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激光成像雷达扫描技术的研究

高建双  
【摘要】:激光成像雷达具有距离精度高和空间分辨率高等优点,在激光制导、直升机防撞、地形地貌绘制等众多领域有广泛的应用。目前,大视场快速扫描技术仍是扫描体制激光成像雷达关键技术。本文设计并制作了一种新型的光学扫描器,对该扫描器进行了测试,并部分搭建了激光成像雷达系统。主要工作内容如下: 首先,对本文扫描器的设计思想进行论述。利用光纤导光的原理,将光纤排列成特定的结构,连同电机构成扫描器。电机转动时,激光经过扫描器的偏转作用后,出射光的位置在一条直线上离散运动。对扫描器具体的结构设计进行了详细的论述,讨论了扫描器使用中的发射/接收光路,并制作了两套扫描器。 其次,对基于本文扫描器雷达系统的搭建进行了探讨。结合激光雷达方程和扫描器的性能,推导了扫描器对雷达系统能量损耗的影响,并估算了雷达系统的参数。基于估算结果对数据处理及控制系统的芯片选择进行了讨论。 再次,对数据处理及控制系统的搭建进行了探讨。完成了硬件模块设计和相应驱动程序的设计。并对FPGA内部模块的功能及程序设计进行了探讨。 接下来,对激光雷达系统的最远探测距离、扫描速度等重要参数进行了仿真。仿真结果表明,在晴好天气、大面积探测目标,发射激光峰值功率为25W,接收孔径为80mm,使用两套发射/接收单元的条件下,当帧速为每秒钟52帧像素为100*100的图像时,最远探测距离为400m;当帧速为每秒钟1帧像素为200*200的图像时,最远探测距离为765m。 最后,对扫描器进行了实验测试。实验观察到,当扫描器不转动时,光纤出光位置是一个亮点;当扫描器工作时,出光位置是一条亮的直线。并对实验结果进行了分析。 仿真分析和扫描器的测试实验分析论证了扫描器设计的可行性。本扫描器具有体积小,扫描速度快,视场大等优点,有利于雷达系统的小型化。据公开的报导来看,尚未发现与本扫描器完全相同的设计。本课题的研究为该扫描器的应用研究打下了一定的基础。


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