激光距離選通的掃描式成像技術(shù)具有低成本、能避免多次散射等特點(diǎn),成像掃描與激光束掃描的同步配合是掃描成像技術(shù)的難點(diǎn)。設(shè)計(jì)了一個(gè)基于空間光調(diào)制器（SLM）的掃描式距離選通激光雷達(dá)系統(tǒng),保證目標(biāo)反射光的可靠接收,并在時(shí)間上和空間上屏蔽后向散射光。在具有不同衰減長度的光散射環(huán)境中對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)量,實(shí)現(xiàn)二維和三維成像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本系統(tǒng)能夠有效地實(shí)現(xiàn)光束掃描與距離選通成像掃描的同步,適用于光散射環(huán)境中光學(xué)成像的可視距離擴(kuò)展。 

【文章來源】：光學(xué)學(xué)報(bào). 2020,40(12)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

振鏡的光束掃描方向與控制角度的關(guān)系

如圖3所示，O點(diǎn)為相機(jī)幾何光心，在三維圖形學(xué)[15]中，目標(biāo)物體最遠(yuǎn)處所在豎直平面稱為遠(yuǎn)截面，為了將三維空間的物體顯示在一個(gè)二維平面上，建立了一個(gè)三維空間到二維平面上的坐標(biāo)映射關(guān)系：設(shè)置一個(gè)近截平面，三維物空間的K點(diǎn)與光心O的連線與近截面的交點(diǎn)P，即正確映射到二維屏幕上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)。令近截面與光心的距離Zn與像距（像平面與光心的距離）相等，則近截面和像平面關(guān)于光心對(duì)稱，可以由三維圖形的三維-二維變換矩陣求出三維物點(diǎn)在近截面上的二維映射坐標(biāo)；再根據(jù)該對(duì)稱關(guān)系得出成像點(diǎn)在像平面上的坐標(biāo)，也就是SLM應(yīng)該選擇透明的像素坐標(biāo)；還需根據(jù)像素點(diǎn)距將像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為像素行列序數(shù)。假設(shè)激光照射在目標(biāo)平面上的一個(gè)三維坐標(biāo)點(diǎn)K(X,Y,Z），則K點(diǎn)和O點(diǎn)的連線和近截面的交點(diǎn)為P(x,y,z),G(x′，y′）為成像點(diǎn)。Zf為光心O點(diǎn)到遠(yuǎn)截面的距離。根據(jù)投影矩陣變換原理，K點(diǎn)和P點(diǎn)之間的齊次坐標(biāo)關(guān)系[16]為

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，光源與接收器PMT之間距離為0.8m，與探測(cè)目標(biāo)距離為11.1m；發(fā)射端光源為Nd…YVO4調(diào)Q脈沖激光器，倍頻輸出波長為532 nm，光束直徑為8 mm，發(fā)散角為5mrad，脈沖寬度約為10ns，平均光功率為1.1 W；接收端采用焦距為18mm、水平方向視角為64°30′、垂直方向視角為45°30′的單反光學(xué)鏡頭。激光束通過一個(gè)部分反射鏡（PR，反射率約為4%),PR將激光器發(fā)出的一少部分脈沖光反射（p0）到PMT，這部分光作為初始時(shí)刻的同步信號(hào)光（簡稱為參考光）；其余大部分透射光束經(jīng)一個(gè)振鏡，在現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的控制下被掃描，目標(biāo)反射光p1（簡稱為信號(hào)光）在p0之后到達(dá)PMT。在掃描角度為20°時(shí)，振鏡的最大掃描頻率為2kHz，系統(tǒng)中控制振鏡的FPGA與控制SLM的單片機(jī)MCU兩個(gè)模塊相互連接通信。FPGA每控制振鏡轉(zhuǎn)到一個(gè)新的掃描角度都立刻向MCU發(fā)送方向角度信息，以控制液晶SLM調(diào)整透明區(qū)域，跟蹤激光束下一個(gè)掃描方向，再由MCU提供一個(gè)電脈沖給激光器的外觸發(fā)端口發(fā)出激光脈沖。PMT將接收到的散射光和反射光回波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)被泰克數(shù)字示波器采集同時(shí)被上傳到PC端；然后以參考光脈沖為初始時(shí)間基點(diǎn)，通過軟件編程算法在其后尋找僅弱于參考光脈沖的信號(hào)尖峰（可認(rèn)為是目標(biāo)反射光信號(hào)），通過它與參考光信號(hào)的時(shí)延間隔Δt得出目標(biāo)距離c×Δt/2(c為光速，忽略PMT與激光器發(fā)射端之間的距離和參考光傳播時(shí)間）。以目標(biāo)反射回波次強(qiáng)波峰的信號(hào)強(qiáng)度或時(shí)間坐標(biāo)為依據(jù)確定每個(gè)像素的灰度值或深度距離，實(shí)現(xiàn)距離選通。因此這種方式屬于軟件選通，它比高速快門進(jìn)行選通的硬件方法有更好的靈活性，在未知目標(biāo)距離的條件下可以通過編程算法在整個(gè)波形曲線中尋找、識(shí)別反射回波�？紤]到散射光的展寬、周邊白色墻壁漫反射、時(shí)間測(cè)量精度和噪聲的影響，應(yīng)有足夠長的光脈沖往返距離，才能觀察到反射信號(hào)光和初始同步參考光兩個(gè)脈沖的峰值，例如7.5m的目標(biāo)距離（反射回波的時(shí)延是50ns）為信號(hào)光與參考光兩個(gè)回波測(cè)量波峰可分辨的最短距離。由于散射環(huán)境采用實(shí)驗(yàn)水池，需要較大的場地和用水量，因此在一個(gè)體積為13.0m×5.8m×3.6m的室內(nèi)由舞臺(tái)煙霧機(jī)噴灑煙霧產(chǎn)生散射環(huán)境，探測(cè)系統(tǒng)到目標(biāo)的光散射損耗長度為衰減長度的5.5～7.5倍，實(shí)驗(yàn)在黑暗環(huán)境中進(jìn)行。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]一種距離選通水下激光成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[J]. 呂文磊,張旭,劉可.  兵器裝備工程學(xué)報(bào). 2019(08)
[2]激光雷達(dá)探測(cè)及三維成像研究進(jìn)展[J]. 劉博,于洋,姜朔.  光電工程. 2019(07)
[3]基于距離選通激光成像系統(tǒng)的三維圖像重構(gòu)[J]. 王柏娜,高煜妤.  激光雜志. 2019(06)
[4]雷達(dá)抗干擾技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)研究[J]. 張凱旋,李淑華.  艦船電子工程. 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]多波束合成孔徑聲吶技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 李海森,魏波,杜偉東.  測(cè)繪學(xué)報(bào). 2017(10)
[7]合成孔徑聲納技術(shù)在海底管道探測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)展[J]. 于灝,王培剛,段康弘,張小波.  海洋測(cè)繪. 2015(03)
[8]不同波長光源照明的水下成像及光學(xué)圖像實(shí)時(shí)處理[J]. 聶瑛,何志毅.  光學(xué)學(xué)報(bào). 2014(07)
[9]激光距離選通成像同步控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 趙巖,翟百臣,王建立,陳濤.  紅外與激光工程. 2005(05)
[10]一種改進(jìn)的激光距離選通成像系統(tǒng)[J]. 徐效文,郭勁,于前洋,付有余,周建民.  激光與紅外. 2004(01)

碩士論文
[1]基于FPGA的高速數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 劉爍.西安電子科技大學(xué) 2014



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