应用于全固态激光雷达的光学相控阵技术发展趋势与挑战

应用于全固态激光雷达的光学相控阵是一种电控扫描的光束指向控制技术,具有宽视场、低功耗、轻量化的优异性能,在军事和民用领域发挥着越来越重要的作用。文章首先介绍了光学相控阵基本工作原理;回顾了近年来基于不同材料光学相控阵的国内外研究进展,主要包括:光波导相控阵(如LiTaO3晶体、GaAs/AIGaAs、PLZT电光陶瓷、Si等)和液晶光学相控阵;并对基于不同材料光学相控阵的优劣势进行对比分析;指出了研制高性能光学相控阵需要突破的关键技术;并给出了光学相控阵技术的发展趋势与挑战。

MEMS激光雷达综述

近年人工智能飞速发展,自动驾驶、智能驾驶已进入产业元年.激光雷达技术作为最为重要的自动驾驶视觉感知设备,正在进行不断的发展与迭代.本文旨在介绍激光雷达及其国内外研究现状.文中着重介绍了MEMS固态激光雷达的核心部件MEMS微振镜的技术参数及指标,如视场角、光学孔径、扫描速度、扫描频率、MEMS微振镜尺寸以及品质因数.最终汇总了车载激光雷达的应用现状,展望车载激光雷达的未来与发展.

基于MEMS激光雷达的智能轮椅SLAM研究

轮椅是残障人士和老年人的重要代步工具,传统的电动、手动轮椅移动方式单一,需要他人辅助完成,且无法主动保证使用者的安全。研究了基于机器人操作系统(ROS)的轮椅室外场景建模、路径规划与导航算法。在轮椅上安装MEMS激光雷达,融合体素网格滤波器和LeGO-LOAM算法完成点云处理和室外场景建模;设计了融合百度地图和激光雷达的轮椅导航方式,使用者可根据百度地图提供的路径规划信息遥控轮椅,在建图完毕后,可仅依靠激光雷达完成路径导航和自主移动;结合激光雷达智能感知算法,实现了道路信息的实时感知,使轮椅具备主动安全功能。通过实验验证了建模、感知算法的功能,并完成了融合导航仿真实验,研究内容能够大幅提升智能轮椅使用过程中的安全性能。

基于特征增稳的混合固态激光雷达目标检测

稳定的点云特征提取对激光雷达三维目标检测至关重要。针对现有深度学习算法仅能处理机械旋转式激光雷达点云数据,而对混合固态激光雷达数据支持不足的问题,本文基于IA-SSD搭建了适用于混合固态激光雷达的目标检测模型。首先,在点云编码前端添加了Cloth Simulation Filtering(CSF)用于地面次优点过滤;其次,利用局部特征融合和全局双线性正则化层组成的注意力机制,从局部和全局共同推动点云几何信息与特征信息融合;再次,利用GhostGConv替换原有低效的逐点卷积,通过通道混洗机制加强点云的特征交互,构建了增强型特征提取网络。最后,在点检测器IA-SSD中整合了上述模块完成模型构建。在混合固态激光雷达数据集SimoSet开展的验证结果表明,所提出的方法显著优于SimoSet数据集支持的其他算法精度指标;在KITTI数据集中等难度检测中,所提方法将IA-SSD三分类平均检测精度分别提升了1.17、1.47、0.5百分点。

基于MEMS激光雷达的车辆目标识别算法

针对传统线阵激光雷达对地面目标识别准确率低的问题,设计一种基于MEMS激光雷达推扫成像点云识别算法。引入直通滤波和栅格分割算法缩减原始点云数据,有效提高算法的运算速度。结合MEMS激光雷达点云有序化处理方法,提出基于数学形态学的点云聚类算法,将去除地面后的点云分割为相互独立的点云簇。在此基础上使用自适应阈值的分布直方图去噪算法,去除点云簇周围的离群噪点。设计多特征复合判据,直接处理聚类去噪后的三维激光点云,实现对目标的准确识别。分析典型实验条件下的数据处理结果,识别准确率达到了94.9%,表明该方法具有良好的泛化能力和准确性。

利用双回波的固态激光雷达与相机外参标定方法

固态激光雷达和相机因产生的信息具有很强的互补性,被组合应用在多个领域。为了准确融合2种传感器的信息,提出一种利用双回波的固态激光雷达与相机外参标定方法。首先,利用双回波将含噪声的边缘点云从原始标定板点云中去除,得到内点云。然后,基于内点云获取与标定板真实尺寸一致的角点特征。最后,建立点云中角点与图像中角点对应的约束条件,通过多点透视方法优化求解外参。实验结果表明,该方法的重投影误差和数据融合效果比现有方法更优,验证了有效性与准确性。

基于微振镜和双面转镜的三维激光雷达系统设计

阐述基于机械式和全固态激光雷达提出一种半固态激光雷达系统,使用MEMS(Micro-ElectroMechanical System)微振镜配合转镜实现三维扫描,完成水平视场角120°,垂直视场角10°的扫描范围,水平视场角分辨率为9.2°,垂直视场角分辨率为0.5°,三维扫描面为三角波。由此,为半固态三维激光雷达提出另一种低成本方案。

固态激光雷达输电线路实时建模及压缩技术

输电线路的三维重建是电网巡检的重要任务之一。为实现电路巡检自动化,提出了一种基于固态激光雷达的输电线路实时三维重建及数据压缩技术。首先,针对固态激光雷达的特点对经典激光SLAM框架进行改进,优化其特征提取过程并加入了运动补偿,使用改进的算法对输电线路进行实时建模;然后,使用加入权重因子改进的模糊C均值聚类方法对点云模型进行降噪滤波,去除离群点及噪点;最后,为了降低大型点云数据的储存及传输开销,设计基于时空编码的方法对输电线路模型进行压缩。实验结果表明,该方法可以实现输电线路场景的高精度实时建模,压缩后的模型可以满足储存及传输要求。

光学MEMS微镜技术及其在激光雷达中的应用

首先概述了MOEMS光学技术的应用及特点,并介绍一类MOEMS光学产品的机理,该技术使得三维实时扫描成像激光雷达小型化成为可能。重点论述一个MEMS激光雷达设计实例,比较其与FLASH激光雷达工作原理的异同,列举了其潜在性能指标。

面阵固态激光雷达在排水管道检测中应用研究

激光雷达扫描是排水管道完整性检测的一种重要方法。针对目前激光扫描设备无法快速绘制出排水管道内壁三维轮廓图像的问题,文中设计一种基于面阵固态激光雷达传感器的管道内壁信息采集传输系统,给出激光雷达传感器的硬件采集电路原理图,详细阐述系统软件设计方案和实现过程。模拟场地测试时,采集面阵固态激光雷达三维点云数据和深度数据,详细对比检测量和实测量,以验证检测数据的可靠性。结果表明,面阵固态激光雷达测量精度为1.8 cm,检测范围可达5 m。现场实测时,绘制排水管道内壁面阵固态激光雷达三维深度图,三维图中管道底部泥沙和管道顶部污垢清晰可见,能快速检测出排水管道内壁的完整信息。所设计系统实用性高、检测速度快,具有良好的稳定性。

基于固态激光雷达的道路边沿与障碍物检测

为了有效获取前方道路信息,应用于低成本的固态激光雷达,提出一种道路边沿与障碍物检测方法。首先对原始点云数据进行地面滤波处理,提取地面与非地面点云数据;根据地面点云数据中路沿高度突变的特征,提出了一种动态滑动窗口的方法提取路沿特征点,后使用随机抽样一致算法(random sample consensus,RANSAC)进行路沿直线拟合;将路沿内障碍物点云作为感兴趣区域(region of interest,ROI),在z轴方向上对障碍物点云数据进行安全高度为H直通滤波处理,最后使用欧氏聚类算法完成了对路沿内障碍物的检测。通过在校园内实际采集数据与处理实验,验证了该方法的可行性。

基于固态激光雷达和模糊簇算法的虚拟连挂列车识别系统

虚拟连挂技术可满足我国铁路日益增长的铁路运输需求,并有效提高铁路运输效率。提出一种融合固态激光雷达技术、车-车通信技术、模糊簇算法的虚拟连挂系统,运用固态激光雷达获取前方列车/障碍物的位置、速度、视野分段编组信息,使用车-车无线通信技术在前后车之间交互位置信息及控制信息,采用模糊C均值算法演算、优化位置、分段编组信息,计算出模糊归属度矩阵以及前方列车距离信息,回传给列控系统实现列车虚拟连挂。针对3种典型仿真场景进行软件仿真,评估系统以及模糊簇算法的可行性、合理性、局限性,结果表明:固态激光雷达可有效计算出视野范围内单一物体的位置、速度信息,模糊簇算法可进一步降低距离测量误差,优化分段编组,能有效实现列车虚拟连挂系统中的目标列车识别。

基于固态面阵激光雷达的人体行为识别研究

计算机视觉技术的发展,涌现出很多目标检测和行为识别研究的方法,使得人体行为识别研究的相关成果应用于智慧教育环境、虚拟现实和人机交互等方面成为常态。该文针对复杂多变的环境下基于固态面阵激光雷达的基础且在深度学习算法模型优化下的人体行为进行识别研究。具有2个显著特点,一方面,数据经处理后重构能反映目标几何外形的三维图形,获取目标表面反射特性、运动速度等丰富的特征信息,为目标探测、识别和跟踪等数据处理提供信息支持、降低算法难度;另一方面,固态面阵激光雷达的应用,使得其具有测量分辨率高、抗干扰能力强等特征。解决传统算法依赖人工提取特征,复杂耗时且泛化性差等不易操作的问题,使得人体行为识别更加信息化与智能化。

固态激光雷达技术在地铁浮置板轨道基底混凝土浇筑中的应用

由于激光雷达采集目标距离和速度信息精确、能实现目标探测和成像等优势,本文通过分析轨道基底混凝土浇筑的质量控制薄弱环节,并针对其中混凝土摊铺不均匀的问题,创新性的提出将固态激光雷达技术应用在料斗上,通过比较实际与理论浇筑面的混凝土体积差,即混凝土盈亏量,从而采取措施以满足要求。该方案能够实现混凝土料快速摊铺均匀,缩短基底混凝土浇筑时间,提高了基底偏差控制及施工效率,为地铁浮置板轨道基底混凝土浇筑施工的智能管控提供了参考。

基于2D微电子机械系统(MEMS)镜全向激光雷达光学系统设计

为了满足全向激光探测的需求,提出一种基于2D MEMS镜扫描的激光雷达结构。激光器通过1×6高速光开关分时地给6个扫描子系统提供光信号,6个扫描子系统探测视场叠加起来可实现360°激光探测。每个扫描子系统的扫描范围为60°×30°,其中包含一个扩展MEMS镜扫描角度的发射光学天线和一个大视场有增益的接收光学天线。发射光学天线将MEMS镜±10°的扫描角扩展到±30°,发散度小于0.2mrad;接收视场内的激光回波经过接收天线在探测器上所成的半像高小于1mm,接收增益为3.65。通过计算修正后的激光雷达方程可得到发射功率20W的激光束在工作距离100m内的回波功率≥1nW,结果表明该光学系统可适用于激光雷达系统。

MEMS激光雷达的光学扩角系统设计

MEMS激光雷达采用MEMS振镜作为扫描器件,具有结构固态化、质量轻、功耗低等显著优点,是车规级激光雷达的主流技术路线。MEMS振镜也存在机械扫描角较小的缺点,因而MEMS激光雷达难以实现较大的扫描视场角。针对传统光学扩角系统发散角大的不足,提出一种可以实现均匀扫描的光学扩角系统。采用光学设计的方法,建立多镜片搭配的光学扩角系统模型,并借助ZEMAX软件完成各镜片光学结构参数设计,并通过光线追踪对设计指标进行仿真评估。根据仿真结果,该系统可以将MEMS激光雷达的扫描角度扩大1.6倍,且在100 m处的激光光斑直径小于100 mm。MEMS激光雷达扫描角度较小和出射光束发散角较大的问题得到显著改善。

基于MEMS微镜的调频连续波激光雷达设计

将调频连续波(FMCW)激光测距技术与MEMS微镜扫描成像技术相结合,设计了一种新型激光雷达系统。引入平衡相干探测技术和基于辅助干涉光路的调频信号非线性校正技术,搭建了双光路测距仿真系统。在400 m以内最大测距误差不超过1.26 m,相对测量精度小于0.32%,100 m测距误差仅为0.270 8 m。为了满足FMCW激光雷达的大角度探测需求,利用望远结构设计了一种基于MEMS微镜的大角度光学扫描系统。此系统可以在激光调制波长为1 520 nm至1 570 nm的范围内将发射光学系统的扫描角从±10°扩展到±28.5°,光束发散角小于0.5 mrad,在100 m的目标距离处,光斑半径仅为7 cm。

车载环境下MEMS微镜长期可靠性及控制方法

作为一种新型微光机电系统,MEMS微镜可完成微尺度下的光调控工作,在光电通信、医疗成像、民用投影、雷达探测等领域应用广泛.近年来,以微镜为核心部件的MEMS激光雷达因其体积小和功耗低等优势,有望成为更具竞争力的辅助驾驶传感器之一.然而,鉴于车载应用特殊性,MEMS微镜在温湿、电磁、振动和冲击等复杂多物理场耦合环境下的各类可靠性问题严重制约了MEMS激光雷达的工程应用.本文立足MEMS微镜可靠性研究领域,综述其在高频振动、温湿循环、电磁耦合等极端环境下的分层翘曲、结构断裂、静电吸合、短路烧毁等复杂失效形式及失效机制,总结了MEMS微镜常见动力学建模理论及控制方法,讨论并展望了MEMS激光雷达车规化面临的主要挑战和发展趋势.

固态激光雷达传感器技术及无人机载测深应用

无人机搭载固态激光雷达传感器施测水深和水下地形技术是近年来新发展的一种测量手段。本文综述和介绍固态激光雷达传感器技术,以及在近海、岛礁和内陆江河湖库的水深测量及水下-陆地一体化地形测绘的应用现状和发展前景。首先介绍水体中光波传播特性、水面光波反射特性,介绍无人机载双频激光雷达测深原理;然后,综述目前典型的机载海洋测深ALB系统和无人机挂载固态激光雷达测深系统及其应用情况;最后,总结分析无人机挂载激光雷达测深系统在施测应用中的技术难点问题,并结合固态激光雷达测深技术和应用现状对其发展前景进行了展望。

固态激光雷达与相机间外参标定方法研究

非重复扫描模式的固态激光雷达相较机械旋转式激光雷达在彩色点云三维模型重建中可以获得更为稠密的点云与丰富的细节信息,但因其特殊的扫描方式以及测量误差不均匀等特性,与当前机械旋转式激光雷达与相机之间外参的标定算法适配性较差。因此,提出了一种固态雷达与相机间的外参标定方法。此方法首先利用雷达和相机各自的运动里程计求解相应时刻下的位姿,根据手眼标定方法计算初始外参矩阵。然后,寻找自制标定板特征约束优化外参矩阵。通过叠加多帧数据获得稠密点云,建立二维图像数据与三维点云数据中对应点-点、点-线特征之间的约束,迭代优化求解外参矩阵。最后,通过实验对标定方法进行验证,结果表明:考虑固态雷达自身误差范围,满足外参标定精度要求。