应用地基雷达和机载激光雷达数据反演落叶松冠层叶面积密度

为了实现落叶松冠层叶面积密度盲区互补的协同反演,以塞罕坝机械林场为研究区,根据地基雷达和机载激光雷达数据对落叶松林冠层点云信息进行提取;利用点云分割算法对点云信息进行枝叶分离,并对冠层点云进行体素建模,分析落叶松林最优体素和接触频率的相关性;采用体素模型冠层分析法(VCP)分别对机载雷达和地基雷达数据绘制冠层叶面积密度曲线,实现对区域林木叶面积密度的反演。结果表明:运用冠层分析法适用于估算落叶松的叶面积密度,机载雷达点云数据和地基雷达点云数据协同估算的相对误差最小(平均相对误差1.95%),机载雷达数据估算次之(平均相对误差5.09%),地基雷达数据估算误差最大(平均相对误差9.37%)。因此,机载和地基雷达数据协同反演可以提升落叶松林叶面积密度的估算精度。

基于衍射透镜接收的激光雷达特性分析及测试

在激光雷达系统设计中,光学系统的优化与设计是一个重要的研究方向,本文利用衍射光学元件(DOE)的设计自由度高和色散大等优势,将DOE用于激光雷达接收端,同时实现聚焦和滤光作用,降低了光学系统复杂度。本文基于DOE的原理,仿真分析了DOE的光学特性,并且以DOE作为激光雷达的光学接收端,完成了激光雷达测距实验,证明了DOE同时具有聚焦作用和窄带滤光作用,实验结果与仿真基本一致。本文利用DOE在激光雷达中的优势,实现激光雷达的轻量化、集成化和高效化。

基于激光雷达扫描的料仓原料储料量测量方法

为提高仓内原料储料量测量自动化和智能化水平,设计了一种基于二维激光雷达扫描的储料量测量装置与系统。本系统采用RPLIDARS1型二维激光雷达扫描获取不同储料量物料的原始点云数据,通过坐标变换、重叠点提取、滤波、分割等方法对原始点云进行预处理,采用贪婪投影三角化算法将预处理后的点云进行三维重建,获得仓内原料的三维模型,结合物料三维模型和物料的容重获得仓内原料的储料量,从而实现储料量的自动测量。以玉米为试验对象,测量小型储料塔内玉米储料量并对玉米不同储料量进行扫描测量,验证模型的准确性,结果显示:测量结果的平均绝对误差为8.05kg,平均相对误差为1.52%。研究结果表明,基于二维激光雷达扫描的储料量测量方法是可行的,具有较好的稳定性和测量精度,能够满足实际生产需求。

蓝绿光双波长船载海洋激光雷达系统设计与海上测试

海洋水体的光学特性参数是海洋研究关注的重点之一,大部分光学特性具有随深度变化的特征,而海洋激光雷达是有效探测水体剖面信息的技术手段之一。基于水体光学特性参数剖面探测的需求,研制了蓝绿光双波长船载海洋激光雷达系统,光源采用在水体中衰减系数较小的蓝绿波长以获取更大的探测深度。该系统具备双波长和偏振探测通道,用于同步获取水体后向散射回波信号和偏振信号,可实现近岸和大洋水体的连续探测。文中首先介绍了激光雷达系统的设计方案,包括发射、接收、采集及控制子系统以及辅助设施,随后对数据预处理方法进行了阐述,包括质量控制、峰值位置对齐、去除背景噪声及退卷积等。系统于近海进行探测实验,验证了激光雷达系统的可靠性。结果显示:在清洁大洋水域,486 nm的激光雷达衰减系数小于532 nm,意味着在开阔水域486 nm具有更好的探测性能。

融合毫米波与激光雷达的障碍物检测与跟踪方法

在园区环境中,无人车装载单一毫米波雷达或激光雷达传感器进行障碍物检测跟踪时存在探测范围有限、准确率低及稳定性差等问题。为此,提出一种基于毫米波雷达与激光雷达融合的多障碍物检测跟踪方法。利用改进欧氏聚类算法对道路内激光点云目标进行提取,基于信息筛选策略获得毫米波雷达数据中的有效目标;基于目标检测交并比与可靠性分析,对2种目标进行自适应融合,并利用跟踪门与联合概率数据关联(JPDA)算法完成前后帧数据匹配;应用多运动模型交互与无迹卡尔曼滤波实现障碍物跟踪。实车实验表明:相比单一毫米波雷达与激光雷达障碍物检测跟踪,所提方法有更好的准确性与稳定性。

激光雷达创新与应用专题导读

近年来,激光雷达技术发展迅猛,在科研与产业领域发挥出越来越重要的作用,赋予遥感、成像、环境感知等领域新的生命力。《光电工程》组织了“激光雷达创新与应用”专题,围绕单光子激光雷达、合成孔径激光雷达、调频连续波激光雷达、环境要素激光雷达、成像激光雷达,以及应用于激光雷达的新型精密测量技术等几个方面,介绍了近期的主要研究进展,为相关领域学者和专家提供技术研究的参考及合作交流的平台,积极推动我国激光雷达技术的研究进程。

星载激光雷达视轴监测系统设计

提出了一种针对星载激光雷达在轨高精度光轴监测与标定需求的多光轴监测方法,该方法基于主动激光光源。通过使用785 nm的激光,分束后分别照射到星敏感器的基准棱镜和接收望远镜的取光棱镜,反射信号被聚焦至监视相机的焦平面,实现了对接收光轴及星敏光轴的精确监测。此外,监视相机还同步采集发射激光的部分能量,用于测量监测发射光轴。文中详细描述了光学系统的设计流程及关键组件的优化方案,并通过地面真空环境试验及在轨监测数据进行了验证。设计结果表明,各监视通道的成像质量达到了衍射极限,收发光轴的设计精度分别为0.09μrad和2.28μrad,关键组件取光棱镜的温控精度达到了±0.2℃。地面的真空热光试验结果进一步验证了该方案的高精度光轴监视能力,收发光轴的监测精度均优于3μrad。最后通过分析激光雷达入轨后的测量数据,确认了视轴监测系统的工作稳定性,成功实现了在轨的高精度光轴监视。该研究成果为星载激光雷达提供了一种有效的在轨高精度光轴监测与标定解决方案。

合成孔径激光雷达成像技术研究进展

合成孔径激光雷达成像技术是一种能够突破光学系统衍射极限的主动光学成像技术,其概念来自工作在微波波段的合成孔径雷达,相比于合成孔径雷达,合成孔径激光雷达具有成像速度快、成像分辨率高以及能获取符合人眼感知的图像的优势,在远距离目标感知与识别中具有很高的潜在价值。本文从合成孔径激光雷达的工作原理出发,回顾和梳理了合成孔径激光雷达的主要关键技术的主要进展,包括合成孔径激光雷达的系统模型和基础理论、系统设计与架构、激光相位噪声抑制、运动补偿技术以及成像算法;同时对国内外重要的外场实验进展进行了总结。最后探讨了后续实现工程化所需面对的困难和挑战。

基于激光雷达点云的动态驾驶场景多任务分割网络

在自动驾驶场景理解任务中进行准确的可行驶区域以及动静态物体分割对于后续的局部运动规划和运动控制至关重要。然而当前基于激光雷达点云的通用语义分割方法并不能在车端边缘计算设备上实现实时且鲁棒的预测,且不能预测当前时刻的物体运动状态。为解决该问题本文提出一种可行驶区域及动静态物体多任务分割网络MultiSegNet。该网络利用激光雷达输出的深度图及处理后得到的残差图像作为编码空间特征和运动特征的表征输入到网络用于特征学习,从而避免直接处理无序高密度点云。针对深度图在不同方向视角内目标分布数量差异较大的特点,本文提出了变分辨率分组输入策略。该方法能在降低网络计算量的同时提高网络的分割精度。为适配不同尺度目标所需要的卷积感受野尺寸本文提出了深度值引导的分层空洞卷积模块。同时本文为有效关联并融合不同时域下物体的空间位置和姿态信息提出了时空运动特征增强网络。为验证所提出MultiSegNet的有效性,本文在大规模点云驾驶场景数据集SemanticKITTI及nuScenes上进行验证。结果表明:可行驶区域、静态物体和动态物体的分割IoU分别达到98%、97%和70%,性能优于主流网络,且在边缘计算设备上实现实时推理。

隧道轮廓激光雷达点云线特征共面约束标定方法

地铁隧道断面轮廓参数测量过程中,需要对高速激光雷达点云进行高精度系统标定。特别是大场景隧道环境,对标定模板要求高,标定过程复杂,检测精度影响大。针对此问题,本论文提出了一种新颖的适用于地铁隧道轮廓点云的标定方法,并基于双激光雷达测量系统,进行了算法研究。本方法设计了专用的手推行便携式标定系统,利用由点云数据提取的标定板线特征,建立目标函数,通过混合了遗传算法和Levenberg-Marquardt算法的非线性优化方法,寻找全局最优解从而实现对激光雷达的标定。实验结果表明:本方法对于两侧钢轨顶轨的标定误差在±1.5 mm以内;静态测量精度X误差在±1 mm内、Y误差在±4 mm内;当采集系统以5 km/h的速度进行数据采集时,动态测量精度X误差在±4 mm内、Y误差在±6 mm内。本方法能够实现激光雷达的高精度标定,算法鲁棒性强,具有易操作、环境适应性强的特点。

盖革APD激光雷达高空间分辨率三维重构方法研究

盖革模式阵列APD激光雷达由于像元数的限制导致重构的三维距离像分辨率低,严重限制了对场景信息的感知识别能力。为此,提出一种基于改进图像引导的盖革模式阵列APD激光雷达超分辨三维图像重构算法。主要研究基于配准后的盖革APD低分辨距离图像、增强电荷耦合器件(ICCD)相机高分辨强度图像和马尔科夫随机场模型,建立具有距离保真项和正则化项约束的全局能量函数,最终对优化模型的最优化求解实现高分辨强度图像对低分辨距离图像的超分辨引导重构。实验结果表明,相较于现有算法,文中算法在提升重构三维图像分辨率的同时,也使图像的边缘更加锐利。该研究对于盖革模式阵列APD激光雷达的目标探测、识别和跟踪具有重要意义。

低空无人机与地面移动式激光雷达的点云配准研究

激光雷达多平台数据的匹配融合是目前点云应用的研究热点。本文以无人机与地面移动式激光雷达的配准为例,通过采集建筑用地、稀疏林地、茂密林地、规则林地的点云数据,研究手动配准、ICP配准对不同场景的适用性。实验表明,配准精度上,建筑用地>稀疏林地>茂密林地>规则林地,可见数据几何特征越强,配准效果越好。配准方法上,手动配准后叠加ICP的方法优于单一方法,可更好实现林区的点云匹配。

联合运用多光谱和激光雷达技术构建的林分生物量估算模型

以广东省广州市从化石门国家森林公园为研究区域,选择4种不同林分类型(针阔混交林、阔叶林、针叶林、竹林),各林分类型选择3个20 m×20 m地块作为样方;结合激光雷达、多光谱图像、实测数据,构建多元非线性反演模型和多元线性回归模型,估算森林地上生物量,并选择最佳模型进行精度评价。结果表明:(1)依据多源数据建立的4种不同林分类型的多元非线性地上生物量反演模型的精度最高,针阔混交林样地地上生物量预测值为42.79 t·hm^(-2)、阔叶林样地地上生物量预测值为60.46 t·hm^(-2)、针叶林样地地上生物量预测值为32.99 t·hm^(-2)、竹林样地地上生物量预测值为1.92 t·hm^(-2)。(2)研究区中4种不同林分类型的多元非线性地上生物量反演模型的拟合精度,由大到小依次为竹林(决定系数为0.919)、阔叶林(决定系数为0.813)、针叶林(决定系数为0.786)、针阔混交林(决定系数为0.713),均符合精度要求。采用多光谱和激光雷达数据结合的方式,能够较精准地提取林分地上生物量信息,可准确估算针阔混交林、阔叶林、针叶林、竹林的地上生物量。

汽车激光雷达盖板的双色注塑模具设计

根据某车型激光雷达盖板的双色结构及形状,采用动模型芯旋转式结构的模具方案,设计了一套一出二的热流道双色注塑模具。利用Moldflow软件进行了双色成型分析,双色注塑第一次注射成型透明的PMMA材料的产品,第二次注射成型黑色ASA材料的产品。为实现该双色产品的结构成型,在定模处设计了2组不同结构的型腔,在动模处设计了2组左右对称的型芯,并且,在型芯侧设计了双斜导柱抽芯机构,冷却系统设计为“直通式+隔水片”的随形循环水路;顶出系统设计为2组独立的液压油缸,在产品顶出取件中,第一次注射成型的PMMA产品不顶出,第二次注射成型的ASA材料的产品采用“直顶+斜顶”的组合机构将双色产品推出,最终通过机械手完成产品的取件。实践生产证明了该双色模具结构合理、运行稳定、成型的双色塑件表面无缺陷。

基于激光雷达的自主移动机器人实验教学平台设计

为培养高素质复合型的“新工科”人才,满足相关课程的实验教学需求,设计了基于激光雷达的自主移动机器人实验教学平台。平台涉及机械设计、机器人操作系统开发、同时定位与地图构建(SLAM)、路径规划等相关理论知识。利用平台开发了Rviz可视化界面、SLAM仿真、室外建图、路径规划等实验项目。实验结果表明,自主移动机器人软硬件系统的基本性能良好,相关SLAM算法、路径规划方法具有可行性。通过该平台开展实验教学,可以显著提升学生解决工程实际问题能力和创新实践能力。

基于激光雷达的果树智能修剪系统设计与试验

针对传统果树修剪存在人员劳动强度大、修剪效率低及修剪质量难以保证等问题,本文设计了果树智能修剪机械臂,并利用固态激光雷达与可编程逻辑控制器开发了基于激光雷达的果树智能修剪系统,实现果树自动修剪。为了验证修剪臂的控制精度,分别对修剪机的摆动机械臂、举升机械臂、修剪切割总成进行独立精度试验与修剪目标位置精度试验,独立精度试验结果表明摆动机械臂、举升机械臂、修剪切割总成控制精度平均误差分别为2.32%、3.75%、2.50%,修剪目标位置精度试验结果表明目标位置X_(b)、Z_(b)平均误差分别为2.98%、1.85%,修剪总成作业倾角α平均误差为4.35%,满足果树修剪精度要求。在新疆阿克苏果树种植基地开展了果树修剪试验,结果表明,搭载固态激光雷达的果树修剪机能够实时获取果树的三维空间信息,修剪机可以根据激光雷达探测到的果树树冠信息制定修剪策略,香梨园与苹果园修剪优良率分别为93.3%与86.6%。该系统能有效提高果树修剪效率,降低修剪人员劳动强度。

激光雷达和相机的决策级融合目标检测方法

【目的】激光雷达与相机这两类传感器检测数据格式不统一、分辨率不同,且数据级和特征级的融合计算复杂度高,故提出一种决策级的目标融合检测方法。【方法】对激光雷达与相机的安装位置进行联合标定,实现这两类传感器检测结果的坐标系转换;利用匈牙利算法将激光雷达点云检测目标框和相机图像检测目标框进行匹配,设定目标框重合面积阈值,检测获得目标物的位置、类型等。【结果】实车测试结果表明,根据检测目标检测框长宽比选取不同交并比阈值的方法使得车辆和行人的目标识别准确率分别提升了3.3%和5.3%。利用公开数据集KITTI对所提融合方法进行验证,结果表明,在3种不同难度等级场景下,所提融合方法的检测精度分别达到了75.42%、69.71%、63.71%,与现有常用的融合方法相比,检测精度均有所提升。【结论】这两类传感器的检测目标框重合面积阈值对决策级融合检测结果影响较大,根据检测目标检测框长宽比选取不同阈值可有效提升车辆和行人的目标识别准确率。决策级融合方法能准确匹配雷达和相机的检测目标,有效提升目标检测精度。

基于激光雷达回波信号的雾天船舶航线快速辨识

激光雷达所处环境噪声较大,船舶航线辨识困难,为解决该问题,提出基于激光雷达回波信号的雾天船舶航线快速辨识方法。采用信号累积增强算法增强雾天激光雷达回波信号,利用改进经验模态分解算法去噪处理增强后的回波信号,结合回波信号通过最小类内方差获取得到船舶航线和水面最佳分割阈值,提取船舶航线特征点。利用最小二乘法拟合法拟合船舶航线特征点,完成雾天船舶航线辨识。实验结果表明,所提方法应用后激光雷达回波信号更平滑,输出信噪比更高,均方根误差更低,船舶航线辨识准确率更理想。

激光雷达超远距离测距技术

针对超远距离多功能交会对接激光雷达需求,开展基于非相干测距技术的远距离激光测距通信一体化模块研制,在不改变原有雷达主机架构和信号体制下,实现对远距离高动态合作目标的通信测距功能。推导出测距原理,对动态、时钟性能等因素产生的测距误差进行理论分析,给出速度、时钟性能对测距误差的影响公式。得出在高动态环境下,相对速度与测距周期、双方钟差共同作用产生测距系统误差,且速度越大系统误差越大的结论。设计测距通信一体化演示验证平台,完成测距通信算法的软硬件评估,实测结果与理论推导相符,为后续新体制激光雷达原理样机研制奠定技术基础。

基于DPPM的激光雷达通信测距一体化方案

针对激光雷达系统建设成本高和测量精度低的问题,提出了一种基于差分脉冲位置调制(DPPM)的激光雷达通信测距一体化方案。该方案通过使用DPPM的不同脉冲时隙位置来表示通信和测距帧信息。接收机可以根据脉冲时隙位置解调出通信信号,并通过飞行时间测距模块实现测距功能。此外,为了应对回波信号的低信噪比(SNR)问题,使用脉冲累加算法对回波信号进行组帧处理以提高回波信号的SNR。最终,通过现场可编程门阵列(FPGA)搭建了该通信测距一体化系统并进行了测试。实验结果表明:该系统不仅能在300 cm的范围内实现平均测距误差为±2.04 cm的测距功能,而且还能同时达到5 Mb/s的通信速率。