【摘要】：條紋陣列探測激光雷達具有作用距離遠、探測視場寬、距離景深大和數(shù)據(jù)率高等優(yōu)點,在遠距離目標三維重建和高空機載寬幅測繪中具有重要的應用前景。在現(xiàn)有的條紋陣列探測激光雷達研究工作中,始終未能建立一個完善的測距精度理論模型,同時還缺乏可有效提高測距精度的技術(shù)手段,也沒有根據(jù)系統(tǒng)的成像特性對其三維測繪技術(shù)進行優(yōu)化和改進。針對這些問題,本文對條紋陣列探測激光雷達的測距精度及其三維測繪技術(shù)進行了理論和實驗研究。本文從條紋陣列探測激光雷達的距離分辨原理和級聯(lián)成像過程出發(fā),結(jié)合激光雷達方程和探測器的線擴展函數(shù),推導出單個時間分辨通道內(nèi)信號分布函數(shù)的理論表達式。發(fā)現(xiàn)信號強度的分布函數(shù)服從高斯分布,并且其條紋寬度由激光脈沖寬度和探測器的線擴展函數(shù)共同決定。根據(jù)噪聲與信號強度的相關(guān)性對雷達系統(tǒng)的噪聲特性進行了分類討論,并分別給出了乘性噪聲和加性噪聲的均值和方差的理論表達式,進而建立了含噪條紋信號的理論模型,為系統(tǒng)的測距精度分析和探測過程研究提供了必要的理論依據(jù)。針對條紋陣列探測激光雷達自身的成像特性,在信號探測過程中建立了恒定發(fā)射功率和近飽和成像兩種的工作模式,從而可在不同的探測距離和應用需要下獲得更為理想的原始條紋圖像。根據(jù)系統(tǒng)的信號和噪聲特性,以質(zhì)心權(quán)重算法作為信號鑒別方式,利用誤差傳遞理論建立了測距精度的理論模型。分別在兩種不同工作模式下推導出加性噪聲引起的誤差、乘性噪聲引起的誤差以及采樣誤差的理論表達式。利用平面目標距離成像結(jié)果的殘差抖動分析方法,對測距精度的理論模型進行了仿真和實驗驗證。在仿真驗證中,通過模擬激光的發(fā)射、接收過程和探測器的信號采集過程,對三類主要誤差隨系統(tǒng)各關(guān)鍵參量的變化關(guān)系進行了探討。在實驗驗證中,建立了一套可對噪聲源進行選擇控制的條紋陣列探測激光雷達原理驗證系統(tǒng),并著重討論了條紋寬度對測距精度的影響。實驗結(jié)果表明,在恒定發(fā)射功率工作模式下,乘性噪聲引起的誤差隨條紋寬度的增加而線性增加,加性噪聲引起的誤差不隨條紋寬度的變化而發(fā)生改變;在近飽和成像工作模式下,乘性噪聲引起的誤差與條紋寬度的平方根成正比,加性噪聲引起的誤差則與條紋寬度成反比�；跍y距精度的理論模型,本文提出了四種可提高系統(tǒng)距離分辨能力和目標識別能力的測距精度優(yōu)化方法:(1)研究了基于最優(yōu)條紋寬度的參量優(yōu)化方法,給出了不同工作模式下最優(yōu)條紋寬度的理論表達式和數(shù)值計算結(jié)果。實驗上,利用聚焦極電壓時空軸分離調(diào)節(jié)方法,在保證探測器具有最高空間分辨率的前提下實現(xiàn)了對時間軸線擴展函數(shù)的獨立控制,進而獲得了具有最優(yōu)條紋寬度的回波信號。參量優(yōu)化后,系統(tǒng)可在173m的距離門寬下對1.7km的遠距離目標實現(xiàn)分米級的距離像重建,將測距均方根誤差降低至0.19m;(2)在條紋圖像的距離提取過程中提出了一種最優(yōu)閾值方法�；诜抡婺M結(jié)果討論了不同條紋寬度和噪聲強度下閾值設定對測距精度的影響,建立了最優(yōu)閾值的經(jīng)驗公式,并利用最優(yōu)閾值方法抑制了外場測繪中強背景噪聲對距離像的干擾;(3)討論時隙寬度的最佳取值方案。仿真和實驗結(jié)果表明,在保證距離門寬度足夠覆蓋被測目標景深的前提下,可通過減小時隙寬度來獲得更高的測距精度。在室內(nèi)小景深測距實驗中,利用0.07ns的時隙寬度可使系統(tǒng)的測距均方根誤差減小至3mm;(4)提出了一種基于迭代加權(quán)質(zhì)心算法的超分辨率信號鑒別方法,并分析了該算法在距離提取過程中的作用機制。通過引入高斯型加權(quán)因子,該算法有效抑制了由于臨近通道的條紋彌散所引起的邊界模糊效應,實現(xiàn)了對1.4km被測目標特征細節(jié)的準確識別。實驗結(jié)果表明,當條紋寬度為4.4ns時,經(jīng)過15次迭代運算可將系統(tǒng)的測距均方根誤差降低至0.15m,測繪結(jié)果的距離精度優(yōu)于系統(tǒng)的最小距離分辨率,實現(xiàn)了條紋陣列探測激光雷達的超分辨率成像。最后,本文建立了一套搭載于飛機平臺的對地三維測繪系統(tǒng),并根據(jù)測距精度優(yōu)化方法和回波強度計算結(jié)果討論了不同飛行高度下系統(tǒng)工作模式的選擇以及系統(tǒng)關(guān)鍵參量的取值問題。針對機載線陣掃描體制下測繪幅寬受到探測器視場角限制這一技術(shù)難題,提出了一種新型的掃帚式掃描體制,并結(jié)合數(shù)字高程地圖仿真分析了該掃描體制下激光腳點對測繪區(qū)域的覆蓋能力。對探測器掃描電場不均勻性引起的測距偏差和激光腳點掃描軌跡非線性引起的水平定位偏差進行了定標修正。利用優(yōu)化和定標后的系統(tǒng)實現(xiàn)了距離門寬為173m、數(shù)據(jù)率為500k Hz的高精度機載寬幅測繪,在3000m和5800m的飛行高度下,測距均方根誤差分別可以達到0.11m和0.16m,對面積為30km2的平原區(qū)域進行測繪所需的探測時間為2分13秒,相比于傳統(tǒng)的推帚式掃描體制測繪效率提高了近10倍。
[Abstract]:The stripe array detection lidar has many advantages, such as long range, wide detection field, large range depth and high data rate. It has important application prospects in three-dimensional reconstruction of long-range targets and airborne wide-range mapping. In this paper, the ranging accuracy and three-dimensional mapping technology of the stripe array detection lidar are studied theoretically and experimentally. Based on the range resolution principle and the cascade imaging process of the column detection lidar, combining with the lidar equation and the linear spread function of the detector, the theoretical expression of the signal distribution function in a single time-resolved channel is derived. The noise characteristics of radar system are classified and discussed according to the correlation between noise and signal strength. The theoretical expressions of mean and variance of multiplicative noise and additive noise are given respectively. Then the theoretical model of noisy fringe signal is established to analyze and detect the ranging accuracy of the system. According to the imaging characteristics of the stripe array detection lidar, two working modes, constant transmitting power and near saturation imaging, are established in the signal detection process, so that more ideal original stripe images can be obtained at different detection distances and application requirements. The theoretical model of ranging accuracy is established by using the error transfer theory. The theoretical expressions of additive noise error, multiplicative noise error and sampling error are deduced under two different operating modes respectively. The theoretical model of ranging accuracy is simulated and verified by experiment. In the simulation, the relationship between the three main errors and the key parameters of the system is discussed by simulating the process of laser emission, receiving and signal acquisition of the detector. The principle validation system of fringe array detection lidar with selective control of noise sources is presented, and the effect of fringe width on ranging accuracy is discussed emphatically. The experimental results show that the error caused by multiplicative noise increases linearly with the increase of fringe width and the error caused by additive noise does not with the fringe width under constant transmitting power mode. The error caused by multiplicative noise is directly proportional to the square root of the fringe width and the error caused by additive noise is inversely proportional to the fringe width in near saturation imaging mode. Distance precision optimization methods: (1) The parameter optimization method based on the optimal fringe width is studied, and the theoretical expression and numerical results of the optimal fringe width under different operating modes are given. After parameter optimization, the system can reconstruct the range profile of 1.7 km long-range target at a distance gate width of 173 m, and reduce the ranging root mean square error to 0.19 M. (2) A new method is proposed in the range extraction process of fringe image. Based on the simulation results, the influence of threshold setting on ranging accuracy under different fringe widths and noise intensities is discussed, and the empirical formula of the optimal threshold is established, and the interference of strong background noise on range profile in outfield mapping is suppressed by the optimal threshold method. (3) The optimal scheme of time slot width is discussed. The experimental results show that higher ranging accuracy can be achieved by reducing the time slot width while the width of the distance gate is enough to cover the depth of field of the target to be measured. By introducing Gaussian weighting factor, this algorithm can effectively suppress the boundary blur effect caused by fringe dispersion in the adjacent channel, and realize the accurate recognition of 1.4 km target feature details. When the fringe width is 4.4ns, the RMS error of the system can be reduced to 0.15m after 15 iterations. The range precision of the mapping result is better than the minimum range resolution of the system, and the super-resolution imaging of the fringe array detection lidar is realized. Finally, a set of three-dimensional mapping system for the ground based on the aircraft platform is established. According to the optimization method of ranging accuracy and the results of echo intensity calculation, the selection of operating mode and the selection of key parameters of the system at different flight altitudes are discussed. The coverage of the laser footprint to the surveying and mapping area under the scanning system is analyzed by combining with the digital elevation map simulation. The ranging deviation caused by the non-uniformity of the scanning electric field of the detector and the horizontal positioning deviation caused by the non-linearity of the scanning trajectory of the laser footprint are calibrated and corrected. The gate width is 173m and the data rate is 500kHz. At the flight altitudes of 3000m and 5800m, the RMS error of ranging can reach 0.11M and 0.16m, respectively. The detection time for surveying and mapping the plain area of 30km2 is 2 minutes and 13 seconds, which is nearly 10 times more efficient than the traditional broom scanning system.
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN958.98

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本文編號：2216359