3D非扫描激光雷达成像性能及距离估计技术研究

发布时间：2018-12-16 12:22

【摘要】：3D非扫描激光雷达能通过单脉冲获取目标三维信息，具有成像速度快，重量轻，体积小等优势，因此成为激光雷达的主要发展方向。然而由于3D非扫描激光雷达与扫描成像激光雷达在成像机制上存在着很大的差别，其成像性能及后期的距离估计技术也存在明显的区别。目前针对3D非扫描激光雷达的研究工作主要集中在探测器件的生产制造以及成像器件的实验验证，对于系统性能分析以及如何准确获取目标距离信息的研究尚未广泛展开。因此针对3D非扫描激光雷达系统，研究其系统成像性能以及如何准确的得到目标距离信息具有重要的理论价值和应用价值。本文一方面对3D非扫描激光雷达系统成像性能进行了深入研究，分析了系统探测性能与系统器件间的量化关系：包括系统的作用距离，探测概率，虚警概率，信噪比，距离精度以及距离分辨率等参数与系统器件的关系，为系统设计以及后期的距离估计技术的研究提供理论基础。另一方面提出了多种3D非扫描成像激光雷达距离估计算法，与传统算法相比，系统的距离估计精度得到了极大的提升。具体研究工作包括：（1）对3D非扫描激光雷达系统进行了分析，并对系统作用距离、探测概率和虚警概率进行了研究。证明了3D非扫描激光雷达系统可以近似为非相干成像系统，对大视场条件下的系统作用距离方程进行了修正，推导了3D非扫描激光雷达探测概率和虚警概率计算公式，分析了探测概率和虚警概率影响因素。（2）利用参数估计的方法对3D非扫描激光雷达距离精度进行了研究，分析了距离估计方差的Cramer-Rao下限（CRLB），推导出了3D非扫描激光雷达距离估计方差的CRLB计算公式。利用Monte Carlo仿真结果证明了推导的距离估计方差的CRLB具有有效性。最后，通过推导的距离估计方差的CRLB，对3D非扫描激光雷达的距离精度影响因素进行了分析，从理论上给出了提高目标距离精度的相关途径。（3）利用数理统计理论分析了距离分辨率的CRLB，推导出了3D非扫描激光雷达距离分辨率的CRLB计算公式，分析了CRLB随距离间隔的变化关系，利用CRLB对3D非扫描激光雷达距离分辨率的影响因素进行了研究。结果表明，提高回波信号的信噪比和采样速率都可以减小距离间隔估计方差的CRLB，从而提高成像系统距离分辨率，，针对特定的采样速率，存在最佳激光脉冲发射宽度，使得系统距离分辨率达到最高。（4）针对3D非扫描激光雷达多表面目标距离估计问题，提出了基于期望值最大化（EM）的单像素多表面目标距离估计算法，通过对系统点扩展函数的参数化，该算法可以同时估计出成像系统点扩展函数和目标的距离信息。仿真实验结果表明，相比于传统的混合高斯匹配算法和维纳空间滤波算法，该算法在系统点扩展函数未知的条件下，可以将目标的距离估计精度分别提升70%和40%。（5）针对3D非扫描激光雷达空间欠采样目标距离估计的问题，提出了一种基于EM方法的空间欠采样目标距离估计算法，通过将高空间分辨率的2D图像与低空间分辨率的3D图像融合的方法，提高空间欠采样目标的距离估计精度。仿真和实验室成像结果表明，相比于传统的邻近插值算法、线性插值算法和双三次插值算法，该算法能明显提升空间欠采样目标距离估计精度。（6）针对非等晕条件下3D非扫描激光雷达的距离估计，推导了非等晕条件下的系统传递函数，提出了一种基于EM的非等晕条件下目标距离估计算法，该算法可以同时准确的估计出目标距离信息和系统传递函数。仿真实验结果表明，相比于现有的高斯匹配算法，该算法能将距离精度提升70%，相比于等晕假设下的目标距离估计，该算法能将目标距离估计精度提升15%，系统传递函数的估计精度从8%左右提升到4%以内。该算法对3D非扫描成像激光雷达远距离实际应用有较大意义。
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【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN958.98

【参考文献】