【摘要】：3D非掃描激光雷達能通過單脈沖獲取目標三維信息，具有成像速度快，重量輕，體積小等優(yōu)勢，因此成為激光雷達的主要發(fā)展方向。然而由于3D非掃描激光雷達與掃描成像激光雷達在成像機制上存在著很大的差別，其成像性能及后期的距離估計技術也存在明顯的區(qū)別。目前針對3D非掃描激光雷達的研究工作主要集中在探測器件的生產(chǎn)制造以及成像器件的實驗驗證，對于系統(tǒng)性能分析以及如何準確獲取目標距離信息的研究尚未廣泛展開。因此針對3D非掃描激光雷達系統(tǒng)，研究其系統(tǒng)成像性能以及如何準確的得到目標距離信息具有重要的理論價值和應用價值。 本文一方面對3D非掃描激光雷達系統(tǒng)成像性能進行了深入研究，分析了系統(tǒng)探測性能與系統(tǒng)器件間的量化關系：包括系統(tǒng)的作用距離，探測概率，虛警概率，信噪比，距離精度以及距離分辨率等參數(shù)與系統(tǒng)器件的關系，為系統(tǒng)設計以及后期的距離估計技術的研究提供理論基礎。另一方面提出了多種3D非掃描成像激光雷達距離估計算法，與傳統(tǒng)算法相比，系統(tǒng)的距離估計精度得到了極大的提升。具體研究工作包括： （1）對3D非掃描激光雷達系統(tǒng)進行了分析，并對系統(tǒng)作用距離、探測概率和虛警概率進行了研究。證明了3D非掃描激光雷達系統(tǒng)可以近似為非相干成像系統(tǒng)，對大視場條件下的系統(tǒng)作用距離方程進行了修正，推導了3D非掃描激光雷達探測概率和虛警概率計算公式，分析了探測概率和虛警概率影響因素。 （2）利用參數(shù)估計的方法對3D非掃描激光雷達距離精度進行了研究，分析了距離估計方差的Cramer-Rao下限（CRLB），推導出了3D非掃描激光雷達距離估計方差的CRLB計算公式。利用Monte Carlo仿真結果證明了推導的距離估計方差的CRLB具有有效性。最后，通過推導的距離估計方差的CRLB，對3D非掃描激光雷達的距離精度影響因素進行了分析，從理論上給出了提高目標距離精度的相關途徑。 （3）利用數(shù)理統(tǒng)計理論分析了距離分辨率的CRLB，推導出了3D非掃描激光雷達距離分辨率的CRLB計算公式，分析了CRLB隨距離間隔的變化關系，利用CRLB對3D非掃描激光雷達距離分辨率的影響因素進行了研究。結果表明，提高回波信號的信噪比和采樣速率都可以減小距離間隔估計方差的CRLB，從而提高成像系統(tǒng)距離分辨率，，針對特定的采樣速率，存在最佳激光脈沖發(fā)射寬度，使得系統(tǒng)距離分辨率達到最高。 （4）針對3D非掃描激光雷達多表面目標距離估計問題，提出了基于期望值最大化（EM）的單像素多表面目標距離估計算法，通過對系統(tǒng)點擴展函數(shù)的參數(shù)化，該算法可以同時估計出成像系統(tǒng)點擴展函數(shù)和目標的距離信息。仿真實驗結果表明，相比于傳統(tǒng)的混合高斯匹配算法和維納空間濾波算法，該算法在系統(tǒng)點擴展函數(shù)未知的條件下，可以將目標的距離估計精度分別提升70%和40%。 （5）針對3D非掃描激光雷達空間欠采樣目標距離估計的問題，提出了一種基于EM方法的空間欠采樣目標距離估計算法，通過將高空間分辨率的2D圖像與低空間分辨率的3D圖像融合的方法，提高空間欠采樣目標的距離估計精度。仿真和實驗室成像結果表明，相比于傳統(tǒng)的鄰近插值算法、線性插值算法和雙三次插值算法，該算法能明顯提升空間欠采樣目標距離估計精度。 （6）針對非等暈條件下3D非掃描激光雷達的距離估計，推導了非等暈條件下的系統(tǒng)傳遞函數(shù)，提出了一種基于EM的非等暈條件下目標距離估計算法，該算法可以同時準確的估計出目標距離信息和系統(tǒng)傳遞函數(shù)。仿真實驗結果表明，相比于現(xiàn)有的高斯匹配算法，該算法能將距離精度提升70%，相比于等暈假設下的目標距離估計，該算法能將目標距離估計精度提升15%，系統(tǒng)傳遞函數(shù)的估計精度從8%左右提升到4%以內(nèi)。該算法對3D非掃描成像激光雷達遠距離實際應用有較大意義。
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【學位授予單位】：北京理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TN958.98

【參考文獻】

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本文編號：2382334