基于线状阵列扫描的激光雷达快速三维成像

曹家军 许保瑜

摘 要：本文介绍了一种线扫描快速扫描三维激光雷达成像仪。线阵激光雷达的系统结构和工作原理。从一个单元开始，根据对激光束发射和接收光路的分析，利用光学原理和解析几何方法，推导了一种严格的线阵激光雷达成像方案。计算公式，分析影响激光雷达成像质量的内外因素，现场试验表明，在30m的距离上，该仪器的工作原理是距离分辨率可达5cm，探测直径大于8cm目标，平面拟合后残差的标准差约为5cm。

关键词：遥感;激光扫描;三维成像;线阵

1 绪论

基于线状阵列扫描的激光雷达最近已成为距离测量和3D图像采集的重要方法。许多研究小组已经使用了一个雪崩光电二极管（GmAPD）作为在3D成像激光雷达系统的检测器，由于其非常高的检测灵敏度和一个简单的读出集成电路。但是，当在3D成像雷达系统中使用GmAPD时，存在一些缺点。首先，由耗尽区中的热噪声引起的暗计数在信号处理阶段会产生错误警报。其次，GmAPD与光强度无关，表明它无法区分信号和噪声。因此，在使用GmAPD获得清晰3D图像的雷达系统中，噪声消除过程至关重要。

麻省理工学院林肯实验室开发了具有GmAPD的3D成像激光雷达系统。他们的3D成像雷达系统是紧凑，轻便的系统，具有出色的性能。但是，它会产生大量噪点，因此需要大量时间才能去除清晰的3D图像的噪点，因为这是通过一系列图像处理算法完成的。

对于清晰的3D图像，去除噪声的阶段是必不可少的。因此，我们开发了一种低噪声3D成像激光雷达系统，该系统可以通过减少两次原始测量的飞行时间（TOF）数据的采集阶段，减少误报，从而以快速的采集速度获得清晰的3D图像。1×8GmAPD阵列。

2 低噪声三维成像激光雷达系统

雷达系统分为两部分：其硬件和软件。图1显示了雷达系统的示意图。激光脉冲从光源发出并穿过光学系统。一小部分激光脉冲用于生成起始信号，其余的激光脉冲照射到目标上。接收光学系统收集视场（FOV）中散射的激光脉冲和背景光的一部分。然后，激光返回脉冲和背景光被分束器强度分成两半，并路由到两个GmAPD阵列。“与”门比较两个GmAPD阵列的到达时间，仅当来自GmAPD阵列的两个信号之间的时间差小于固定值时，才会生成停止信号。尽管由于将激光返回脉冲的能量分成两半而使信号减小，8]。TOF数据是开始信号和停止信号之间的时间差，它是在信号处理步骤中的TDC上生成的。然后，在图像处理步骤中，通过点云方法将TOF数据传输到一定距离以可视化3D图像。

2.1 硬件

具有二次谐波产生的二极管泵浦无源Q开关微芯片激光器（AlphalasPULSELAS-P-1064-300-FC/SHG）用作光源。由于激光器是被动调Q的，因此启动信号不能由激光器本身产生。因此，一小部分激光脉冲在45°反射鏡处传输到光电二极管。用于产生启动信号的PD是Thorlab高速Si检测器。其余的激光脉冲被反射镜反射并被透镜L1和L2准直。由于激光的单偏振，半波片（HWP）位于偏振分束器（PBS）之前，以便控制PBS1处激光脉冲的透射和反射。发射的激光脉冲通过扩束器。由透镜L3和L4的焦距以及扩束器确定的系统的FOV被设定为与假定高斯传播的激光束发散相同。在扩束器之后，激光脉冲被两轴电流扫描仪引导到目标，然后被散射。用于控制1×8GmAPD阵列光束指向的两轴电流扫描仪来自CambridgeTechnology，具有50mm孔径镜。来自系统FOV中目标和背景光的散射激光脉冲通过两轴电扫描仪，四分之一波片（QWP），PBS1，通过双轴电扫描器收集到GmAPD阵列（ID数量为id150-1×8）中。光学带通滤波器HWP2，PBS2和聚焦透镜按此顺序排列。由于微芯片激光器具有较窄的光谱线宽和温度稳定性，因此光学带通滤波器具有六个通道和50ps定时分辨率的TDC（AgilentU1051A）接收启动和停止信号，并测量它们之间的时间差。AND门的功能是比较由GmAPD阵列1和GmAPD阵列2测量的TOF。当将AND门的功能应用于TOF时，由于GmAPD中每个像素之间的时延特性不同，因此需要进行校准阵列1和2被定义为一个时间段。单位表示通过将总测量时间除以特定值而获得的时间间隔。通过计算系统的总体定时抖动，将时间段设置为3ns。

具有固定焦距镜头的电荷耦合器件（CCD）摄像机（PixelinkPL-B953U）被用作安装在系统光轴上的视轴摄像机，以拍摄目标。CCD摄像机的FOV比较符合系统的FOV。

2.2 软件

算法执行一系列功能步骤，以将系统获得的TOF数据转换为3D图像。接收到激光脉冲后，系统会提供二维深度图像，其中包括用于软件处理的角度深度数据和3D图像可视化数据。首先，将TOF数据转换为笛卡尔位置。使用每个像素的扫描角度和范围信息来计算笛卡尔坐标上的XYZ点。使用XYZ点，可以通过点云方案执行3D图像可视化。在点云方案中，将接收到的数据中的每个XYZ点简单地绘制在3D笛卡尔坐标中。

3 距离分辨率和3D图像

雷达系统的距离分辨率是其区分距离或方位非常接近的目标的能力。为了获得系统在100m处的距离分辨率，测量了所提出系统的TOF的标准偏差。在电动平移台上以10cm的间隔将测量目标定位在99.8m和100.2m之间。在每个位置使用10，000个激光脉冲获得标准偏差。

图2显示了场景的二维图像。场景距离约为60m。对于GmAPD阵列1和2，噪声的平均速率函数分别为16kHz和20kHz，该函数定义为撞击在检测器上的背景光子速率与GmAPD阵列的暗计数速率之和。三维图像以1164点×1170点扫描，视场（FOR）为4°×4°。图显示分别由一个GmAPD阵列和两个GmAPD阵列采集的3D图像。一个GmAPD阵列获取的3D图像文件的容量为162MB，两个GmAPD阵列获取的3D图像文件的容量为3.6MB。

4 小结

本文介绍了使用两个1×8GmAPD阵列的低噪声三维成像雷达系统。被动调Q开关微芯片激光器用作光源和cPCI系统，该系统包括TDC，并设置用于快速信号处理。提出的雷达系统能够以快速的获取速度获得清晰的3D图像，这是通过在TOF数据获取阶段结合使用1×8GmAPD阵列来减少误报而实现的。为1×8GmAPD阵列系统开发了用于三维可视化的软件。在100m处测量了系统的距离分辨率，并显示了白天由一个GmAPD阵列和两个GmAPD阵列采集的3D图像。

参考文献：

[1]蔡银桥，童小华，卜弘毅，等.非平衡状态下星载三维激光雷达图像畸变研究[J].宇航学报，（2）：181-187.

[2]邓志辉，杨华军，朱颖.三维无扫描成像激光雷达原理改进与仿真[J].激光与红外，2011（4）.