖像，這是通過在TOF數(shù)據(jù)獲取階段結(jié)合使用1×8GmAPD陣列來減少誤報(bào)而實(shí)現(xiàn)的。為1×8GmAPD陣列系統(tǒng)開發(fā)了用于三維可視化的軟件。在100m處測(cè)量了系統(tǒng)的距離分辨率，并顯示了白天由一個(gè)GmAPD陣列和兩個(gè)GmAPD陣列采集的3D圖像。

參考文獻(xiàn)：

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