空间光调制器扫描接收的距离选通成像激光雷达
发布时间：2021-09-17 09:41
激光距离选通的扫描式成像技术具有低成本、能避免多次散射等特点,成像扫描与激光束扫描的同步配合是扫描成像技术的难点。设计了一个基于空间光调制器（SLM）的扫描式距离选通激光雷达系统,保证目标反射光的可靠接收,并在时间上和空间上屏蔽后向散射光。在具有不同衰减长度的光散射环境中对本系统进行了测量,实现二维和三维成像。实验结果表明,本系统能够有效地实现光束扫描与距离选通成像扫描的同步,适用于光散射环境中光学成像的可视距离扩展。
【文章来源】：光学学报. 2020,40(12)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
振镜的光束扫描方向与控制角度的关系
如图3所示，O点为相机几何光心，在三维图形学[15]中，目标物体最远处所在竖直平面称为远截面，为了将三维空间的物体显示在一个二维平面上，建立了一个三维空间到二维平面上的坐标映射关系：设置一个近截平面，三维物空间的K点与光心O的连线与近截面的交点P，即正确映射到二维屏幕上的对应点。令近截面与光心的距离Zn与像距（像平面与光心的距离）相等，则近截面和像平面关于光心对称，可以由三维图形的三维-二维变换矩阵求出三维物点在近截面上的二维映射坐标；再根据该对称关系得出成像点在像平面上的坐标，也就是SLM应该选择透明的像素坐标；还需根据像素点距将像素坐标转换为像素行列序数。假设激光照射在目标平面上的一个三维坐标点K(X,Y,Z），则K点和O点的连线和近截面的交点为P(x,y,z),G(x′，y′）为成像点。Zf为光心O点到远截面的距离。根据投影矩阵变换原理，K点和P点之间的齐次坐标关系[16]为
实验系统结构如图1所示，光源与接收器PMT之间距离为0.8m，与探测目标距离为11.1m；发射端光源为Nd…YVO4调Q脉冲激光器，倍频输出波长为532 nm，光束直径为8 mm，发散角为5mrad，脉冲宽度约为10ns，平均光功率为1.1 W；接收端采用焦距为18mm、水平方向视角为64°30′、垂直方向视角为45°30′的单反光学镜头。激光束通过一个部分反射镜（PR，反射率约为4%),PR将激光器发出的一少部分脉冲光反射（p0）到PMT，这部分光作为初始时刻的同步信号光（简称为参考光）；其余大部分透射光束经一个振镜，在现场可编程门阵列（FPGA）的控制下被扫描，目标反射光p1（简称为信号光）在p0之后到达PMT。在扫描角度为20°时，振镜的最大扫描频率为2kHz，系统中控制振镜的FPGA与控制SLM的单片机MCU两个模块相互连接通信。FPGA每控制振镜转到一个新的扫描角度都立刻向MCU发送方向角度信息，以控制液晶SLM调整透明区域，跟踪激光束下一个扫描方向，再由MCU提供一个电脉冲给激光器的外触发端口发出激光脉冲。PMT将接收到的散射光和反射光回波转换为电信号，电信号被泰克数字示波器采集同时被上传到PC端；然后以参考光脉冲为初始时间基点，通过软件编程算法在其后寻找仅弱于参考光脉冲的信号尖峰（可认为是目标反射光信号），通过它与参考光信号的时延间隔Δt得出目标距离c×Δt/2(c为光速，忽略PMT与激光器发射端之间的距离和参考光传播时间）。以目标反射回波次强波峰的信号强度或时间坐标为依据确定每个像素的灰度值或深度距离，实现距离选通。因此这种方式属于软件选通，它比高速快门进行选通的硬件方法有更好的灵活性，在未知目标距离的条件下可以通过编程算法在整个波形曲线中寻找、识别反射回波。考虑到散射光的展宽、周边白色墙壁漫反射、时间测量精度和噪声的影响，应有足够长的光脉冲往返距离，才能观察到反射信号光和初始同步参考光两个脉冲的峰值，例如7.5m的目标距离（反射回波的时延是50ns）为信号光与参考光两个回波测量波峰可分辨的最短距离。由于散射环境采用实验水池，需要较大的场地和用水量，因此在一个体积为13.0m×5.8m×3.6m的室内由舞台烟雾机喷洒烟雾产生散射环境，探测系统到目标的光散射损耗长度为衰减长度的5.5～7.5倍，实验在黑暗环境中进行。
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种距离选通水下激光成像系统设计与实验研究[J]. 吕文磊,张旭,刘可. 兵器装备工程学报. 2019(08)
[2]激光雷达探测及三维成像研究进展[J]. 刘博,于洋,姜朔. 光电工程. 2019(07)
[3]基于距离选通激光成像系统的三维图像重构[J]. 王柏娜,高煜妤. 激光杂志. 2019(06)
[4]雷达抗干扰技术现状及发展趋势研究[J]. 张凯旋,李淑华. 舰船电子工程. 2018(11)
[5]Low Light Level Image Enhancement Based on Multi-layer Slicing Photon Localization Algorithm[J]. YING Changsheng,ZHAO Peng,YUE Dan,LI Ye. Chinese Journal of Electronics. 2018(03)
[6]多波束合成孔径声呐技术研究进展[J]. 李海森,魏波,杜伟东. 测绘学报. 2017(10)
[7]合成孔径声纳技术在海底管道探测中的应用进展[J]. 于灏,王培刚,段康弘,张小波. 海洋测绘. 2015(03)
[8]不同波长光源照明的水下成像及光学图像实时处理[J]. 聂瑛,何志毅. 光学学报. 2014(07)
[9]激光距离选通成像同步控制系统的设计与实现[J]. 赵岩,翟百臣,王建立,陈涛. 红外与激光工程. 2005(05)
[10]一种改进的激光距离选通成像系统[J]. 徐效文,郭劲,于前洋,付有余,周建民. 激光与红外. 2004(01)
硕士论文
[1]基于FPGA的高速数据采集卡设计与实现[D]. 刘烁.西安电子科技大学 2014
本文编号：3398459
【文章来源】：光学学报. 2020,40(12)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
振镜的光束扫描方向与控制角度的关系
如图3所示，O点为相机几何光心，在三维图形学[15]中，目标物体最远处所在竖直平面称为远截面，为了将三维空间的物体显示在一个二维平面上，建立了一个三维空间到二维平面上的坐标映射关系：设置一个近截平面，三维物空间的K点与光心O的连线与近截面的交点P，即正确映射到二维屏幕上的对应点。令近截面与光心的距离Zn与像距（像平面与光心的距离）相等，则近截面和像平面关于光心对称，可以由三维图形的三维-二维变换矩阵求出三维物点在近截面上的二维映射坐标；再根据该对称关系得出成像点在像平面上的坐标，也就是SLM应该选择透明的像素坐标；还需根据像素点距将像素坐标转换为像素行列序数。假设激光照射在目标平面上的一个三维坐标点K(X,Y,Z），则K点和O点的连线和近截面的交点为P(x,y,z),G(x′，y′）为成像点。Zf为光心O点到远截面的距离。根据投影矩阵变换原理，K点和P点之间的齐次坐标关系[16]为
实验系统结构如图1所示，光源与接收器PMT之间距离为0.8m，与探测目标距离为11.1m；发射端光源为Nd…YVO4调Q脉冲激光器，倍频输出波长为532 nm，光束直径为8 mm，发散角为5mrad，脉冲宽度约为10ns，平均光功率为1.1 W；接收端采用焦距为18mm、水平方向视角为64°30′、垂直方向视角为45°30′的单反光学镜头。激光束通过一个部分反射镜（PR，反射率约为4%),PR将激光器发出的一少部分脉冲光反射（p0）到PMT，这部分光作为初始时刻的同步信号光（简称为参考光）；其余大部分透射光束经一个振镜，在现场可编程门阵列（FPGA）的控制下被扫描，目标反射光p1（简称为信号光）在p0之后到达PMT。在扫描角度为20°时，振镜的最大扫描频率为2kHz，系统中控制振镜的FPGA与控制SLM的单片机MCU两个模块相互连接通信。FPGA每控制振镜转到一个新的扫描角度都立刻向MCU发送方向角度信息，以控制液晶SLM调整透明区域，跟踪激光束下一个扫描方向，再由MCU提供一个电脉冲给激光器的外触发端口发出激光脉冲。PMT将接收到的散射光和反射光回波转换为电信号，电信号被泰克数字示波器采集同时被上传到PC端；然后以参考光脉冲为初始时间基点，通过软件编程算法在其后寻找仅弱于参考光脉冲的信号尖峰（可认为是目标反射光信号），通过它与参考光信号的时延间隔Δt得出目标距离c×Δt/2(c为光速，忽略PMT与激光器发射端之间的距离和参考光传播时间）。以目标反射回波次强波峰的信号强度或时间坐标为依据确定每个像素的灰度值或深度距离，实现距离选通。因此这种方式属于软件选通，它比高速快门进行选通的硬件方法有更好的灵活性，在未知目标距离的条件下可以通过编程算法在整个波形曲线中寻找、识别反射回波。考虑到散射光的展宽、周边白色墙壁漫反射、时间测量精度和噪声的影响，应有足够长的光脉冲往返距离，才能观察到反射信号光和初始同步参考光两个脉冲的峰值，例如7.5m的目标距离（反射回波的时延是50ns）为信号光与参考光两个回波测量波峰可分辨的最短距离。由于散射环境采用实验水池，需要较大的场地和用水量，因此在一个体积为13.0m×5.8m×3.6m的室内由舞台烟雾机喷洒烟雾产生散射环境，探测系统到目标的光散射损耗长度为衰减长度的5.5～7.5倍，实验在黑暗环境中进行。
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种距离选通水下激光成像系统设计与实验研究[J]. 吕文磊,张旭,刘可. 兵器装备工程学报. 2019(08)
[2]激光雷达探测及三维成像研究进展[J]. 刘博,于洋,姜朔. 光电工程. 2019(07)
[3]基于距离选通激光成像系统的三维图像重构[J]. 王柏娜,高煜妤. 激光杂志. 2019(06)
[4]雷达抗干扰技术现状及发展趋势研究[J]. 张凯旋,李淑华. 舰船电子工程. 2018(11)
[5]Low Light Level Image Enhancement Based on Multi-layer Slicing Photon Localization Algorithm[J]. YING Changsheng,ZHAO Peng,YUE Dan,LI Ye. Chinese Journal of Electronics. 2018(03)
[6]多波束合成孔径声呐技术研究进展[J]. 李海森,魏波,杜伟东. 测绘学报. 2017(10)
[7]合成孔径声纳技术在海底管道探测中的应用进展[J]. 于灏,王培刚,段康弘,张小波. 海洋测绘. 2015(03)
[8]不同波长光源照明的水下成像及光学图像实时处理[J]. 聂瑛,何志毅. 光学学报. 2014(07)
[9]激光距离选通成像同步控制系统的设计与实现[J]. 赵岩,翟百臣,王建立,陈涛. 红外与激光工程. 2005(05)
[10]一种改进的激光距离选通成像系统[J]. 徐效文,郭劲,于前洋,付有余,周建民. 激光与红外. 2004(01)
硕士论文
[1]基于FPGA的高速数据采集卡设计与实现[D]. 刘烁.西安电子科技大学 2014
本文编号：3398459
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/xinxigongchenglunwen/3398459.html
