数字混沌激光雷达

混沌激光雷达具有分辨率高、抗干扰和隐蔽性强的优点,然而受限于混沌光源的功率、线性探测器的灵敏度以及硬件带宽,其在远距离探测方面存在瓶颈。为解决这一问题,该文提出了数字混沌激光雷达(digital chaos LiDAR)的概念,并进行了理论分析与仿真验证。通过蒙特卡洛(Monte Carlo)仿真,该文研究了连续混沌激光雷达(continuous-wave chaos LiDAR)、脉冲混沌激光雷达(pulsed chaos LiDAR)与数字混沌激光雷达的探测概率、虚警概率与探测距离。仿真结果表明,在探测概率大于95%,虚警概率小于5%的置信区间内,数字混沌激光雷达的探测距离相比连续混沌激光雷达与脉冲混沌激光雷达分别提高了约35倍与8倍。得益于单光子探测器的超高灵敏度与数字化输出,数字混沌激光雷达有望在远距离目标探测成像方面获得广泛应用。

单光子激光雷达技术发展现状与趋势

随着单光子探测器件及技术的快速发展,具有光子级高灵敏度探测能力的单光子激光雷达已成为研究热点,并在遥感测绘、智能驾驶和消费电子等领域发挥日益重要的作用。本文聚焦于采用单光子雪崩光电二极管探测器的激光雷达技术与系统,介绍了脉冲累积、编码调制和啁啾调制三种单光子激光雷达探测原理。考虑到单光子探测器与处理算法的重要性,概述了单光子探测器的发展现状,以及典型的信号处理算法,并梳理了单光子激光雷达在远距离探测、复杂场景探感、星载/机载测绘遥感、智能驾驶导航避障和消费电子3D感知等领域的应用情况和典型系统实例。最后,分析展望了单光子激光雷达技术在器件、算法、系统和应用领域的未来发展趋势及面临的潜在挑战。

基于激光拍频高准确度相位式测距方法

介绍一种基于相位式激光测距的高动态、高准确度测距系统.系统引入光频调制技术实现激光拍频产生高频调制信号并完成信号的高速变测尺调制.在对回波信号进行鉴相时,为降低鉴相偏差采用无窗全相位谱分析并实现对测量信号的相位计算.计算表明,该方法可以有效抑制频谱泄露,减小噪声对测量结果的影响,提高鉴相准确度.实验表明该测距系统可以有效地解决相位法测距中存在的抗干扰能力差、距离模糊较难抑制等问题,调制信号频率为100 MHz、信噪比为30dB时测距准确度优于0.5mm.

新型多普勒成像激光雷达原理设计与仿真

采用相干多普勒测量手段获取目标面型变化信息具有明显的优势。基于激光多普勒效应,设计一套多普勒成像激光雷达实验系统,同时引入APFFT全相位测相处理思路对外差信号进行时频分析,抑制频谱泄露,减小噪声对测量结果的影响,获取高测量精度信号时频曲线。在MATLAB软件simulink交互式仿真集成环境中进行过程仿真,证明其可以实现对扫描空间高分辨率、高精度的成像。实验结果表明:该系统能够较好还原被测目标表面特性,为激光雷达实现对目标高分辨率与高灵敏度成像提出新的解决思路。

激光测速雷达下振动目标运动状态分析与仿真

激光雷达微多普勒效应在对目标探测、识别中测量精度高、抗干扰能力强,比传统微波雷达拥有更高的空间分辨率和灵敏度。本文基于激光探测,从理论上分析了振动物体在行进过程中产生的多普勒和微多普勒效应。建立典型运动模型,通过目标信号的频移图和频谱图可以很好地观测物体运动状态、分析振动特性。最后,在simulink下进行过程仿真并验证其有效性,对目标的识别和运动特性提取起到积极的作用。

双目CCD测距系统的高精度标定

为实现高精度的远距离被动测距,提出一种摄像机内、外参数以及双目CCD测距系统的标定方法。基于双目测距模型设计双目测距系统的机械结构,进行左右摄像机的单目标定,利用主点标定方法求出主点坐标,使用两步法线性求解摄像机的焦距、一阶径向畸变系数、旋转矩阵和平移向量,从而对高精度双目测距系统完成基线长、两摄像机光轴夹角和两像面相对位置的系统标定。实验结果表明,摄像机标定精度为0.582 6像素,双目测距系统的标定精度为0.208 mm,取得了较为理想的结果,此外,在300 m以内的目标实际测量精度高于0.28%,满足高精度双目测距的精度要求。

机载激光雷达双光楔扫描系统设计与实现

介绍了作为大型机载激光雷达关键部件的双光楔扫描系统的模型建立、设计实现以及实验验证。为实现双光楔扫描系统的大尺寸、宽视场和高精度指向,设计了16°楔角、320 mm直径的成对光楔,以及对应的高精度PID双轴扫描控制模块,分析了系统误差来源和误差控制方法。在45 m距离的地面测试中,通过每个3.6°转动楔镜,累计100次与真值测量比对进行检校和验证,扫描指向误差小于50μrad,通过搭载集成后的机载激光雷达飞行实验,实测扫描视场为32.03°,进一步验证了双光楔扫描系统的有效性。

基于改进的期望值最大化自适应光学图像多帧迭代去卷积算法

为提高自适应光学图像复原的效果,基于期望值最大化理论,提出了一种基于改进期望值最大化(EM)算法的自适应光学(AO)图像多帧联合去卷积算法。通过建立多帧AO图像退化的数学模型,推导出基于相位误差并随时间变化的点扩散函数(PSF)模型,根据图像功率谱密度及约束图像支持域的方法对AO图像进行去噪处理。应用AO成像系统参数与正则化技术相结合对EM算法进行改进,建立多帧AO图像联合去卷积的代价函数及其参数估计的优化模型。利用所建模型对模拟图像和实际观测的AO图像进行图像复原实验验证文中算法的复原效果。实验结果表明,与Wiener迭代盲去卷积、Richardson-Lucy迭代盲去卷积算法相比,文中算法迭代次数减少14.3%,估算精度有了明显提高,辨识出了AO图像的PSF,复原出了清晰的观测目标图像。研究结果对实际AO图像复原有一定的应用价值。

基于互相关模糊长度估计的图像复原

为提高含噪运动图像的复原质量,提出一种基于互相关原理的运动模糊长度估计算法。根据图像的Radon变换得到运动模糊角度,提取模糊中心各模糊路径上的像素灰度值,通过互相关计算确定模糊长度,采用Lucy-Richardson迭代算法对观测图像进行复原。实验结果表明,该算法的抗噪性较好,迭代收敛速度较快。

激光外差探测中准直失配问题的研究

应用数值模拟的方法研究了信号光场分布为艾里函数,本振光场分布为高斯分布的激光外差探测过程中准直失配角对激光外差探测混频效率的影响;分析了基于艾里斑原理的接收光学系统抑制准直失配对混频效率影响的优缺点;提出了一种能够有效减小准直失配角对混频效率影响的信号接收技术——阵列探测器匹配接收技术。仿真结果表明这一匹配接收方法能够有效提高准直失配情况下的光电流的输出强度和混频效率,并能够有效提高接收机的视场。

脉冲激光多回波峰值检测电路设计

在脉冲激光探测中,常采用峰值检测电路获取强度信息。当激光通过部分反射或部分遮挡的空间多层物体时,会产生多个回波。传统峰值检测电路无法准确探测多回波峰值。因此,基于脉冲多回波峰值检测原理,设计了一种具有高集成度的新型脉冲多回波峰值检测电路芯片。该芯片以两级峰值采样保持电路结构为基础,通过采用交织采样和多路复用技术优化了电路结构,实现了对多回波信号的峰值检测。芯片采用CMOS 0.18μm工艺设计,面积约为2.6 mm×0.48 mm,测试结果表明,所设计的芯片能够有效检测幅值范围50~500 mV、脉宽5 ns的多回波信号,峰值输出电压的最大误差为4.8%,通道间的输出电压最大相对偏差为5.7%,具有更精细的多回波探测能力,可集成应用于脉冲激光探测系统。

折反式微光夜视物镜的光学设计

介绍一种长焦距、大相对孔径微光夜视物镜的光学设计。设计参数为焦距100mm,相对孔径1/1.4,视场10°。为增大视距,减小物镜尺寸和质量,并且满足在宽光谱范围消色差的要求,选择均为球面的折反式物镜结构,在相同焦距和相对孔径的条件下折反式系统比折射系统尺寸更小,质量更轻。在设计过程中引入曼金反射镜,增加设计自由度。经优化设计达到较好的成像质量,空间频率在50lp/mm时,轴上传递函数大于0.4,轴外传递函数大于0.2,与像增强器极限分辨率相匹配,全视场畸变小于2%,物镜总长达到67mm。

逆合成孔径激光雷达空间目标成像研究

空间目标的运动模式综合了直线飞行和绕轴旋转两种运动,逆合成孔径激光雷达对其成像时要进行直线运动补偿。补偿过程中使用的目标飞行速度,可以由外差接收模式测得。这种方法不仅准确、快速,而且比过去使用的速度估计法精度更高。阐述了对空间目标外差测速、运动补偿、重构成像的原理,并使用MATLAB分别对外差测速法和速度估计法的成像效果进行了仿真和对比,证实了外差测速法具有成像分辨率高、信息处理量小、运算速度快等优势。

楼宇间无线激光图像通信系统的设计

本文所研究设计的楼宇间无线激光图像通信系统是由发射端和接收端两部分构成,是一种架设简单,供1km以内使用的无线通信装置。它所用激光作为信息的载体,以大气为传输信道。利用激光光束直接在空气中传输高清晰高保真的音视频信号,是新兴的一种点对点方式的无线通信系统。

应用于激光雷达信号处理系统的放大电路接口设计

应用于激光雷达(LiDAR)测量系统的单芯片全集成信号处理电路系统的设计与实现,对于有效提高激光雷达整机测量精度、数据率,缩短测量时间,减小测量设备体积和功耗具有重要的意义。考虑到目前对于信号处理电路系统的研究中较少考虑芯片在实际使用环境中的接口问题,基于光电探测器、裸芯片、封装、传输线及测试板等诸多接口影响因素,运用协同仿真分析的方法,在电路系统的实际工作频段内,建立了一种精确的、能反映激光雷达信号处理电路系统放大电路芯片真实应用环境的接口一体化仿真模型,并通过S参数仿真对其进行验证。同时基于CMOS工艺,将设计得到的放大电路系统进行流片,在芯片输入端承载不同光电探测器寄生负载的情况下,对芯片性能进行测试,仿真结果与测试结果吻合较好,验证了该接口模型建立的可行性。

动态环境下“猫眼”目标快速识别算法研究

为提高动态环境下对“猫眼”目标进行激光主动探测的时效性和准确性,提出并验证了基于OFSD配准算法的“猫眼”目标识别方法。识别“猫眼”目标的过程中:对探测到的主被动图像进行预处理,降低数据量和降低光照不均匀的影响,并通过OFSD方法进行图像配准,配准后的两帧图像进行帧间互差差分运算及二值化处理,对处理后的图像提取形态和灰度特征进行“猫眼”目标识别。实验结果表明,基于OFSD配准算法的“猫眼”目标识别方法在动态环境中能够有效快速地进行“猫眼”目标识别,大大提高了“猫眼”目标识别算法的实时性。

激光多普勒移频特性研究

为了提高激光多普勒测速系统的性能,增强系统与应用场景适配性,文中对比电光和声光两种主要移频器件的特点,从器件移频原理出发,提出了简化频率变换关系的分析方法,从理论上研究激光多普勒测速系统中两种器件产生的移频特性,搭建铌酸锂电光调制和声光移频全光纤激光测速系统链路,将测试频率特征与理论特征进行对比研究,提出一种新型声电混合调制激光多普勒测速系统。结果表明,该新型系统兼具声光移频测速系统可测量运动目标运动方向、运动速度,完成电光调制测速系统多频率校正的特点,频率测量相对误差较小,动态范围大。通过研究两种移频方式对频率特性,为设计高性能激光多普勒测速系统提供了理论和实验支撑。

主动式激光反狙击系统在高级别安防中的应用

在高级别重点区域安防、反恐以及常规战争中,为了更有效地应对潜在狙击手威胁,各类反狙击系统得到了前所未有的关注与发展。根据探测原理不同,现有反狙击系统主要分为声探测、红外探测、激光主动探测三类。本文介绍了国内外各类反狙击系统,尤其是激光反狙击系统的发展情况,对国内外部分狙击步枪的射程、口径、瞄具进行了统计,对"猫眼效应"的原理作了简要阐述并计算了基于此原理的激光反狙击系统的防护半径。最后,探讨了高级别安防应用场景下激光主动探测与处置系统的发展方向与必要性。

非扫描激光雷达系统的多脉冲积累信噪比分析

激光雷达系统信噪比(SNR)直接影响了系统距离像和强度像的好坏。运用信号相关检测理论,分析了多脉冲积累下的非扫描激光雷达系统信噪比。考虑到雪崩光电二极管(APD)阵列、工作环境因素和激光雷达系统参数等,对多脉冲积累下的信噪比进行了仿真分析。在100个脉冲积累数目下,信噪比提高了9.35dB,之后随脉冲积累数目的继续增加,信噪比提高的幅度不明显。研究表明:运用脉冲积累这一方法能够提高系统信噪比。

安防激光雷达研究进展

激光雷达主动发射激光,可高精度、高分辨率地获取入侵目标的距离、方位、速度及轮廓等信息,已在城市安防和工业安全等领域得到广泛应用。简要介绍了国内外主流安防激光雷达厂商及其产品技术指标。结合不同安防应用需求,从测距方案、扫描方式和光源选型三个方面重点讨论了不同技术体制下激光雷达的原理、特点及现状。最后对安防激光雷达的应用趋势及发展前景进行了总结与展望。为了满足消费级安防应用需求,安防激光雷达将进一步向低成本、高性能、系列化、小型化、固态化、芯片化及多源集成等方向发展。