一种基于码分多址的面阵激光雷达三维成像方法技术

本发明专利技术提出了一种基于码分多址的面阵激光雷达三维成像方法，解决传统阵列成像技术依赖于探测器阵列规模的问题，实现以小规模探测器阵列完成无扫描、大视场、高分辨率的三维成像。所述方法实现步骤为：激光器产生窄脉冲激光源，经光束整形器形成近平顶能量分布的面阵光束；再通过码分多址光编码器形成二维面阵编码光束投射到目标表面；成像镜头接收后，光复用器将编码区像素细分并分组复用，得到若干通道的亚像素混合全编码信号；由等通道数的探测器阵列接收后再由等通道数的数据采集系统记录数据；通过信号处理算法从每个通道全编码信号中高精度解调出亚像素距离信息；经距离修正和像素拼接后，结合各像素地理位置信息，完成目标的三维图像重建。

【技术实现步骤摘要】
一种基于码分多址的面阵激光雷达三维成像方法
本专利技术涉及激光三维成像
，特别地涉及一种基于码分多址的面阵激光雷达三维成像方法。
技术介绍
激光雷达(LightDetectionAndRanging，LIDAR)是一种主动式光电成像技术，不仅有效地应用到激光制导、战场侦察、飞机防撞、地雷遥感等军事领域，同时也广泛应用到城市数字模型重建、森林生态监测、海洋环境测绘、地质地貌探测、太空勘测等科学领域。激光雷达技术在传统的微波雷达技术的基础之上发展起来，两者在工作原理和结构上有诸多相似点。发射接收源上，激光与微波均属于电磁波，但前者工作在光波波段，后者工作在无线电频段。结构上，微波雷达天线在激光雷达中由光学望远镜代替，微波雷达的接收端可以直接用射频模块对接收信号进行放大、混频和检波，激光雷达则必须用光电探测器将光信号转换成电信号后进行处理。在信号处理上，激光雷达也利用了很多微波雷达中的成熟技术。相比微波雷达，激光雷达的优点包括：第一，激光具有更窄的脉冲(纳秒至飞秒级别)，有效的带宽更宽，因此可实现更高精度的测量；第二，激光的工作频率在电子干扰频谱和微波隐身有效频率之外，因此抗电子干扰能力强，反隐身能力好；第三，激光的单色性和相干性好，可实现高灵敏的外差干涉接收；第四，激光回波可同时获得目标的距离、角度和速度的多个信息，生成多种图像，通过融合得到的三维图像信息更丰富；第五，激光雷达系统一般体积小、重量轻，因此很适合车载、机载乃至星载模式的测量。成像激光雷达是激光雷达的一个重要应用，可以直接获得目标的轮廓和位置信息，相应地重建出距离像和强度像，融合得到目标的三维图像，从而识别目标。根据测量方式，成像雷达可以分为扫描式成像激光雷达和非扫描式成像激光雷达。扫描式成像激光雷达探测方法是借助机械扫描设备对目标进行点到点逐点扫描，分时获取目标表面的信息进而成像。这种激光雷达系统的特点是小光斑、高重频。机械扫描装置增加了体积和重量，不利于小型化，且会引入扫描偏差。非扫描式成像激光雷达探测方法是在无扫描情况下直接获取更宽区域的整个剖面数据，通过数据分解算法获得所有目标像素深度信息。这种激光雷达系统的特点是大光斑、低重频。但目前的数据分解方法会造成距离精度很低。随着非扫描激光雷达对成像质量的要求越来越高，出现焦平面阵列激光雷达。这种阵列激光雷达具有诸多优势，因而近年来在全球得到了广泛的研究和发展。这种激光雷达的探测方法是采用多个高灵敏的雪崩光电二极管(avalanchephotodiode，APD)设计焦平面阵列，形成多个通道捕获目标整个截面回波信号，并由后端的多通道集成读出电路(read-outintegratedcircuit，ROIC)获得所有像素距离信息以重构目标三维像。阵列激光雷达的优点包括：第一，光束利用率高，可无扫描获得多像素信息；第二，基于飞行时间的探测原理简单，获取目标信息丰富；第三，采用高灵敏度和精度的APD探测器阵列，噪声低、探测距离远、成像帧率和成像精度高；第四，结构简单轻巧，便于车载或机载，适用于伪装网或隐蔽目标的探测和识别。自2002年起，美国麻省理工学院林肯实验室相继研制了4×4到32×32像元的盖格模式APD(GM-APD)阵列。2005年，林肯实验室开展了拼图(Jigsaw)项目计划，利用已有的32×32面元GM-APD阵列探测器和计时电路技术设计成像雷达系统，通过机载实现对军事战场上被伪装网或树叶隐蔽的目标的成像和识别。2009年，林肯实验室在之前工作的基础上成功研制出256×64元的GM-APD阵列。该阵列实质是双层复合的128×32元GM-APD阵列。2011年，林肯实验室在美国空军的支持下，完成了ALIRT实验系统的研制并投入实验中。ALIRT具有128×32GM-APD阵列规模及相应规模的计时电路，完成了9km高度的大规模、高速高效的成像实验。(1)2004年，美国先进科技公司(AdvancedScientificConceptsInc.，ASC)在美国DARPA的支持下，完成了无扫描的阵列3D成像雷达的研制。其核心在于设计一个多功能、大规模的ROIC，可结合InGaAs或者HgCdTe的PIN探测器或者APD阵列，实现成像。系统采用128×128InGaAsAPD阵列和ROIC，完成伪装、烟雾和水中等隐蔽环境下的目标成像。(2)2007年，DRS公司在美国陆军夜视和电子传感器指挥部(NVESD)的支持下，开发研制距离选通前视红外激光雷达系统。系统采用128×128中波红外HgCdTeAPD阵列，可实现3～5μm波段的被动式成像和1.5μm主动式成像两种成像模式。(3)美国Raytheon公司在NASALangley(美国国家航空航天局兰利研究中心)的资助下，开展ALHAT项目计划，研制出第四代256×256HgCdTeAPD和读出电路，以实现登月中高精度安全着陆的重大应用。(4)2010年，欧洲南方天文台与英国SELEX伽利略公司在欧洲空间局(EuropeanSpaceAgency)的支持下，合作研制了320×256元HgCdTeAPD阵列。(5)2010年，法国CEA-Leti公司在法国国防部(DGA)的支持下研制一种新型320×256元复合焦阵列闪光雷达，可完成被动式热成像或主动式闪光雷达成像。综上所述，目前国际上已完成了大规模和超大规模的APD焦阵列的研制，并利用其构建激光雷达系统投入三维成像应用中。如下表所示，最高阵列规模达320×256，意味着相应的激光雷达系统可实现无扫描成像分辨率达8万多。然而，这种传统的阵列激光雷达探测方法凸显了成像分辨率受限于阵列规模的问题。这是为什么林肯实验室通过将近20年的研究仅将成像分辨率提升至256×64，却与其30万像素以上分辨率的目标仍差距甚远的原因。通过一味地提高APD阵列规模的方法既增加了硬件设计难度和成本，又不利于系统的小型化和一体化。因此，必须摆脱传统阵列激光雷达的探测理念，用技术手段解决小规模探测器与高分辨率的矛盾，推动阵列激光雷达向着小阵列、无扫描、大视场、高分辨率和高精度的方向发展。表1.APD面阵LIDAR系统最新研究进展国别研制单位阵列规模年份美国ASC公司128×1282004美国DRS公司128×1282007美国MIT林肯实验室256×642009美国Raytheon公司256×2562010英国SELEX伽利略公司320×2562010法国CEA-Leti公司320×2562010
技术实现思路
本专利技术的目的是，针对阵列激光雷达三维成像技术的瓶颈，提出一种基于码分多址的面阵激光三维成像方法。该方法将大光斑激光束截面分为2N×2N段，对所有段按序进行22N阶码分多址编码，无扫描投影到目标表面的2N×2N段，通过M个探测器复用接收，最终获得表面的M×22N个像素信息，这里M、N为正整数。这意味着本专利技术实现仅用M个单元的探测器阵列，无扫描实时获取整个目标表面的M×22N个像素信息，完成高分辨率三维成像。本专利技术的技术方案是：一种基于码分多址的面阵激光雷达三维成像方法，其步骤包括：(1)通过光束整形装置将激光源整形为能量近平顶的矩形截面激光光束，采用光编码器将光束截面划分为2N×2N段，所述的光编码器具有2N本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于码分多址的面阵激光雷达三维成像方法，其特征在于,包括以下步骤：(1)通过光束整形装置将激光源整形为能量近平顶的矩形截面激光光束，采用光编码器将光束截面划分为2

【技术特征摘要】
1.一种基于码分多址的面阵激光雷达三维成像方法，其特征在于,包括以下步骤：(1)通过光束整形装置将激光源整形为能量近平顶的矩形截面激光光束，采用光编码器将光束截面划分为2N×2N段，所述的光编码器具有2N×2N个编码器单元，所述N为正整数，对各段顺次实行22N阶码分多址编码之后投影到目标表面的2N×2N段；(2)通过M个单元的探测器阵列对目标表面的2N×2N段像素区域进行细分后再复用，使每个单元探测器均可接受2N×2N个物点的回波信号，且这些物点的码元属性构成完整的一组编码，即每个单元探测器获得22N阶全编码回波信号，因此，通过M个单元的探测器阵列完成了对M×22N个物点回波信号的复用接收；(3)通过探测器阵列获得的M个通道全编码回波信号经过高速采样得到M组全编码波形数据，每组都包含22N个不同像素信息，信号采样率应满足奈奎斯特采样定理以实现信号不失真重建，通过全编码波形信号处理算法提取所有M×22N个像素的距离信息，通过面阵三维重建完成目标的三维成像。2.根据权利要求1所述的一种基于码分多址的面阵激光雷达三维成像方法，其特征在于：所述的光编码器将光束截面划分为二维的2N×2N段，采用22N阶单极性正交码WHN′＝[h1h2…hN′]T，所述N′＝22N，码元素为“1”或“0”，码“1”表示通光，码“0”表示拦光，可通过控制光编码器各单元通断实现，以此实现对面阵光束在空间维度和时间维度的二维编码。3.根据权利要求1-2所述的一种基于码分多址的面阵激光雷达三维成像方法，其特征在于：所述复用的方法是将目标划分的2N×2N段像素区域依次标记为将各段像素区域均匀细分为M＝M1×M2个亚像素，所述M1、M2为正整数，依次标记为这样所述的2N×2N段像素区域被细分为M12N×M22N个亚像素，每段的M1×M2个细分单元对应同一编码属性，对每段抽取同一序号的细分单元进行重组，得到个分组，这样每个分组均构成一个完整的编码组，分别用M单元探测器阵列进行复用接收，同一组别的22N个亚像素回波信号通过光纤复用传至一个探测器单元，这样就实现了复用M单元探测器阵列来接收M×22N个...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐帆，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32