激光雷达成像技术

激光雷达成像技术第1页，共64页，2023年，2月20日，星期一成像技术要点距离测量技术直接飞行时间“DirectTime-of-Flight(TOF)”连续波振幅调制的相位“Phase-BasedAM-CW”连续波振幅啁啾调制“ChirpedAM-CW“连续波频率啁啾调制“Frequencychirp(FM-CW)”成像方式扫描成像（X-Y扫描、线扫描、MEMS或DMD扫描）FLASH成像（焦平面成像）条纹相机成像距离选通成像相控阵成像合成孔径成像第2页，共64页，2023年，2月20日，星期一第3页，共64页，2023年，2月20日，星期一激光雷达常见的性能指标最大辐射功率水平视场“horizontalFieldofView(FOV)”垂直视场“verticalFOV”光源波长“Wavelengthofopticalsource”最远测量距离“Maximumdistancetobemeasured”测量时间/帧频“Measurementtime/framerate”纵向分辨率“depthresolution“角分辨率“angularresolution”测距精度“RangeMeasurementaccuracy”第4页，共64页，2023年，2月20日，星期一脉冲飞行时间测量法（1）图-1纯脉冲飞行时间物理过程第5页，共64页，2023年，2月20日，星期一连续波幅度调制相位测量法

图-2飞行时间决定相位的物理过程第6页，共64页，2023年，2月20日，星期一相位差与距离关系模糊距离信噪比与测距精度举例1第7页，共64页，2023年，2月20日，星期一连续波啁啾幅度调制测量法F-调制深度T-调制周期fif-中频啁啾调制信号与中频信号图示第8页，共64页，2023年，2月20日，星期一第9页，共64页，2023年，2月20日，星期一第10页，共64页，2023年，2月20日，星期一Blockdiagramforanexperimentalsinglechannel(2-D)chirped-AM/cwLADAR

第11页，共64页，2023年，2月20日，星期一连续波频率啁啾调制测量法

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

第13页，共64页，2023年，2月20日，星期一相干激光雷达距离精度第14页，共64页，2023年，2月20日，星期一外差等效噪声功率heterodynenoiseequivalentpower(NEP)

信噪比signal-to-noiseratio(SNR)

散焦损耗defocusingloss第15页，共64页，2023年，2月20日，星期一外差探测信噪比受相干长度影响。对于洛伦兹型光源线宽:考虑散焦和相干长度等因素，其效噪比SNR表示为includingthelossesduetothedefocusingandcoherence,theequationbecomes:啁啾激光雷达1个正弦信号测距精度第16页，共64页，2023年，2月20日，星期一距离精度rangeaccuracy,第17页，共64页，2023年，2月20日，星期一TypicalparametersfortheMetricVisionMV-200CLRTheoreticalRangeAccuraciesforDifferentTargetsforthesensorasdescribed第18页，共64页，2023年，2月20日，星期一

扫描成像第19页，共64页，2023年，2月20日，星期一平行光束扫描

会聚光束扫描第20页，共64页，2023年，2月20日，星期一第21页，共64页，2023年，2月20日，星期一V—高度H(m)的飞行速度；N=mn—探测器单元数量；dres—探测器面元尺寸

脉冲重复频率fr：其中：N(mn)-像素；F-帧频总的扫描时间：其中：tot-总扫描角；tot-光束发散角；Tdwell=1/fr-光束滞留时间飞行时扫描频率：第22页，共64页，2023年，2月20日，星期一扫描时脉冲积累数：其中：B-天线3dB光束宽度(deg);fr-重频；m-天线每分转数瞄准误差与滞后角效应：其中：-滞后角；d/dt-扫描速率；-往返时间；r-到目标距离；c-光速；n-传播介质平均折射率第23页，共64页，2023年，2月20日，星期一第24页，共64页，2023年，2月20日，星期一第25页，共64页，2023年，2月20日，星期一Model6400MovingCoilCapacitivePositionDetectorOpticalScanner第26页，共64页，2023年，2月20日，星期一第27页，共64页，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先進微系統科技(股)公司2D-MEMS

第28页，共64页，2023年，2月20日，星期一OpusMicrosystemsCorp.Taipei,Taiwan,2DMEMS第29页，共64页，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页，共64页，2023年，2月20日，星期一第31页，共64页，2023年，2月20日，星期一TheSickLMS200laserscannerImplementationofaRisleyprismscannerforanFPAstaringarrayLADAR.第32页，共64页，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页，共64页，2023年，2月20日，星期一Microelectro-mechanicalsystem(MEMS)第34页，共64页，2023年，2月20日，星期一距离选通激光成像雷达BurstilluminationsLadar(BIL)第35页，共64页，2023年，2月20日，星期一距离选通激光成像雷达激光测距仪+扫描仪+数字相机距离范围：3~800m距离分辨率：厘米量级波长：1.5m第36页，共64页，2023年，2月20日，星期一热像仪图像BIL图像第37页，共64页，2023年，2月20日，星期一第38页，共64页，2023年，2月20日，星期一闪烁式激光成像雷达机载激光成像雷达测距方式:TOF面阵探测器：给出目标的角度和距离盖革模式雪崩二极管(GM-APD)是其核心技术Jigsawimageofhelicopter第39页，共64页，2023年，2月20日，星期一第40页，共64页，2023年，2月20日，星期一参数数值注释标定距离150m视场角10.8在距离150m处直径为28.3m波长532nm激光远场光束图样3232点阵按探测器瞬时视场点阵排列激光脉宽300ps半宽度激光脉冲和成像速率16000/s接收孔径7.5cm有效焦距300mmF数f/4.0焦平面像素3232纵向设计100m像素333rad瞬时斜距采样在150m处为5cm<7.5m视场FOV(3232)10.110.1mrad距离分辨率40cm>7.5mFPA采样率2GHz500GHz瞬时视场10.110.1mrad在150m处为1.5m正方形第41页，共64页，2023年，2月20日，星期一2003年6月该Jigsaw系统装在UH-1直升机上进行了飞行实验隐蔽在树林中带伪装网的坦克目标第42页，共64页，2023年，2月20日，星期一飞行实验中获取的坦克目标的伪彩色3D激光雷达图像处理过程显示第43页，共64页，2023年，2月20日，星期一APD的工作模式

线性模式工作电压接近并小于雪崩电压时，M到1000左右就会饱和，这样的倍增还不足以探测到单光子信号；盖革模式工作偏压大于雪崩电压时，光子信号APD吸收，并使APD迅速雪崩，同时采用一定的抑制电路（无源抑制、有源抑制和主动门抑制），迅速切断雪崩，使APD恢复到接收光子的状态。第44页，共64页，2023年，2月20日，星期一盖革模式淬灭电路被动淬灭主动淬灭第45页，共64页，2023年，2月20日，星期一GM-APD:光子/数字转换Digitallyencoded

photonarrivaltimephotonAPD单元DigitaltimingcircuitLensletarrayAPDarray焦平面CMOSarray第46页，共64页，2023年，2月20日，星期一APD/CMOS时间记录阵列SiliconAPDsfor<0.9m20-50%探测效率10-kHz暗光子技术率桥接CMOS计时InGaAsP/InPAPDsfor1~1.5m20-50%探测效率~10-kHz暗光子技术率TE-cooling(1m)桥接CMOS计时CMOS计时电路t250-500-ps时间分辨率500MHzand1-GHz时钟100-mmBridge-BondedSiAPDsBump-BondedInGaAsPAPDs第47页，共64页，2023年，2月20日，星期一32x32ArraySilicon(Visible),InGaAs(1-m)32x128ArrayGM-APD阵列CMOS计时电路技术优势:极高的灵敏度(单光子)极高的距离分辨率(<10cm)高度集成化–距离像数字化输出可升级大尺寸面阵第48页，共64页，2023年，2月20日，星期一光子技术阵列也可用于相干探测（引入本振光子时）使用GM-APD进行相干探测的优势:两种模式激光雷达探测器阵列工作在近量子极限可使用大尺度面阵探测器GM-APD相干激光成像雷达SignalPhotonsSignalPhotonsLOPhotons直接探测相干探测第49页，共64页，2023年，2月20日，星期一低光子通量下的干扰Spatial:双狭缝实验Temporal:外差探测高光通量低光通量distancextimedistancexIntensityCountsIntensityCountstimeLaser2Laser1Detectorff+f1/f高光通量低光通量第50页，共64页，2023年，2月20日，星期一工作原理LO快门系统在直接探测/相干探测之间转换CW主振荡器和放大器调节产生某一波形两个面阵探测器（水平和垂直偏振方向）MasterOscillatorAmplitudeModulatorAmplifier/IsolatorStagesWaveformSynthesizerLOShutterAmplitudeModulatorAPDArrays第51页，共64页，2023年，2月20日，星期一经典相干探测描述LasersourceAOMFrequencyreferencem,mixingefficiencyPhasefrequency-shifte第52页，共64页，2023年，2月20日，星期一经典相干探测:CNR 如果本振光产生的噪声远远大于其它噪声,则CNR主要由信号回波的散粒噪声决定，即：第53页，共64页，2023年，2月20日，星期一GMAPD相干探测:CNR 尽管CNR降低3-dB，但有如下好处：单个探测器即可直接探测亦可相干探测，简化成双模系统本振光功率:仍为传统相干探测水平，mW两级/每个单元可以适用于大面阵探测器 GM-APD与传统相干探测相比由于散粒噪声极限的作用使载噪比CNR降低一半第54页，共64页，2023年，2月20日，星期一GM-APD信号光和本振光光子探测

LuuandJiang(Appl.Optics45,3798)developedexpressionforCNRinpresenceofsaturation(NP=totalnumberofphoton“buckets”available)SaturatedNextphotonlikelytohitdeadpixelIncreasingLOorreturnpowerMacropixelNextphotonlikelytohitfreepixelIndividualAPDsFocalPlane第55页，共64页，2023年，2月20日，星期一GM-APD相干探测数据处理方法CollectionofGMAPDsactsasasinglecoherentdetectorHistogramofarrivaltimesgivesintensityvstimeFFTordigitallymixwithi.f.toobtainfrequency/phaseTimeresolutionofclock(2GHz)determinesbandwidthAOMFrequencyreferenceLasersourceArrivaltimesHistogramofarrivaltimesPowerspectraldensitySignalProcessingEarlyHitLateHitNoHit第56页，共64页，2023年，2月20日，星期一CNR结果比较NumberofreturnphotoelectronsCoherentCNR(dB)CNRArrayFilled第57页，共64页，2023年，2月20日，星期一CNR与理论值比较-20-