激光雷達(dá)成像技術(shù)

激光雷達(dá)成像技術(shù)第1頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一成像技術(shù)要點(diǎn)距離測(cè)量技術(shù)直接飛行時(shí)間“DirectTime-of-Flight(TOF)”連續(xù)波振幅調(diào)制的相位“Phase-BasedAM-CW”連續(xù)波振幅啁啾調(diào)制“ChirpedAM-CW“連續(xù)波頻率啁啾調(diào)制“Frequencychirp(FM-CW)”成像方式掃描成像（X-Y掃描、線掃描、MEMS或DMD掃描）FLASH成像（焦平面成像）條紋相機(jī)成像距離選通成像相控陣成像合成孔徑成像第2頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第3頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一激光雷達(dá)常見(jiàn)的性能指標(biāo)最大輻射功率水平視場(chǎng)“horizontalFieldofView(FOV)”垂直視場(chǎng)“verticalFOV”光源波長(zhǎng)“Wavelengthofopticalsource”最遠(yuǎn)測(cè)量距離“Maximumdistancetobemeasured”測(cè)量時(shí)間/幀頻“Measurementtime/framerate”縱向分辨率“depthresolution“角分辨率“angularresolution”測(cè)距精度“RangeMeasurementaccuracy”第4頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一脈沖飛行時(shí)間測(cè)量法（1）圖-1純脈沖飛行時(shí)間物理過(guò)程第5頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一連續(xù)波幅度調(diào)制相位測(cè)量法

圖-2飛行時(shí)間決定相位的物理過(guò)程第6頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一相位差與距離關(guān)系模糊距離信噪比與測(cè)距精度舉例1第7頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一連續(xù)波啁啾幅度調(diào)制測(cè)量法F-調(diào)制深度T-調(diào)制周期fif-中頻啁啾調(diào)制信號(hào)與中頻信號(hào)圖示第8頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第9頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第10頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一Blockdiagramforanexperimentalsinglechannel(2-D)chirped-AM/cwLADAR

第11頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一連續(xù)波頻率啁啾調(diào)制測(cè)量法

第12頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一Frequencychirp(FM-CW)usedintheMetricVisionMV-200coherentLadar.

第13頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一相干激光雷達(dá)距離精度第14頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一外差等效噪聲功率heterodynenoiseequivalentpower(NEP)

信噪比signal-to-noiseratio(SNR)

散焦損耗defocusingloss第15頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一外差探測(cè)信噪比受相干長(zhǎng)度影響。對(duì)于洛倫茲型光源線寬:考慮散焦和相干長(zhǎng)度等因素，其效噪比SNR表示為includingthelossesduetothedefocusingandcoherence,theequationbecomes:啁啾激光雷達(dá)1個(gè)正弦信號(hào)測(cè)距精度第16頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一距離精度rangeaccuracy,第17頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一TypicalparametersfortheMetricVisionMV-200CLRTheoreticalRangeAccuraciesforDifferentTargetsforthesensorasdescribed第18頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

掃描成像第19頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一平行光束掃描

會(huì)聚光束掃描第20頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第21頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一V—高度H(m)的飛行速度；N=mn—探測(cè)器單元數(shù)量；dres—探測(cè)器面元尺寸

脈沖重復(fù)頻率fr：其中：N(mn)-像素；F-幀頻總的掃描時(shí)間：其中：tot-總掃描角；tot-光束發(fā)散角；Tdwell=1/fr-光束滯留時(shí)間飛行時(shí)掃描頻率：第22頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一掃描時(shí)脈沖積累數(shù)：其中：B-天線3dB光束寬度(deg);fr-重頻；m-天線每分轉(zhuǎn)數(shù)瞄準(zhǔn)誤差與滯后角效應(yīng)：其中：-滯后角；d/dt-掃描速率；-往返時(shí)間；r-到目標(biāo)距離；c-光速；n-傳播介質(zhì)平均折射率第23頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第24頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第25頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一Model6400MovingCoilCapacitivePositionDetectorOpticalScanner第26頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第27頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一PreliminarySpec'sPE100011PF210012PE200012PE210012Scanspeed(fastaxis)10kHz21kHz20kHz21kHzScanspeed(slowaxis)1.15kHz1.2kHz1.2kHz1.2kHzMirrorplatesize1.2mmCircular0.9mmCircular1.0mmCircular1.0mmCircularOpticalscanningangle±15o/±12o±15o/±15o±15o/±15o±15o/±15oScantrajectory(fastaxis)sinusoidalsinusoidalsinusoidalsinusoidalScantrajectory(slowaxis)sinusoidal

sinusoidalsinusoidalsinusoidalScanjitter<0.1%

<0.1%

<0.1%

<0.1%

Reflectivity>80%@450~650nm>80%@450~650nm>80%@450~650nm>80%@450~650nmMirrorflatness<l/8@635nm<l/8@635nm<l/8@635nm<l/8@635nmOperatingtemperature0o~60oC0o~60oC0o~60oC0o~60oCOperatinghumidity10%~85%10%~85%10%~85%10%~85%Acousticnoise<30dB<30dB<30dB<30dBDrivingprincipleelectrostaticelectrostaticelectrostaticelectrostaticPowerconsumption<40mW<100mW

<100mW

<100mW

Packagefootprint10x10mm28x8mm28x8mm28x8mm2PackagePLCCPLCCPLCCPLCCStatusEngineeringsampleEngineeringsampleEngineeringsampleEngineeringsample先進(jìn)微系統(tǒng)科技(股)公司2D-MEMS

第28頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一OpusMicrosystemsCorp.Taipei,Taiwan,2DMEMS第29頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一mirrorcletech4.24.2mm0.70.7mm~2.02.2mmNoMirrorModelNoMirrorDiameter(mm)Frequency(Hz)Opt.Scanangle()Max.Voltage(V)1S01030.810552/108746.19542S02641.22017/19877.21861273S03942.0935/9077.43091344S02332.4623/6297.10931345S02733.4531/5297.6862140第30頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第31頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一TheSickLMS200laserscannerImplementationofaRisleyprismscannerforanFPAstaringarrayLADAR.第32頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一Maximumrange3-5kmRangeresolution10mmRangeaccuracyat50m5cmFOV(FieldofView)20ox20o

Laserbeamdivergence500μradDatarate8-10kpoints/sInstrumentmass,power,volume<10kg,<70W,<13LLaser(eye-safety)Class3BDataoutputRange,bearing,centroid第33頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一Microelectro-mechanicalsystem(MEMS)第34頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一距離選通激光成像雷達(dá)BurstilluminationsLadar(BIL)第35頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一距離選通激光成像雷達(dá)激光測(cè)距儀+掃描儀+數(shù)字相機(jī)距離范圍：3~800m距離分辨率：厘米量級(jí)波長(zhǎng)：1.5m第36頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一熱像儀圖像BIL圖像第37頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第38頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一閃爍式激光成像雷達(dá)機(jī)載激光成像雷達(dá)測(cè)距方式:TOF面陣探測(cè)器：給出目標(biāo)的角度和距離蓋革模式雪崩二極管(GM-APD)是其核心技術(shù)Jigsawimageofhelicopter第39頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第40頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一參數(shù)數(shù)值注釋標(biāo)定距離150m視場(chǎng)角10.8在距離150m處直徑為28.3m波長(zhǎng)532nm激光遠(yuǎn)場(chǎng)光束圖樣3232點(diǎn)陣按探測(cè)器瞬時(shí)視場(chǎng)點(diǎn)陣排列激光脈寬300ps半寬度激光脈沖和成像速率16000/s接收孔徑7.5cm有效焦距300mmF數(shù)f/4.0焦平面像素3232縱向設(shè)計(jì)100m像素333rad瞬時(shí)斜距采樣在150m處為5cm<7.5m視場(chǎng)FOV(3232)10.110.1mrad距離分辨率40cm>7.5mFPA采樣率2GHz500GHz瞬時(shí)視場(chǎng)10.110.1mrad在150m處為1.5m正方形第41頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2003年6月該Jigsaw系統(tǒng)裝在UH-1直升機(jī)上進(jìn)行了飛行實(shí)驗(yàn)隱蔽在樹(shù)林中帶偽裝網(wǎng)的坦克目標(biāo)第42頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一飛行實(shí)驗(yàn)中獲取的坦克目標(biāo)的偽彩色3D激光雷達(dá)圖像處理過(guò)程顯示第43頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一APD的工作模式

線性模式工作電壓接近并小于雪崩電壓時(shí)，M到1000左右就會(huì)飽和，這樣的倍增還不足以探測(cè)到單光子信號(hào)；蓋革模式工作偏壓大于雪崩電壓時(shí)，光子信號(hào)APD吸收，并使APD迅速雪崩，同時(shí)采用一定的抑制電路（無(wú)源抑制、有源抑制和主動(dòng)門(mén)抑制），迅速切斷雪崩，使APD恢復(fù)到接收光子的狀態(tài)。第44頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一蓋革模式淬滅電路被動(dòng)淬滅主動(dòng)淬滅第45頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一GM-APD:光子/數(shù)字轉(zhuǎn)換Digitallyencoded

photonarrivaltimephotonAPD單元DigitaltimingcircuitLensletarrayAPDarray焦平面CMOSarray第46頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一APD/CMOS時(shí)間記錄陣列SiliconAPDsfor<0.9m20-50%探測(cè)效率10-kHz暗光子技術(shù)率橋接CMOS計(jì)時(shí)InGaAsP/InPAPDsfor1~1.5m20-50%探測(cè)效率~10-kHz暗光子技術(shù)率TE-cooling(1m)橋接CMOS計(jì)時(shí)CMOS計(jì)時(shí)電路t250-500-ps時(shí)間分辨率500MHzand1-GHz時(shí)鐘100-mmBridge-BondedSiAPDsBump-BondedInGaAsPAPDs第47頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一32x32ArraySilicon(Visible),InGaAs(1-m)32x128ArrayGM-APD陣列CMOS計(jì)時(shí)電路技術(shù)優(yōu)勢(shì):極高的靈敏度(單光子)極高的距離分辨率(<10cm)高度集成化–距離像數(shù)字化輸出可升級(jí)大尺寸面陣第48頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一光子技術(shù)陣列也可用于相干探測(cè)（引入本振光子時(shí)）使用GM-APD進(jìn)行相干探測(cè)的優(yōu)勢(shì):兩種模式激光雷達(dá)探測(cè)器陣列工作在近量子極限可使用大尺度面陣探測(cè)器GM-APD相干激光成像雷達(dá)SignalPhotonsSignalPhotonsLOPhotons直接探測(cè)相干探測(cè)第49頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一低光子通量下的干擾Spatial:雙狹縫實(shí)驗(yàn)Temporal:外差探測(cè)高光通量低光通量distancextimedistancexIntensityCountsIntensityCountstimeLaser2Laser1Detectorff+f1/f高光通量低光通量第50頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一工作原理LO快門(mén)系統(tǒng)在直接探測(cè)/相干探測(cè)之間轉(zhuǎn)換CW主振蕩器和放大器調(diào)節(jié)產(chǎn)生某一波形兩個(gè)面陣探測(cè)器（水平和垂直偏振方向）MasterOscillatorAmplitudeModulatorAmplifier/IsolatorStagesWaveformSynthesizerLOShutterAmplitudeModulatorAPDArrays第51頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一經(jīng)典相干探測(cè)描述LasersourceAOMFrequencyreferencem,mixingefficiencyPhasefrequency-shifte第52頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一經(jīng)典相干探測(cè):CNR 如果本振光產(chǎn)生的噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它噪聲,則CNR主要由信號(hào)回波的散粒噪聲決定，即：第53頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一GMAPD相干探測(cè):CNR 盡管CNR降低3-dB，但有如下好處：?jiǎn)蝹€(gè)探測(cè)器即可直接探測(cè)亦可相干探測(cè)，簡(jiǎn)化成雙模系統(tǒng)本振光功率:仍為傳統(tǒng)相干探測(cè)水平，mW兩級(jí)/每個(gè)單元可以適用于大面陣探測(cè)器 GM-APD與傳統(tǒng)相干探測(cè)相比由于散粒噪聲極限的作用使載噪比CNR降低一半第54頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一GM-APD信號(hào)光和本振光光子探測(cè)

LuuandJiang(Appl.Optics45,3798)developedexpressionforCNRinpresenceofsaturation(NP=totalnumberofphoton“buckets”available)SaturatedNextphotonlikelytohitdeadpixelIncreasingLOorreturnpowerMacropixelNextphotonlikelytohitfreepixelIndividualAPDsFocalPlane第55頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一GM-APD相干探測(cè)數(shù)據(jù)處理方法CollectionofGMAPDsactsasasinglecoherentdetectorHistogramofarrivaltimesgivesintensityvstimeFFTordigitallymixwithi.f.toobtainfrequency/phaseTimeresolutionofclock(2GHz)determinesbandwidthAOMFrequencyreferenceLasersourceArrivaltimesHistogramofarrivaltimesPowerspectraldensitySignalProcessingEarlyHitLateHitNoHit第56頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一CNR結(jié)果比較NumberofreturnphotoelectronsCoherentCNR(dB)CNRArrayFilled第57頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期一CNR與理論值比較-20-