雙振鏡直接探測高精度三維成像激光雷達系統實驗研究

王 琪，李 琳，郝鵬飛，王 超，王春暉，郭 灝

（1.航天系統部裝備部駐長春地區軍事代表室，長春 130033；2.哈爾濱工業大學，哈爾濱 150001；3.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033）

三維成像雷達系統正朝著高精度、低成本和小型化的方向發展，適用于無人機、智能機器人、直升機避障、智能機械臂、軍事偵察、空中監控和導彈制導等軍事領域。在海洋探測、大氣環境探測、考古和無人車等民用領域也有著廣泛的應用前景[1-6]。本文建立了一個高精度三維實時成像激光雷達系統，以智能機器人、無人車和無人機在復雜環境中使用激光雷達系統獲得高精度、高分辨率的三維圖像信息為應用背景。在構建的激光雷達系統中，利用X、Y 振鏡掃描獲得目標的平面位置信息，以及通過測量脈沖信號的飛行時間獲得距離信息，從而獲得目標的3D 圖像。該激光雷達系統的時間測量精度高達300 ps，距離精度為45 mm。

1 實驗原理

1.1 實驗總體方案

如圖1 所示，1.55 μm 脈沖光纖激光器發射的橢圓偏振光經過半波片后入射到偏振分束器1 上。半波片的作用是調節偏振光的偏振方向，使P 光最大化。在穿過偏振分束鏡1 的輸出光束被反射鏡1 反射，然后傳播穿過偏振分束鏡2，在偏振分束鏡2 中P 光完全穿過。接著穿過四分之一波片和反射鏡2，激光束被投射在X、Y 振鏡上，經X、Y 振鏡掃描到空間中的目標上。在穿過四分之一波片之后，線偏振光變為圓偏振光，當從目標表面返回的光束再次經過四分之一波片圓偏振光變為線偏振光，也就是說，返回激光束在2 次穿過四分之一波片后從P 偏振光變為S 偏振光。S 偏振光只能被偏振分束鏡2 反射，然后被反射到前面有聚焦透鏡組的InGaAs 探測器的光敏表面。高速InGaAs 光電探測器將光信號轉換為電信號；然后通過信號處理系統對返回信號進行處理，最后將目標的三維距離信息發送到顯示設備。在該模型中，激光發射系統和接收系統的光路是完全同軸的。如圖1 所示，其中偏振分束鏡2用作光隔離器，以實現發射和接收的分離。

圖1 三維成像激光雷達系統原理圖

1.2 恒比定時器

恒比定時器的原理如圖2 所示[7-11]。

圖2 恒比定時器原理圖

輸入信號被分為兩路，其中一路信號被延遲，延遲時間為td，另一路信號被衰減，衰減因子為f。延遲和衰減的信號分別被發送到放大器A 的非反相和反相引腳。然后通過零鑒別器后分別產生雙極信號，脈沖信號的上升沿位于雙極信號的零點處。為了避免短路，在電路系統中增加了一個具有可調閾值的前沿鑒別器。當信號幅度達到預設閾值時，產生方波信號，其上升沿對應于閾值點。因為噪聲的峰值低于信號的峰值，所以可以去除噪聲。然后，輸出兩個上下方波信號經2 個D觸發器整形，獲得最后輸出信號，該信號輸入到時間數字轉換器作為鑒別時間。

1.3 時間間隔測量

時間間隔測量的典型游標框圖如圖3 所示[12-13]。振蕩器由啟動和停止脈沖控制。由于T2＜T1，累積周期停止通道的數量逐漸趕上開始通道，當振蕩器的相位和電路輸出相位一致時，頻率源在時間上被關斷。

圖3 游標時間間隔測量電路框圖

式中：k是膨脹系數。

因此

如圖3 所示，使用游標裝置的測量可以通過測量擴展時間，使用相對較慢的時間-幅度轉換器TAC（見虛線）進行，也可以通過計算進行，直到循環數為n時2 通道相位一致（見實線）。后一種方法的優點是輸出數字形式，因此與現代數據采集系統兼容。

2 實驗結果

在這個實驗中，我們使用了光觸發的方法，整個過程可以描述為：主機發出光觸發命令來觸發激光器，并設置點測量的開始時間。同時，X、Y 雙振鏡開始在空間中掃描目標，TDC 也開始同步接收信號，其中其終止COM 與來自激光器發射的種子光的參考信號一起發送，該信號被視為激光在雷達系統和目標之間行進的開始時間。目標的返回光信號通過高靈敏度InGaAs 探測器轉換為電信號，然后將電信號發送到恒比定時器（CFD）中。CFD 的輸出信號隨后被發送到TDC 端口1 的輸入端。TDC 的輸出給出了激光在雷達和目標之間傳播的飛行時間，通過信號處理軟件，根據關系r=1/2×ct將其轉換為目標的距離，然后結合掃描鏡的二維掃描數據生成目標空間的三維圖像，并顯示在顯示屏上。

利用三維成像激光雷達系統，我們對幾種不同類型的物體進行了掃描和成像實驗。首先，我們選擇尺寸為1 m×2 m 的塑料板作為測試目標，在以下實驗中用作背景（圖4）。單個泡沫板的表面距離是檢測目標。泡沫板的厚度為4.5 cm，尺寸為80 cm×80 cm。將該泡沫板放置在不同距離處進行成像實驗。分別對放置在2、5 和10 m 距離處的目標進行成像。圖4 是真實塑料板的照片。我們使成像系統開始掃描目標，然后通過軟件處理獲得目標的三維圖像。

圖4 塑料板照片

圖5 是當板位于2 m 的距離時，來自掃描激光雷達系統的圖像。物體和背景之間的關系顯示得很清楚，但由于塑料板邊緣的信噪比較低，邊緣略有粗糙。此外，從目標的高度可以看到圖像的坐標，并且真實高度基本相同，符合45 mm 的精度。

圖5 距離2 m 處的塑料板圖像

從圖6 中可以看出，與2 m 處的目標圖像相比，5 m 處的圖像質量迅速下降，但仍然可以大致反映目標的厚度信息，從低信噪比失真區域增加的邊緣開始。存在一定程度的損耗和凹陷，有可能存在單點邊緣信息由時序對準誤差引起的損耗情況，但仍能從厚度差異中看出，系統的精度仍保持在理論計算誤差范圍內。

圖6 距離5 m處的塑料板圖像

圖像的邊緣輪廓是比較清晰的，層次結構在圖7中不是很清晰。但受此啟發，可以從長距離成像中得到輪廓清晰的現象，研究物體輪廓識別方法。

圖7 距離10 m 處的目標圖像

其次，對單距離多目標組合的泡沫板進行了測試，選擇了一塊高8 cm、厚5 cm 的泡沫板作為測試目標，如圖8 所示。圖9 是目標位于2 m 處時三維雷達系統的圖像。

圖8 單范圍多目標圖像的真實對象

圖9 距離2 m 處的目標圖像

如圖9 所示，目標圖像的距離信息的高度差分布良好，距離波動較小。這表明，該系統在相同距離的時間間隔測量中是穩定的，測量誤差較小。其中一些丟失了一些區域，但它仍然恢復了掃描目標的形狀。同時，形狀有更明顯的變形，圖像在X 方向上被拉寬，這表明點的對應二維坐標的距離與實際情況不同，需要加強空間掃描軌跡的校正。

最后，在激光雷達成像測試中，對具有相對復雜特征的物體進行了掃描和成像。圖10 給出了一張實驗場景中的人的照片。人站在距離成像系統5 m 處，我們在實驗中掃描人的上部，圖11 給出了掃描的圖像。該圖像具有嚴重的丟失現象，特別是難以恢復距離差小于45 mm 的細節，但仍大致保留了人物的基本特征。

圖10 圖形目標圖像

圖11 圖目標掃描圖像

3 討論

對于單距離和單目標物體的近距離成像，圖像質量非常好，圖像清晰，然而，隨著距離的增加，圖像的質量降低，并且出現丟失點的現象。在單距離多目標成像中，會出現點丟失和變形的問題。對于復雜的人物，圖像的基本特征可以保留下來，一些細節很難恢復。

4 結論

利用本文構建的三維成像激光雷達系統，對不同距離的物體進行了測試實驗，獲得了物體的三維圖像信息。在實驗中，包括恒比定時器和時間數字轉換器，獲得了300 ps 的時間測量誤差和45 mm 的測距精度。從成像結果可以看出，根據系統測距誤差，系統可以分辨出45 mm 的最小距離。該系統已成功獲得高清晰度的實時動態圖像。未來的工作是通過提高信噪比來改善待測量的距離。