LiDAR关键技术及其在辅助驾驶中的性能要求

随着智能驾驶技术的发展,车辆对行驶环境的感知提出了高精度的要求,在多传感器交叉融合方案中,激光雷达(LiDAR)是其中的关键传感器,为车辆提供实时、高精度、全场景的环境感知。为了理解LiDAR发展趋势,文章从LiDAR光电系统架构和电探测基本原理出发,对前向长距车载LiDAR的关键技术进行阐述,系统性地介绍LiDAR收发控制系统、扫描与光学系统、光电探测与信号处理系统等模块的设计原理和技术难点,对LiDAR的技术路线选择进行定性分析。从应用的角度对车载LiDAR的技术指标提出了基础性能要求,并对车载LiDAR最新的技术发展趋势做归纳总结。

航空相机的像旋转特性分析及其补偿方法

航空相机在多航迹成像方式中,随着45°反射镜绕光轴旋转对物进行扫描,物体反射像也将绕光轴进行旋转,为此必须采取消除像旋转的措施来保证成像质量。为阐述产生像旋转的原因,分析了扫描反射镜的像旋转特性;并在探讨消除像旋技术理论的基础上,提出了一种反射镜与探测器同步转动消除像旋转的方法。在多航迹工作方式中,此方法为相机扫描机构连续扫描成像提供了必要条件。利用此方法还改进了以往步进式扫描机构的惯量大、扫描效率低的问题,并在实际工程中得以应用和证明。试验结果表明,该方法的同步旋转误差小于1/3像元,能够获得良好的图像效果。

45°二维扫描镜扫描轴系特性分析

对工作于三轴稳定平台的45°扫描镜绕不同轴系摆动时的摆动范围及扫描轨迹进行了分析比较,给出了扫描镜选用不同轴系时的扫描摆动角度的计算方法,在工程应用中具有重要实用意义。

消除45°旋转扫描反射镜像旋转系统的研究及应用

研制了在宽波段范围内采用“Ｋ镜”来消除４５°旋转扫描反射镜像旋转的系统，并进行了理论上的推导和海洋卫星水色扫描仪的实际应用，证明该系统能很好地消除４５°旋转扫描反射镜产生的像旋转，从而提出４５°旋转扫描反射镜加“Ｋ镜”

二维扫描镜扫描特性理论分析

在航天遥感仪器中,为了缩小二维指向镜的大小可将45°镜偏转一定角度,如60°镜。在光学反射矢量理论基础上,对不同角度指向镜的摆动范围、像旋特性进行分析比较。从扫描特性角度分析了倾斜扫描镜使其减小尺寸的可行性。

激光显示中散斑的抑制

文章首先概述了散斑的形成机理,接着简述了在近场条件下通过降低激光的时间或空间相干性来抑制散斑的许多方法,并具体分析了仅通过降低激光的相干性来减弱激光显示中散斑的缺陷。提出一种在远场条件下减弱散斑的两维扫描复面转镜,且详细说明了该转镜的工作原理,当合成的激光束通过旋转的复面镜时,移动的干涉条纹在屏幕上产生“沸腾”的散斑图样。最后以红光为例,说明了合成光束通过转镜时显示屏幕上散斑对比度的降低,显示了二维转镜有效地抑制了激光显示中的散斑现象。

摆扫式面阵CCD航空相机的像旋转分析

航空相机在进行拍照时,通常采用45°扫描反射镜绕光轴摆扫或步进,进行多行迹摆扫式拍照,以增大对地面景物的观测范围,但当扫描镜绕光轴旋转对物体进行观测时,物体反射像也将绕轴进行旋转,目标相对探测器(CCD)产生了像旋转。通过运用光线矢量与光轴旋转变换的方法,建立了相机的数学模型。根据该模型,针对扫描反射镜旋转所产生的像旋转,利用光学矩阵建立了扫描镜转角与像旋转角之间的关系,对比各种消除像旋方法的优缺点,提出了采用扫描镜与像面旋转机构同步旋转结合的方法实现消除像旋,为工程设计提供了必要参考。

变包含角平面光栅单色器扫描转角精度的检测

针对上海光源(SSRF)软X射线谱学显微光束线站高分辨变包含角单色器(VAPGM)在超高真空环境下对波长扫描机构转角精度的现场测试,提出了一种实用、有效的检测方法。采用自制的多角棱镜,结合高精度光电自准直仪进行现场测试。首先,介绍了单色器波长扫描原理,给出角度与波长的关系;接着,理论分析了转角精度与系统分辨率之间的关系;最后,介绍了该方法的检测原理、装置及检测步骤。利用该方法完成了VAPGM平面镜(PM)和平面光栅(PG)转角精度的检测,结果分别为0.19″,0.22″,满足单色器技术指标要求。在电离室在线检测了标定后的单色器系统的分辨率,测试结果好于10000,进一步验证了该检测方法的有效性。

MEMS二维静电驱动扫描镜设计和分析

给出了一种静电驱动二维微扫描镜的设计和制造方案,所设计的扫描镜具有绕X轴和Y轴转动的两个自由度,并具有体积小、功耗低、频率高等优点。推导了镜面旋转角表达式并分析了吸合效应。利用POL YMUMPS工艺完成了对扫描镜的加工,并着重分析了关键工艺步骤。结合有限元分析软件,对微扫描镜的频率特性以及静态旋转特性进行了分析和研究。分析结果表明,在120V和160V的电压下,扫描镜可分别产生沿X轴方向的±5.0°和沿Y轴方向±4.4°的偏转角。优化后的扫描镜能够工作在单频率状态下,具有较高的响应速度。

航空遥感器扫描反射镜与窗口尺寸的计算与分析

航空遥感器扫描反射镜按照给定的速度旋转,补偿飞行器运动以及姿态变化引起的像移,为此需要确定补偿后反射镜的大小、航空遥感器窗口的位置与大小。运用光学反射矢量的基本理论,给出扫描反射镜的反作用矩阵,补偿后光线矢量间的关系;通过推导建立扫描反射镜转轴位置与反射镜大小、窗口位置及大小的理论计算公式;以实际遥感器的的工作参数为条件对结果进行计算和分析。实例计算表明理论公式计算简便,不仅在遥感器设计时用于计算反射镜与窗口的尺寸及位置,还可作为具有相似反射镜结构的其他系统的计算依据与基础。

光学像消旋系统在FY-3 MERSI图像定位中的应用

45°旋转扫描反射镜模式是一种最常见的光机扫描模式。但45°镜的旋转反射会产生像旋转,对于线列探测器并扫成像系统时会产生轴外视场无法配准。在遥感图像地理定位计算中,如果只考虑45°旋转扫描反射镜的反射成像,也同样会造成地理定位结果在轴外的大误差。在遥感图像地理定位处理中,计算了K镜反射特性矩阵,通过光学矢量反射和旋转计算,在图像地理定位结果中消除了轴外误差。在分析了45°旋转扫描反射镜产生像旋转原因基础上,给出了在遥感图像地理定位中45°旋转扫描反射镜和K镜光学像消旋系统的处理方法。将该方法用于FY-3 MERSI 10元并扫探测器的遥感图像地理定位处理,在图像定位结果中减小了误差,地理定位结果平滑连续。并讨论了45°旋转扫描反射镜和K镜光学像消旋系统对遥感图像地理定位可能造成的其他误差。该方法同样适合于其他45°旋转扫描反射镜和K镜像消旋系统以及多元并扫遥感仪器的图像地理定位。

“HY—1A”卫星海洋水色扫描仪像旋转图像校正处理

"海洋1"号("HY—1A")卫星海洋水色扫描仪由于K镜的失效而出现了像旋现象,对获得的卫星图像质量产生直接影响。基于光学反射矢量理论,分析了多元探测器并行扫描方式下45°扫描镜加K镜的扫描轨迹特征,利用图像之间的相关性,首先自动寻找K镜停转的准确角度,然后根据K镜的停转角度与多元并扫理论对像旋图像进行了校正处理,获得了可用的校正图像。

机载摆扫式光谱仪高转速三面摆镜设计与优化

为满足机载摆扫式光谱仪在25Hz扫描频率下工作的要求,设计了具有三面反射镜的摆镜结构。首先,计算镜面反射区域面积与旋转轴偏离量的关系,通过比较摆镜布置不同数目反射镜时的性能,设计了围绕旋转轴布置三面反射镜的摆镜结构形式,通过600r/min的转速即可完成每分钟1 800次的高频摆扫;同时采用匀速摆扫的运动方式,降低了摆镜的控制难度,提高了系统的稳定性。然后,采用拓扑优化、集成优化等方法对摆镜结构进行了优化,摆镜最终质量为5.28kg,轻量化率达到58%。最后,通过有限元仿真计算得到:摆镜在机载平台600r/min转速离心力与1 g重力的作用下,面型精度RMS值优于λ/20,基频达到1 199Hz,具有较高的力学稳定性,满足机载摆扫式光谱仪的高扫描频率要求。

凝视模式下的画幅相机两轴像移补偿

通过斜视画幅相机的几何模型,选择载机相关坐标系,建立了计算目标航迹速度到像面坐标系下像移速度的数学模型。通过坐标变换将航迹速度(目标在航迹坐标系下的速度)转换至机体坐标系下的速度矢量,最终至补偿坐标系下的运动矢量;计算视轴长度,得到了扫描镜补偿角速度。最后,阐述了像面旋转机构在像移补偿中的作用,并给出了具体位置角计算公式。提出的采用扫描镜和像面旋转机构相结合的方案实现了凝视工作模式下的画幅相机像移补偿,利用坐标变换计算出的相应量,可为将来画幅相机在该模式下的像移补偿工程应用提供必要的参考。

45°镜多元探测器并扫成像特性和扫描轨迹分析

在光学反射矢量理论基础上 ,对于航天航空用多光谱成像仪 4 5°镜多元探测器并扫成像特性和扫描轨迹进行了分析 ,给出了 4 5°镜反射作用矩阵、4 5°镜多元探测器并扫成像的物像关系和像旋计算公式 ,及其对应的地面扫描轨迹理论计算公式。

高速MEMS扫描微镜动态变形特性研究

扭转镜面的动态形变是影响显示成像用MEMS扫描微镜光学分辨率的主导因素,研究了高速转动的MEMS扫描微镜的动态形变特性,得到了相关有用的结论。结果表明当MEMS扫描微镜镜面几何尺寸一定时,如果要获得系统衍射极限光学分辨率,需要对转动频率,扭转角度和镜面厚度进行优化设计和选择,简单通过增加镜面厚度保证光学分辨率的方法不利于MEMS扫描微镜综合性能的改善和提高。

45°旋转反射镜扫描性质的讨论

讨论45°旋转反射镜的扫描性质,对该扫描模式进行评价,给出它在遥感中的适用性。

二维指向镜的成像特性分析

目标搜索和跟踪一体化的光电探测系统常采用二维指向镜与面阵凝视成像探测相结合的技术方案。本文在光学矢量反射理论的基础上,对二维指向镜的成像特性进行了分析,给出了扫描轨迹的计算,指向镜摆动角度与视线角之间的关系。当指向镜绕两轴转动时,物体反射像也随着指向镜的转动产生像旋,扫描轨迹呈非线性变化。文中讨论了多元探测器像旋角的计算和对跟踪系统的影响,为软件校正像旋和二维控制实现精确跟踪提供理论参考价值。

新型大尺寸电磁驱动MEMS光学扫描镜的研制

设计并制作了一种结构新颖的镜面尺寸为6mm×4mm的电磁驱动MEMS光学扫描镜.这种背面为微型铜驱动线圈的MEMS硅基扭转镜面沉浸在由包含永磁体的磁回路产生的磁场中,当电流信号通过驱动线圈时,MEMS光学扫描镜绕着扭转梁发生了大角度的扫描运动.采用MEMS体硅加工工艺和电镀技术制作的器件显示出了优良的性能,实验获得的扫描镜静态转角斜率为0.03°/mA,当器件进行动态扫描时,在381Hz的谐振频率下获得了最大±10.2°的光学扭转角度,空气中的Q因子为221,相应的功耗为13μW,与此同时MEMS光学扫描镜具备了出色的镜面粗糙度、光学反射率和镜面平整度.实验证明该器件完全适合于微型光谱仪和可调光滤波器的应用.

多面转镜双光束扫描场的研究

运用矢量光学理论研究了双光束多面转镜扫描场中的相应问题 :导出双光束扫描的基本方程 ,其中包括 ,入射点位置 ,反射点在空间以及在转镜反射面的移动轨迹 ,反射线标量方程 ,观察面上扫描点的位置以及远场扫描轨迹等 ,这些方程描述了多光束多面转镜扫描的动态特性及其基本规律 ;在此基础上通过数值计算分析研究扫描场的成象特性 .