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。

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GaNFET的窄脉冲激光驱动设计及集成

激光雷达的整机性能与激光脉冲的驱动性能密切相关,现有的窄脉冲激光驱动设计主要基于Si基器件,具有较高的集成度,但很难获得更高峰值的功率输出,不能很好地匹配脉宽进一步缩窄的要求。从驱动理论出发,建立驱动电路模型,对寄生电感、器件封装、驱动布局等影响激光窄脉宽的因素进行分析,通过裸芯片封装、环路布局优化以及多层叉指结构等的设计,匹配GaNFET优良的开关特性,实现了上升时间为2.01ns、脉宽为4.05ns、重复频率为500kHz、峰值功率为55W的窄脉冲激光输出,波形质量较好,封装集成度提升50%以上,可为下一代高精度、远距离、阵列集成激光雷达系统的开发奠定基础。

基于IR-UWB的无线总线实验研究

针对虚拟卫星需要通过无线媒介将卫星近距子终端可靠地联结成系统的应用需求,在研究IR-UWB技术和星载总线两者特点的基础上,提出基于IR-UWB的总线型无线网络的解决途径,结合1553B协议进行了可行性分析。并在现有条件下设计和搭建1553B点到点试验平台进行了实验研究,实验表明从功能上来看,IR-UWB具有作为设备间实时无线互连物理层的潜力,为进一步研究打下了基础。

超宽带脉冲无线电在近距编队中的应用研究

编队飞行航天器间可靠的实时通信和精确的定位是需要解决的关键技术之一。超宽带脉冲无线电技术具有抗多径干扰、传输速率高、结构简单且可进行通信和导航一体化设计等鲜明特点。本文首先介绍超宽带脉冲无线电的基本原理,分析其主要特点,在跟踪编队飞行无线链路现有技术的基础上,研究了超宽带技术在近距编队中的潜在应用,最后分析了超宽带技术在航天器近距编队应用中需要注意的问题。

超宽带(UWB)应用于实时总线的方案研究

简要介绍了实时总线及具有其典型特征的MIL-STD-1553B总线的特点,提出并分析了超宽带(UWB)用作近距实时总线物理媒介的应用方案,并结合超宽带和1553B进行无线实时总线应用的预研。

轻小型机载激光扫描仪设计

介绍了作为机载激光雷达关键部件的激光扫描仪模块化设计方法和各模块主要功能。为实现激光扫描仪的小型化、轻量化目标,设计了四面棱镜作为扫描部件,分析了工作距离与光学口径的对应关系并基于探测器参数设计通光口径,采用光纤激光器作为光源有效减小了扫描仪的尺寸和功耗,并设计了准直系统对出射激光进行整形。在16 m距离和293 m距离的定点测距地面测试中,轻小型激光扫描仪精度可达到5 mm和18 mm,最后介绍了搭载轻小型激光扫描仪进行的飞行实验结果。

无人机自组网络通信体系结构系统设计

针对现有移动自组网(MANETs)TCP/IP五层体系结构通信效率低、不适合高动态交互式应用的问题,进行了无人机自组网新型通信体系结构研究。首先设计了具有代表性的应用场景,结合无人机自组网的特点,对通信体系需求进行分析,在此基础上,系统设计了通信体系结构。该结构采用具有动态认识、管理和维护功能的认知平面和具有高效数据通信功能的数据平面并行交互,其中,认知平面运用认知无线电等技术,包括发现引导、拓扑控制、移动测量和信道监控等功能模块;数据平面运用多重无线电等技术,包括高速智能的PHY层、可靠组播通信层和任务关键性的任务层等。对各层的关键技术进行了分析,并通过仿真演示说明了体系结构的可行性。该体系结构也适用于其它移动平台自组网。

Mars-LiDAR系统误差分析及安置角误差飞行检校

机载激光雷达系统是集激光扫描仪、全球定位系统和惯性导航系统等于一体的多传感器集成系统。机载激光雷达的检校和标定是保证激光点云定位精度的关键环节,其中扫描系统安置角误差是影响定位精度的主要因素之一。首先介绍了国产中远程机载激光雷达Mars-LiDAR系统,然后基于误差传播定律对系统误差进行了分析。研究了系统安置角误差的飞行检校方法,采用外场定标的方法将安置角进行动态分离,并通过飞行试验完成了系统安置角误差的动态检校,对Mars-LiDAR系统在3000m、4000m飞行高度获取的点云进行了定位精度分析和校正,验证了Mars-LiDAR系统安置角误差检校方法的实用性。

超宽带车辆无线网络两跳中继接入研究

为了提高车辆无线网络的系统性能,引入了脉冲超宽带(IR-UWB)无线技术并研究了链路两跳中继接入条件.由于IR-UWB功率受限,通过分析给出数据链路中继接入条件,提出了低计算复杂度的多链路两跳数据链路中继节点分配算法(DLRA),提高了数据链路传输速率;针对IRUWB车辆链路,采用两跳单中继获得分集增益,同时实现低开销中继接入.对IR-UWB网络并行链路中继接入进行了仿真,仿真结果表明:IR-UWB车辆链路在实行两跳中继接入后,在仿真场学中总体数据传输速率提高了60.6%,改善明显.

市场经济条件下铁路旅客票价及速度效益分析

在分析旅客票价和运营速度对客流量的影响的时候,用均衡配流原理对最主要的三种运输方式穴铁路、公路、航空雪进行分析。考虑客运企业希望效益最大化与旅客希望出行费用最低,引进双层规划模型来进行分析,客运企业与旅客这对矛盾体相互作用的结果是存在一个平衡点,同时满足双层规划模型中的上下层目标,这个平衡点就是双层规划问题的最优解。这样就为制定合理的票价策略和最优列车速度方案提供了一种定量分析的方法。

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。

光纤传输在激光雷达探测距离模拟中的应用

为了能在室内测试激光雷达的远距离探测能力,提出利用光纤传输时延等效模拟激光在大气中传输时延的方案。首先以激光雷达传输方程为依据对该方案进行了理论分析,定量得出光纤衰减对其模拟激光在大气中距离传播的影响。然后针对1.55μm波长激光设计了光纤直路传输模拟和环路传输模拟2种方式,并将光纤距离模拟引入实际激光雷达系统中,采用69.1 m单模光纤等效大气传输101.4 m,对自由空间3.5 m外的模拟目标物进行成像探测,获得了目标表面的三维立体成像。

应用于脉冲TOF成像LADAR系统的高性能CMOS全差分放大器设计（英文）

本文设计了一种应用于脉冲飞行时间(TOF)成像激光雷达探测系统的高带宽、低噪声全差分放大器(FDMA)。该芯片采用多级级联结构和有源电感技术,增大电路带宽和减少芯片面积,并且通过使用失调隔离技术,增强了各增益级对工艺偏差的鲁棒性。在输出级电路中,为使全差分放大器具有更强的驱动能力,采用了宽带放大器和输出缓冲器级联结构做为输出。同时,为了满足激光雷达系统的实际需求,采用复用失调隔离电路的方式,实现了级间带通滤波来限制放大器的适用带宽。采用CMSC的CMOS工艺进行了FDMA流片。测试结果表明,该芯片具有730.6MHz的-3dB带宽,在使用带通滤波器优化后的开环增益为23.5dB,等效输入噪声密度为2.7nV/sqrt(Hz),有效地降低了系统噪声。芯片采用3.3V电源供电,功耗为102.3mW,整体面积为0.25mm×0.25mm。作为激光雷达全系统集成芯片中的一部分,较好地满足系统指标要求。

实时感知型激光雷达多通道数据采集系统设计

激光雷达是实现环境实时感知的重要传感器,针对多通道感知激光雷达数据量大、数据传输解算实时性要求高及量体裁衣高效小型化的迫切需求,基于自研采用可靠的机械扫描、阵列探测和数据采集控制相结合的多通道激光雷达,设计实现了基于FPGA和DSP的多路并行信号采集处理系统,并在点云三维实时成像中得到了验证。该数据采集处理系统中的FPGA负责多通道激光雷达数据控制采集以及数据传输,DSP负责对数据进行解析处理并通过网口将点云数据上传到上位机,实现点云实时显示。实际测试结果表明,该数据采集处理系统能够满足多通道激光雷达2 Mpts/s的大数据量点云解析,并保证20 fps以上实时数据的可靠采集传输,实现周围环境和障碍物激光雷达点云的快速解算,可应用于自动驾驶、导航避障、周界安防等领域。

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。

激光雷达实时数据传输存储系统设计与实现

针对激光雷达对于大数据量高速传输存储的需求,利用FPGA在数字信号处理方面的优势,提出一种以多核DSP为核心的数据传输存储系统。激光雷达采用FPGA作为核心控制器,通过高速并行通道UPP传输将激光雷达采集回波信息同步传输至DSP并实现实时存储。测试结果表明,UPP通道具备较高的数据传输率和可靠性,可以满足激光雷达高速实时数据传输的需求。同时通过对三种常用的数据存储介质数据率对比测试,表明采用SATA存储可在GByte数据量下实现43MB/s的数据率,保证了激光雷达大数据量下正常存储,该系统具有一定的实际应用价值。

基于FPGA的运动目标实时检测系统设计

目标识别是智能安防监控视频处理系统中重要内容,为了满足安防系统小型化实时性等应用需求,设计了一种基于FPGA平台的运动目标识别系统;该系统采用CMOS摄像头作为视频采集器,SDRAM作为视频流缓存及存储介质,利用FPGA可并行处理特点,采用流水线技术进行分模块化设计,对视频流进行灰度化和帧差法算法处理,并将结果传输至显示器终端,从而实现图像采集和目标识别实时跟踪和显示;测试结果表明,该系统在一定测距范围内可有效稳定地跟踪运动目标物体,可实时显示、小型化且功耗低,可进一步应用于安防领域中。