激光雷達(dá)成像技術(shù)

激光雷達(dá)成像技術(shù)第1頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一成像技術(shù)要點距離測量技術(shù)直接飛行時間“DirectTime-of-Flight(TOF)”連續(xù)波振幅調(diào)制的相位“Phase-BasedAM-CW”連續(xù)波振幅啁啾調(diào)制“ChirpedAM-CW“連續(xù)波頻率啁啾調(diào)制“Frequencychirp(FM-CW)”成像方式掃描成像（X-Y掃描、線掃描、MEMS或DMD掃描）FLASH成像（焦平面成像）條紋相機(jī)成像距離選通成像相控陣成像合成孔徑成像第2頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一第3頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一激光雷達(dá)常見的性能指標(biāo)最大輻射功率水平視場“horizontalFieldofView(FOV)”垂直視場“verticalFOV”光源波長“Wavelengthofopticalsource”最遠(yuǎn)測量距離“Maximumdistancetobemeasured”測量時間/幀頻“Measurementtime/framerate”縱向分辨率“depthresolution“角分辨率“angularresolution”測距精度“RangeMeasurementaccuracy”第4頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一脈沖飛行時間測量法（1）圖-1純脈沖飛行時間物理過程第5頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一連續(xù)波幅度調(diào)制相位測量法

圖-2飛行時間決定相位的物理過程第6頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一相位差與距離關(guān)系模糊距離信噪比與測距精度舉例1第7頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一連續(xù)波啁啾幅度調(diào)制測量法F-調(diào)制深度T-調(diào)制周期fif-中頻啁啾調(diào)制信號與中頻信號圖示第8頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一第9頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一第10頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一Blockdiagramforanexperimentalsinglechannel(2-D)chirped-AM/cwLADAR

第11頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一連續(xù)波頻率啁啾調(diào)制測量法

第12頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一Frequencychirp(FM-CW)usedintheMetricVisionMV-200coherentLadar.

第13頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一相干激光雷達(dá)距離精度第14頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一外差等效噪聲功率heterodynenoiseequivalentpower(NEP)

信噪比signal-to-noiseratio(SNR)

散焦損耗defocusingloss第15頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一外差探測信噪比受相干長度影響。對于洛倫茲型光源線寬:考慮散焦和相干長度等因素，其效噪比SNR表示為includingthelossesduetothedefocusingandcoherence,theequationbecomes:啁啾激光雷達(dá)1個正弦信號測距精度第16頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一距離精度rangeaccuracy,第17頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一TypicalparametersfortheMetricVisionMV-200CLRTheoreticalRangeAccuraciesforDifferentTargetsforthesensorasdescribed第18頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一

掃描成像第19頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一平行光束掃描

會聚光束掃描第20頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一第21頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一V—高度H(m)的飛行速度；N=mn—探測器單元數(shù)量；dres—探測器面元尺寸

脈沖重復(fù)頻率fr：其中：N(mn)-像素；F-幀頻總的掃描時間：其中：tot-總掃描角；tot-光束發(fā)散角；Tdwell=1/fr-光束滯留時間飛行時掃描頻率：第22頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一掃描時脈沖積累數(shù)：其中：B-天線3dB光束寬度(deg);fr-重頻；m-天線每分轉(zhuǎn)數(shù)瞄準(zhǔn)誤差與滯后角效應(yīng)：其中：-滯后角；d/dt-掃描速率；-往返時間；r-到目標(biāo)距離；c-光速；n-傳播介質(zhì)平均折射率第23頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一第24頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一第25頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一Model6400MovingCoilCapacitivePositionDetectorOpticalScanner第26頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一第27頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一PreliminarySpec'sPE100011PF210012PE200012PE210012Scanspeed(fastaxis)10kHz21kHz20kHz21kHzScanspeed(slowaxis)1.15kHz1.2kHz1.2kHz1.2kHzMirrorplatesize1.2mmCircular0.9mmCircular1.0mmCircular1.0mmCircularOpticalscanningangle±15o/±12o±15o/±15o±15o/±15o±15o/±15oScantrajectory(fastaxis)sinusoidalsinusoidalsinusoidalsinusoidalScantrajectory(slowaxis)sinusoidal

sinusoidalsinusoidalsinusoidalScanjitter<0.1%

<0.1%

<0.1%

<0.1%

Reflectivity>80%@450~650nm>80%@450~650nm>80%@450~650nm>80%@450~650nmMirrorflatness<l/8@635nm<l/8@635nm<l/8@635nm<l/8@635nmOperatingtemperature0o~60oC0o~60oC0o~60oC0o~60oCOperatinghumidity10%~85%10%~85%10%~85%10%~85%Acousticnoise<30dB<30dB<30dB<30dBDrivingprincipleelectrostaticelectrostaticelectrostaticelectrostaticPowerconsumption<40mW<100mW

<100mW

<100mW

Packagefootprint10x10mm28x8mm28x8mm28x8mm2PackagePLCCPLCCPLCCPLCCStatusEngineeringsampleEngineeringsampleEngineeringsampleEngineeringsample先進(jìn)微系統(tǒng)科技(股)公司2D-MEMS

第28頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一OpusMicrosystemsCorp.Taipei,Taiwan,2DMEMS第29頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一mirrorcletech4.24.2mm0.70.7mm~2.02.2mmNoMirrorModelNoMirrorDiameter(mm)Frequency(Hz)Opt.Scanangle()Max.Voltage(V)1S01030.810552/108746.19542S02641.22017/19877.21861273S03942.0935/9077.43091344S02332.4623/6297.10931345S02733.4531/5297.6862140第30頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一第31頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一TheSickLMS200laserscannerImplementationofaRisleyprismscannerforanFPAstaringarrayLADAR.第32頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一Maximumrange3-5kmRangeresolution10mmRangeaccuracyat50m5cmFOV(FieldofView)20ox20o

Laserbeamdivergence500μradDatarate8-10kpoints/sInstrumentmass,power,volume<10kg,<70W,<13LLaser(eye-safety)Class3BDataoutputRange,bearing,centroid第33頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一Microelectro-mechanicalsystem(MEMS)第34頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一距離選通激光成像雷達(dá)BurstilluminationsLadar(BIL)第35頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一距離選通激光成像雷達(dá)激光測距儀+掃描儀+數(shù)字相機(jī)距離范圍：3~800m距離分辨率：厘米量級波長：1.5m第36頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一熱像儀圖像BIL圖像第37頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一第38頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一閃爍式激光成像雷達(dá)機(jī)載激光成像雷達(dá)測距方式:TOF面陣探測器：給出目標(biāo)的角度和距離蓋革模式雪崩二極管(GM-APD)是其核心技術(shù)Jigsawimageofhelicopter第39頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一第40頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一參數(shù)數(shù)值注釋標(biāo)定距離150m視場角10.8在距離150m處直徑為28.3m波長532nm激光遠(yuǎn)場光束圖樣3232點陣按探測器瞬時視場點陣排列激光脈寬300ps半寬度激光脈沖和成像速率16000/s接收孔徑7.5cm有效焦距300mmF數(shù)f/4.0焦平面像素3232縱向設(shè)計100m像素333rad瞬時斜距采樣在150m處為5cm<7.5m視場FOV(3232)10.110.1mrad距離分辨率40cm>7.5mFPA采樣率2GHz500GHz瞬時視場10.110.1mrad在150m處為1.5m正方形第41頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一2003年6月該Jigsaw系統(tǒng)裝在UH-1直升機(jī)上進(jìn)行了飛行實驗隱蔽在樹林中帶偽裝網(wǎng)的坦克目標(biāo)第42頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一飛行實驗中獲取的坦克目標(biāo)的偽彩色3D激光雷達(dá)圖像處理過程顯示第43頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一APD的工作模式

線性模式工作電壓接近并小于雪崩電壓時，M到1000左右就會飽和，這樣的倍增還不足以探測到單光子信號；蓋革模式工作偏壓大于雪崩電壓時，光子信號APD吸收，并使APD迅速雪崩，同時采用一定的抑制電路（無源抑制、有源抑制和主動門抑制），迅速切斷雪崩，使APD恢復(fù)到接收光子的狀態(tài)。第44頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一蓋革模式淬滅電路被動淬滅主動淬滅第45頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一GM-APD:光子/數(shù)字轉(zhuǎn)換Digitallyencoded

photonarrivaltimephotonAPD單元DigitaltimingcircuitLensletarrayAPDarray焦平面CMOSarray第46頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一APD/CMOS時間記錄陣列SiliconAPDsfor<0.9m20-50%探測效率10-kHz暗光子技術(shù)率橋接CMOS計時InGaAsP/InPAPDsfor1~1.5m20-50%探測效率~10-kHz暗光子技術(shù)率TE-cooling(1m)橋接CMOS計時CMOS計時電路t250-500-ps時間分辨率500MHzand1-GHz時鐘100-mmBridge-BondedSiAPDsBump-BondedInGaAsPAPDs第47頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一32x32ArraySilicon(Visible),InGaAs(1-m)32x128ArrayGM-APD陣列CMOS計時電路技術(shù)優(yōu)勢:極高的靈敏度(單光子)極高的距離分辨率(<10cm)高度集成化–距離像數(shù)字化輸出可升級大尺寸面陣第48頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一光子技術(shù)陣列也可用于相干探測（引入本振光子時）使用GM-APD進(jìn)行相干探測的優(yōu)勢:兩種模式激光雷達(dá)探測器陣列工作在近量子極限可使用大尺度面陣探測器GM-APD相干激光成像雷達(dá)SignalPhotonsSignalPhotonsLOPhotons直接探測相干探測第49頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一低光子通量下的干擾Spatial:雙狹縫實驗Temporal:外差探測高光通量低光通量distancextimedistancexIntensityCountsIntensityCountstimeLaser2Laser1Detectorff+f1/f高光通量低光通量第50頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一工作原理LO快門系統(tǒng)在直接探測/相干探測之間轉(zhuǎn)換CW主振蕩器和放大器調(diào)節(jié)產(chǎn)生某一波形兩個面陣探測器（水平和垂直偏振方向）MasterOscillatorAmplitudeModulatorAmplifier/IsolatorStagesWaveformSynthesizerLOShutterAmplitudeModulatorAPDArrays第51頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一經(jīng)典相干探測描述LasersourceAOMFrequencyreferencem,mixingefficiencyPhasefrequency-shifte第52頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一經(jīng)典相干探測:CNR 如果本振光產(chǎn)生的噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它噪聲,則CNR主要由信號回波的散粒噪聲決定，即：第53頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一GMAPD相干探測:CNR 盡管CNR降低3-dB，但有如下好處：單個探測器即可直接探測亦可相干探測，簡化成雙模系統(tǒng)本振光功率:仍為傳統(tǒng)相干探測水平，mW兩級/每個單元可以適用于大面陣探測器 GM-APD與傳統(tǒng)相干探測相比由于散粒噪聲極限的作用使載噪比CNR降低一半第54頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一GM-APD信號光和本振光光子探測

LuuandJiang(Appl.Optics45,3798)developedexpressionforCNRinpresenceofsaturation(NP=totalnumberofphoton“buckets”available)SaturatedNextphotonlikelytohitdeadpixelIncreasingLOorreturnpowerMacropixelNextphotonlikelytohitfreepixelIndividualAPDsFocalPlane第55頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一GM-APD相干探測數(shù)據(jù)處理方法CollectionofGMAPDsactsasasinglecoherentdetectorHistogramofarrivaltimesgivesintensityvstimeFFTordigitallymixwithi.f.toobtainfrequency/phaseTimeresolutionofclock(2GHz)determinesbandwidthAOMFrequencyreferenceLasersourceArrivaltimesHistogramofarrivaltimesPowerspectraldensitySignalProcessingEarlyHitLateHitNoHit第56頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一CNR結(jié)果比較NumberofreturnphotoelectronsCoherentCNR(dB)CNRArrayFilled第57頁，共64頁，2023年，2月20日，星期一CNR與理論值比較-20-