基于自动驾驶的激光雷达测距技术研究
发布时间：2021-03-07 11:24
自动驾驶技术方兴未艾。传感器作为无人车的眼睛不可或缺,其中激光雷达因其可以得到目标的三维信息、抗干扰能力强、分辨率高等优点,在自动驾驶技术的研究中占据了重要的地位。激光雷达测距是指通过发射激光和接收反射激光获得激光在空间中传播的时间进而计算出目标距离的一种技术。激光测距中测距精度是该技术的关键点。此外,远距离、低成本、小型化、抗干扰等也是该技术发展的目标,然而目前并没有一款能同时具备这些优点的产品,本课题致力于研究具有以上优点的自动驾驶场景下的激光雷达测距技术。本论文首先介绍各种类型的激光雷达包括机械式、混合式、固态式激光雷达,以及主流的车载激光测距技术。着重分析对比了脉冲式和相位式激光测距技术的优劣。并结合激光在大气中的传输理论和激光雷达测距原理设计了一种结构简单、成本低廉的测距方案,通过发射频率为20MHz,重复频率为1MHz的周期性正弦信号,并采用全相位FFT方法实现厘米级别的激光测距精度。通过研究激光发射模块、回波信号接收模块和数据处理模块中的关键技术设计精度测试系统来验证本课题方案的测距精度。使用Quartus II软件设计DDS信号发生器程序控制DA芯片产生调制信号。在接收...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
全自动驾驶用传感器
第一章绪论31.2.1.1机械式激光雷达机械式激光雷达通常包括多个激光光源垂直排列形成线阵，通过硬件的机械式旋转，改变激光的出射方向，从而实现对整个外部环境的三维空间扫描。典型的机械式激光雷达结构如图1-3所示：目目标标αα1234567A电机L2L1L3图1-3典型机械式激光雷达结构机械式激光雷达是产生最早也是当下使用最广泛的激光雷达产品，如今正在进行无人车路测的公司包括国外自动驾驶第一梯队的Waymo（谷歌母公司旗下）和国内第一梯队的百度都在使用这种雷达。然而其复杂的工艺结构使得成本居高不下，使用寿命也因为部件之间的磨合而大大缩减。该类型产品在无人机，高精地图，自动驾驶等场景中也都有被使用。1.2.1.2混合式激光雷达混合式激光雷达通过MEMS振镜旋转完成激光扫描，该振镜通过振镜和微机电系统（MEMS）结合形成，一般称为MEMS激光雷达。其发射系统结构如图1-4所示，通过驱动电路驱动MEMS振镜旋转同时驱动激光器产生激光，激光在旋转振镜的反射下实现扫描。图1-4MEMS式车载激光雷达工作原理图
电子科技大学硕士学位论文4通过MEMS振镜，反射激光的扫描范围和角度可以得到放大[3]。这种微振镜相对成熟，相较于机械式激光雷达而言，可以以较低的成本同时保证准确度来实现激光扫描，不过由于接收端的光路依旧较为复杂，仍然存在微振镜的振动，这样就会影响到激光雷达的寿命，并且激光扫描受微振镜面积限制，在扫描范围上还有待改善。1.2.1.3全固态激光雷达全固态激光雷达则完全取消了机械式扫描结构，而是完全通过电子的方式来完成水平和垂直方向上的扫描，其内部结构没有任何的运动部件，在运动过程中，可靠性高、耐持久性强，这样的方式也大大缩小了激光雷达的体积并且价格低廉，随着技术的发展成熟有望成为自动驾驶的标配。目前，该类型的激光雷达主要通过光学相控阵（OPA）和闪光（Flash）型这两种技术来实现。1.2.1.4光学相控阵（OPA）技术光学相控阵技术的原理是通过多处振动产生的波相互叠加，不同的方向之间有的相互增强，有的则相互抵消。该技术采用多个激光光源形成阵列，通过控制各激光出射的时间，可以合成各种角度可控的光束。不过这种技术对激光阵列的单元尺寸精度要求很高[4]。图1-5OPA激雷达工作原理图目前，液晶相控阵和集成光波导型相控阵是当下OPA的两种主要类型。McManamon等人研制出首个液晶材料的光学相控阵结构[5]，验证了这种结构的可行性。Meyer在1972年就提出了一种光波导结构的相控阵，使用钽酸锂（LiTaO3）电光晶体材料制成[6]。验证了该结构的可行性。现如今光学相控阵技术日益成熟，在2017年CES大会上，Quanergy公司就展示了一款这种类型的雷达—低成本固
【参考文献】：
期刊论文
[1]利用正弦幅值时间转换的脉冲激光测距方法[J]. 黄民双,关在辉,姜博. 红外技术. 2020(05)
[2]不同海拔地区红外大气透过率的计算和测量[J]. 王飞翔,郭杰,许方宇,张雨辰,陈双远,肖建国,贾钰超,罗宏,赵志军. 中国光学. 2019(04)
[3]基于深度学习的脉冲激光测距回波时刻解算方法[J]. 胡善江,贺岩,俞家勇,吕德亮,侯春鹤,陈卫标. 中国激光. 2019(10)
[4]数字信号处理中窗函数的分析与应用[J]. 盛旭然,向前. 赤峰学院学报(自然科学版). 2019(05)
[5]车载激光雷达的主要技术分支及发展趋势[J]. 余莹洁. 科研信息化技术与应用. 2018(06)
[6]光电探测电路噪声分析与Pspice仿真[J]. 张子儒,丁雷,张冬冬. 电子测试. 2018(09)
[7]基于激光测距系统的滤波算法研究[J]. 王丹,赵鑫,邹永刚,马晓辉,李洋,王卫鹏. 激光与光电子学进展. 2016(10)
[8]激光测距技术专利技术综述[J]. 李哲,赵景焕,杨建坤,刘晓波,马波. 科技创新与应用. 2015(19)
[9]基于FPGA的高速多通道AD采样系统的设计与实现[J]. 徐加彦,张之万,陈兴林,张广莹. 自动化与仪表. 2014(09)
[10]利用延时法进行高精度脉冲激光测距[J]. 施智勇,潘晓声,张谦. 光学精密工程. 2014(02)
博士论文
[1]大功率半导体激光驱动电源关键技术研究[D]. 刘谈平.中北大学 2014
硕士论文
[1]飞秒激光流速测量方法研究[D]. 赵拓.天津大学 2018
[2]低成本车载激光雷达系统设计[D]. 应欢.中国科学技术大学 2014
[3]基于TDC-GP2的远距离脉冲式激光测距的研究[D]. 黄旭.北京交通大学 2012
[4]基于嵌入式FPGA的合并单元设计[D]. 周勇.华中科技大学 2011
[5]数字鉴相式激光测距系统几个关键问题的研究[D]. 高嵩.大连海事大学 2007
本文编号：3068996
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
全自动驾驶用传感器
第一章绪论31.2.1.1机械式激光雷达机械式激光雷达通常包括多个激光光源垂直排列形成线阵，通过硬件的机械式旋转，改变激光的出射方向，从而实现对整个外部环境的三维空间扫描。典型的机械式激光雷达结构如图1-3所示：目目标标αα1234567A电机L2L1L3图1-3典型机械式激光雷达结构机械式激光雷达是产生最早也是当下使用最广泛的激光雷达产品，如今正在进行无人车路测的公司包括国外自动驾驶第一梯队的Waymo（谷歌母公司旗下）和国内第一梯队的百度都在使用这种雷达。然而其复杂的工艺结构使得成本居高不下，使用寿命也因为部件之间的磨合而大大缩减。该类型产品在无人机，高精地图，自动驾驶等场景中也都有被使用。1.2.1.2混合式激光雷达混合式激光雷达通过MEMS振镜旋转完成激光扫描，该振镜通过振镜和微机电系统（MEMS）结合形成，一般称为MEMS激光雷达。其发射系统结构如图1-4所示，通过驱动电路驱动MEMS振镜旋转同时驱动激光器产生激光，激光在旋转振镜的反射下实现扫描。图1-4MEMS式车载激光雷达工作原理图
电子科技大学硕士学位论文4通过MEMS振镜，反射激光的扫描范围和角度可以得到放大[3]。这种微振镜相对成熟，相较于机械式激光雷达而言，可以以较低的成本同时保证准确度来实现激光扫描，不过由于接收端的光路依旧较为复杂，仍然存在微振镜的振动，这样就会影响到激光雷达的寿命，并且激光扫描受微振镜面积限制，在扫描范围上还有待改善。1.2.1.3全固态激光雷达全固态激光雷达则完全取消了机械式扫描结构，而是完全通过电子的方式来完成水平和垂直方向上的扫描，其内部结构没有任何的运动部件，在运动过程中，可靠性高、耐持久性强，这样的方式也大大缩小了激光雷达的体积并且价格低廉，随着技术的发展成熟有望成为自动驾驶的标配。目前，该类型的激光雷达主要通过光学相控阵（OPA）和闪光（Flash）型这两种技术来实现。1.2.1.4光学相控阵（OPA）技术光学相控阵技术的原理是通过多处振动产生的波相互叠加，不同的方向之间有的相互增强，有的则相互抵消。该技术采用多个激光光源形成阵列，通过控制各激光出射的时间，可以合成各种角度可控的光束。不过这种技术对激光阵列的单元尺寸精度要求很高[4]。图1-5OPA激雷达工作原理图目前，液晶相控阵和集成光波导型相控阵是当下OPA的两种主要类型。McManamon等人研制出首个液晶材料的光学相控阵结构[5]，验证了这种结构的可行性。Meyer在1972年就提出了一种光波导结构的相控阵，使用钽酸锂（LiTaO3）电光晶体材料制成[6]。验证了该结构的可行性。现如今光学相控阵技术日益成熟，在2017年CES大会上，Quanergy公司就展示了一款这种类型的雷达—低成本固
【参考文献】：
期刊论文
[1]利用正弦幅值时间转换的脉冲激光测距方法[J]. 黄民双,关在辉,姜博. 红外技术. 2020(05)
[2]不同海拔地区红外大气透过率的计算和测量[J]. 王飞翔,郭杰,许方宇,张雨辰,陈双远,肖建国,贾钰超,罗宏,赵志军. 中国光学. 2019(04)
[3]基于深度学习的脉冲激光测距回波时刻解算方法[J]. 胡善江,贺岩,俞家勇,吕德亮,侯春鹤,陈卫标. 中国激光. 2019(10)
[4]数字信号处理中窗函数的分析与应用[J]. 盛旭然,向前. 赤峰学院学报(自然科学版). 2019(05)
[5]车载激光雷达的主要技术分支及发展趋势[J]. 余莹洁. 科研信息化技术与应用. 2018(06)
[6]光电探测电路噪声分析与Pspice仿真[J]. 张子儒,丁雷,张冬冬. 电子测试. 2018(09)
[7]基于激光测距系统的滤波算法研究[J]. 王丹,赵鑫,邹永刚,马晓辉,李洋,王卫鹏. 激光与光电子学进展. 2016(10)
[8]激光测距技术专利技术综述[J]. 李哲,赵景焕,杨建坤,刘晓波,马波. 科技创新与应用. 2015(19)
[9]基于FPGA的高速多通道AD采样系统的设计与实现[J]. 徐加彦,张之万,陈兴林,张广莹. 自动化与仪表. 2014(09)
[10]利用延时法进行高精度脉冲激光测距[J]. 施智勇,潘晓声,张谦. 光学精密工程. 2014(02)
博士论文
[1]大功率半导体激光驱动电源关键技术研究[D]. 刘谈平.中北大学 2014
硕士论文
[1]飞秒激光流速测量方法研究[D]. 赵拓.天津大学 2018
[2]低成本车载激光雷达系统设计[D]. 应欢.中国科学技术大学 2014
[3]基于TDC-GP2的远距离脉冲式激光测距的研究[D]. 黄旭.北京交通大学 2012
[4]基于嵌入式FPGA的合并单元设计[D]. 周勇.华中科技大学 2011
[5]数字鉴相式激光测距系统几个关键问题的研究[D]. 高嵩.大连海事大学 2007
本文编号：3068996
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