条纹管激光雷达成像技术研究
条纹管激光成像雷达是上个世纪末出现的一种新体制激光成像雷达。与传统的点扫描式激光雷达相比,它具有大视场、高帧频等技术优势,是一种能够快速获取目标强度和距离信息的有效手段。经过十几年的研究,条纹管激光成像雷达已经发展出单狭缝、多狭缝、偏振等多种成像方式。国外研究机构已经成功研制出多种条纹管激光雷达系统,并将其成功应用于水雷侦察、鱼群监测、地形测绘等领域,显示了其广阔的应用前景。国内的一些机构注意到它的研究价值,开展了对这种激光雷达的研究工作。 目前,国内外尚没有文献针对这种激光雷达的设计及性能做理论分析和讨论。因此,本文围绕雷达系统理论设计,和成像性能分析过程中所遇到的科学问题,提出了条纹管激光雷达方程,研究了532nm激光大气衰减,分析了大气对成像结果的噪声影响,提出了目标反射率快速测量原理与方法,理论分析并实验研究空间分辨力的制约原理,提出了一种提高距离分辨力的图像处理方法,设计并组建一套条纹管激光成像雷达系统,设计一种新体制条纹管激光雷达。本文研究内容主要包括: (1)提出适合条纹管激光成像雷达理论计算的激光雷达方程,量化方程中的关键参数,摆脱无法确切计算回波功率的困境,使其有能力为激光雷达系统设计提供理论指导。量化关键参数包含三个部分:(a)深入研究大气的光吸收、散射理论和相关数据,确定气溶胶散射是影响532nm激光的主要因素,将大气衰减具体为一个表达式,并得到条纹管光电阴极位置的信噪比表达式。(b)由光度学理论,推导得到适用于激光雷达的目标反射率表达式,实验测量获得多种常用建筑材料的反射率数据,经分析后认为:通过目标反射强度,可以大致判断目标材质,这一论断在目标成像实验中得到了证实。(c)设计实验,以光子计数器作为能量计,测量得到了条纹管最小可探测能量密度的精确数值,为4.87×10-18J/mm2。经远距离成像实验,证明激光雷达的理论计算结果基本符合实际情况。 (2)设计并搭建一套条纹管激光成像雷达系统,根据本文提出的激光雷达方程,计算获得在多种能见度、接收光学系统口径和成像位置条件下,所需的激光发射能量。根据计算结果和雷达系统技术要求,确定激光器单脉冲能量,以及接收光学系统口径等系统参数。对所搭建的雷达系统进行调试和成像实验。该套系统作用距离大于6km,空间角分辨力优于0.5mrad,6km处距离分辨力约为1m,工作频率达到100Hz,数据处理量达到58.6MB/s,且具有快速存储和实时处理能力。 (3)对进一步提高条纹管激光成像雷达的空间分辨力和距离分辨力进行深入研究。通过理论分析、模拟计算和实验测试,证明压缩发射光束是提高空间分辨力方案中比较适合的方法。针对条纹管激光雷达,提出一种图像处理算法。该算法以Hough变换算法为基础,引入了波形优化采样技术,降低噪声干扰,在参数空间中优选参数曲线,降低消耗。该算法在不改变成像设备的条件下,较原算法提高雷达系统的距离分辨力5~20倍,同时大幅降低资源消耗,其运行耗时仅为高斯曲线拟合方法的1/10。 (4)在对各种条纹管激光雷达深入分析后,设计一种无外加狭缝,包含多对偏转电场的条纹管。这种条纹管去除光电阴极前的狭缝和光纤变换器等光线约束装置,充分利用光电阴极的面积,提高目标信息收集效率,保留光电阴极的空间分辨力;条纹管内部偏转电场轮流工作,使带有目标信息的光电子在多方向上偏转。通过对成像过程的分析,发现了“时间空间交叠”现象,并提出了克服这种现象的处理方法,获得了目标强度距离信息。通过模拟仿真,得到了不同类型的几种目标的强度像和距离像,据此确定所采用的成像和处理方案是有效的。分析了这种条纹管的空间分辨力、距离分辨力和成像范围等关键参数。
条纹管激光雷达;成像方式;空间分辨力;图像处理;光束压缩
哈尔滨工业大学
博士
物理电子学
王骐
2013
中文
TN958.98
138
2014-03-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）