面阵三维成像激光雷达接收试验系统研究

发布时间：2017-09-11 16:22

  本文关键词：面阵三维成像激光雷达接收试验系统研究

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【摘要】：三维成像激光雷达具有主动成像,测距精度高,信息量大等诸多优点,能广泛应用于目标识别和跟踪、地形地貌测绘、障碍物规避、精密无损检测等诸多领域,具有广阔的军事和民用前景。远距离高分辨率快速三维成像激光雷达一直是研究热点。虽然,距离门选通技术的出现,大大提高了激光雷达测距精度和实时性,促进了高分辨率激光雷达的发展,但是,目前仍处于初步发展阶段。研究远距离高分辨率快速三维成像激光雷达,对推动我国激光雷达技术的发展和掌握三维成像激光雷达前沿关键技术具有重要意义。综合三维成像激光雷达文献调研结果和国内三维成像激光雷达关键器件生产制造和外购情况,提出了一种基于KDP电光晶体偏振调制原理的距离选通偏振调制三维成像激光雷达系统方案。首先,详细论述了KDP晶体纵向运用时的相位调制原理;偏振调制面阵三维成像激光雷达基于距离门选通技术从目标物强度图获取距离信息的理论方法。然后,针对该型激光雷达技术原理,对其接收光学系统光路进行了设计;并利用光学设计软件对整个接收光学系统进行光学设计和公差分析,评估了接收光学系统理论成像质量。再者,介绍了接收光学系统中大孔径光学元件安装固定的光机结构特点,借鉴空间光学系统光-机-热集成分析思想,评估分析了接收光学系统中大口径光学元件自重变形和温度梯度影响下面形变形对激光雷达系统性能的影响。最后,搭建试验系统,进行了偏振调制三维成像激光雷达原理验证性试验。仿真分析结果表明,大口径光学元件自重变形影响不会对偏振调制三维激光雷达性能构成危害;元件径向温度梯度和轴向温度梯度会使接收光学系统成像质量退化,影响雷达系统的纵向和横向分辨率,一定温差范围内,适当选择探测器的binning模式,牺牲横向分辨率可保证纵向测距精度:轴向和径向温差不超过1℃,探测器2×2binning模式,激光雷达系统横向分辨率下降一半,纵向距离对比度大于0.95。完成了实验平台的搭建并进了三维成像实验:选择约1公里处的一座建筑物作为目标物,用偏振调制面阵三维成像激光雷达进行了实景成像探测,验证了偏振调制面阵三维成像激光雷达原理样机的可行性。
【关键词】：激光雷达 凝视成像 面阵探测器 偏振调制 光机集成分析
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(光电技术研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN958.98
【目录】：

• 致谢3-4
• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-21
• 1.1 课题研究背景及意义9-10
• 1.2 三维成像激光雷达国内外现状10-18
• 1.2.1 扫描型三维成像激光雷达现状10-12
• 1.2.2 非扫描面阵三维成像激光雷达现状12-18
• 1.3 论文主要研究内容18-21
• 2 偏振调制面阵三维成像激光雷达系统原理21-31
• 2.1 偏振调制面阵三维成像激光雷达基本结构21-22
• 2.2 面阵三维成像激光雷达测距原理22-28
• 2.2.1 电光晶体偏振调制原理22-26
• 2.2.2 偏振调制方法测距原理26-28
• 2.3 激光雷达方程28-29
• 2.4 本章小结29-31
• 3 面阵三维成像激光雷达接收光学系统光学设计31-51
• 3.1 接收光学系统设计参数确定31-35
• 3.2 面阵三维成像激光雷达接收光学系统选型35-39
• 3.3 接收望远物镜光学设计39-43
• 3.3.1 接收望远物镜初始结构计算39-41
• 3.3.2 接收望远物镜ZEMAX优化设计及像质评价41-43
• 3.4 准直组与成像组光学设计43-46
• 3.4.1 准直组与成像组初始结构参数计算43-45
• 3.4.2 准直组与成像组透镜ZEMAX优化设计及像质评价45-46
• 3.5 接收光学系统像质评价46-47
• 3.6 接收光学系统公差分析47-50
• 3.7 本章小结50-51
• 4 大口径光学元件自重及温度梯度对系统性能的影响51-71
• 4.1 主次镜、校正板光机结构特点51-55
• 4.2 元件自重及温度梯度影响评估分析方法55-61
• 4.2.1 Zernike多项式镜面变形拟合方法及精度评估56-59
• 4.2.2 接收光学系统像质退化对系统性能影响评估方法59-61
• 4.3 元件自重变形对系统性能的影响61-63
• 4.4 温度梯度对系统性能的影响63-70
• 4.4.1 轴向温差对系统性能的影响64-66
• 4.4.2 径向温差对系统性能的影响66-70
• 4.5 本章小结70-71
• 5 面阵三维成像激光雷达系统实验71-81
• 5.1 KDP晶体半波电压和偏振调制特性测试71-75
• 5.1.1 KDP晶体半波电压测定71-74
• 5.1.2 KDP晶体偏振调制特性测试74-75
• 5.2 三维成像实验75-79
• 5.3 本章小结79-81
• 总结与展望81-83
• 参考文献83-87
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果87-88

【参考文献】

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本文编号：831800