新型三维主动光学成像理论与系统研究

论文摘要

三维主动光学探测技术或三维激光激光雷达技术是一种可以获得目标三维空间信息的新型光学探测技术,目前已经广泛应用在目标识别、机器人视觉、地形勘测、三维物体建模等各个领域。三维主动光学成像技术在远距离探测上较其他的三维探测技术有速度快、分辨率高和可靠性高的优点。三维主动光学成像技术作为一种新型的三维探测技术本身还在发展之中,理论基础也在建立之中。本论文在理论上分析了影响三维探测性能的因素,提出并实现了新型的三维探测方法与系统。从光源上将已有的三维主动光学成像系统划分为连续光源三维成像系统和脉冲光源三维成像系统。从光源、光传播介质、目标、背景和光电接收器等方面分析了影响以上两种三维成像系统性能的因素。从信息学的角度,分析了已有的三维主动光学成像系统的性能,提出了测距极限分辨率的概念。通过对连续光源三维成像系统的分析,从优化光源调制方式角度提出了半波相关鉴相法,将测距极限分辨率提高了28%～50%。通过将间接差频测距概念引入连续光源三维成像系统,提出了数值差频三维测距法,将绝对测距量程提高到原来的3倍。从补偿后向散射光功率的角度出发,提出了后向散射实测法来消除后向散射光的影响。新方法扩展了连续光三维探测的应用范围。通过对脉冲光源三维成像系统的分析,通过测距原理上的创新提出了脉冲形状无关的高线性度超测距分辨率三维成像方法。解决了原有超测距分辨率脉冲光源三维成像系统对光脉冲要求极高的问题。从而拓展了可使用的光源范围,使三维成像在远距离探测方法具有更大的发展空间。研制的峰峰值达6A的高频交流驱动电路,实现了对5W连续单管半导体激光器的3MHz调制。研制成峰峰值达600V的谐振高频驱动电路,实现了对像增强器的方波调制。研制了高精度的高频控制电路,频率稳定性好于0.015%,相位稳定性好于0.5%。研制成功基于新方法的连续光源三维成像系统。三维成像获得的图像像素数为800×600,最高帧率为15帧每秒。实验表明该系统在50米景深内的测距精度为0.26米,200米处测距精度为1.2米。研制的峰值电流达180A、脉冲宽度最窄为80ns、重复频率最高50KHz、工作电压最高60V的脉冲电流驱动电路,实现峰值功率864W、平均功率功率16.8W的激光脉冲输出。研制成最高重复率为100KHz、边沿时间50ns的低电磁干扰门驱动电路,实现了对光电接收器的门选通驱动。采用恒压驱动法实现了像增强器的线性时间增调制。研制的时间抖动小于1ns,可2ns步进时间差的双路驱动信号输出。实现了基于新方法的脉冲光源三维成像系统。三维成像获得的图像像素数为800×600,最高帧率为15帧每秒。实验表明系统的测距范围可达1千米以上,距离分辨率好于两米。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 主动成像系统介绍
• 1.2 三维主动光学探测系统介绍
• 1.2.1 点扫描式三维激光雷达
• 1.2.2 基于主动成像的连续光源三维激光雷达
• 1.2.3 基于主动成像的脉冲光源三维激光雷达
• 1.2.4 其他类型的三维激光雷达
• 1.3 论文的研究内容
• 1.4 论文总体结构
• 第二章 三维主动成像理论研究
• 2.1 激光器特性
• 2.2 激光大气传输特性
• 2.3 探测目标与背景光学特性
• 2.3.1 探测目标光学特性
• 2.3.2 背景光学特性
• 2.4 光接收器的特性
• 2.4.1 固体光电器件
• 2.4.2 真空光电器件
• 2.4.3 阵列式数字传感器的特性
• 2.5 已有连续光源三维主动成像系统探测精度分析
• 2.5.1 SRI探测原理与探测极限精度分析
• 2.5.2 系统设计误差对SRI探测的影响
• 2.5.3 探测环境对SRI探测的影响
• 2.5.4 SRI探测的影响因素总结
• 2.6 连续光源新方法研究
• 2.6.1 已有的改进方法
• 2.6.2 半余弦相关三维探测法
• 2.6.3 三次法及其距离测量极限精度
• 2.6.4 数值差频三维探测法
• 2.6.5 后向散射实测补偿法
• 2.7 新型脉冲光源三维主动成像系统研究
• 2.7.1 已有脉冲光源激光雷达性能分析
• 2.7.2 脉冲无关的超分辨率测距精度三维成像系统
• 2.7.3 脉冲无关三维成像系统的性能影响因素
• 2.8 细目标探测新方法
• 2.9 本章小结
• 第三章 新型连续光源三维主动成像系统
• 3.1 新型连续光源三维主动成像系统的总体设计
• 3.2 连续光源系统
• 3.2.1 大功率连续单管半导体激光器驱动特性
• 3.2.2 大功率半导体激光器驱动电路设计
• 3.2.3 大功率半导体激光器驱动电路实现
• 3.2.4 大功率半导体激光器调制实验
• 3.2.5 扩束整形装置
• 3.3 连续光电接收系统
• 3.3.1 微通道板像增强器特性分析
• 3.3.2 微通道板像增强器驱动电路设计
• 3.3.3 微通道板像增强器驱动实现
• 3.3.4 连续光电接收系统组装
• 3.4 连续光源三维成像数字控制处理系统
• 3.4.1 连续光源三维成像数字控制系统
• 3.4.2 连续光源三维成像数字处理系统
• 3.5 半波相关法连续光源三维成像系统
• 3.6 数值差频法连续光源三维成像系统
• 3.7 本章小结
• 第四章 新型脉冲光源三维主动成像系统
• 4.1 脉冲形状无关三维主动成像系统的总体设计
• 4.2 脉冲光源系统
• 4.2.1 脉冲光源系统设计
• 4.2.2 脉冲光源系统实现
• 4.2.3 脉冲光源系统测试
• 4.3 门选通式光电接收系统
• 4.4 连续光源三维成像数字控制处理系统
• 4.4.1 脉冲光源三维成像数字控制处理系统硬件部分
• 4.4.2 脉冲光源三维成像数字控制处理系统软件部分
• 4.5 脉冲光源三维成像系统实验测试
• 4.5.1 脉冲光源三维成像系统在不同脉冲形状下线性度测试
• 4.5.2 脉冲光源三维成像系统三维成像实验
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结与讨论
• 5.1 论文主要进行的工作
• 5.2 论文研究工作中的主要创新
• 5.3 需要解决的问题与可能的解决方法
• 参考文献
• 在读期间发表论文
• 致谢