王 琪，李 琳，郝鵬飛，王 超，王春暉，郭 灝

（1.航天系統(tǒng)部裝備部駐長(zhǎng)春地區(qū)軍事代表室，長(zhǎng)春 130033；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001；3.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春 130033）

三維成像雷達(dá)系統(tǒng)正朝著高精度、低成本和小型化的方向發(fā)展，適用于無(wú)人機(jī)、智能機(jī)器人、直升機(jī)避障、智能機(jī)械臂、軍事偵察、空中監(jiān)控和導(dǎo)彈制導(dǎo)等軍事領(lǐng)域。在海洋探測(cè)、大氣環(huán)境探測(cè)、考古和無(wú)人車等民用領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用前景[1-6]。本文建立了一個(gè)高精度三維實(shí)時(shí)成像激光雷達(dá)系統(tǒng)，以智能機(jī)器人、無(wú)人車和無(wú)人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境中使用激光雷達(dá)系統(tǒng)獲得高精度、高分辨率的三維圖像信息為應(yīng)用背景。在構(gòu)建的激光雷達(dá)系統(tǒng)中，利用X、Y 振鏡掃描獲得目標(biāo)的平面位置信息，以及通過測(cè)量脈沖信號(hào)的飛行時(shí)間獲得距離信息，從而獲得目標(biāo)的3D 圖像。該激光雷達(dá)系統(tǒng)的時(shí)間測(cè)量精度高達(dá)300 ps，距離精度為45 mm。

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 實(shí)驗(yàn)總體方案

如圖1 所示，1.55 μm 脈沖光纖激光器發(fā)射的橢圓偏振光經(jīng)過半波片后入射到偏振分束器1 上。半波片的作用是調(diào)節(jié)偏振光的偏振方向，使P 光最大化。在穿過偏振分束鏡1 的輸出光束被反射鏡1 反射，然后傳播穿過偏振分束鏡2，在偏振分束鏡2 中P 光完全穿過。接著穿過四分之一波片和反射鏡2，激光束被投射在X、Y 振鏡上，經(jīng)X、Y 振鏡掃描到空間中的目標(biāo)上。在穿過四分之一波片之后，線偏振光變?yōu)閳A偏振光，當(dāng)從目標(biāo)表面返回的光束再次經(jīng)過四分之一波片圓偏振光變?yōu)榫€偏振光，也就是說(shuō)，返回激光束在2 次穿過四分之一波片后從P 偏振光變?yōu)镾 偏振光。S 偏振光只能被偏振分束鏡2 反射，然后被反射到前面有聚焦透鏡組的InGaAs 探測(cè)器的光敏表面。高速InGaAs 光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；然后通過信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)返回信號(hào)進(jìn)行處理，最后將目標(biāo)的三維距離信息發(fā)送到顯示設(shè)備。在該模型中，激光發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)的光路是完全同軸的。如圖1 所示，其中偏振分束鏡2用作光隔離器，以實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收的分離。

圖1 三維成像激光雷達(dá)系統(tǒng)原理圖

1.2 恒比定時(shí)器

恒比定時(shí)器的原理如圖2 所示[7-11]。

圖2 恒比定時(shí)器原理圖

輸入信號(hào)被分為兩路，其中一路信號(hào)被延遲，延遲時(shí)間為td，另一路信號(hào)被衰減，衰減因子為f。延遲和衰減的信號(hào)分別被發(fā)送到放大器A 的非反相和反相引腳。然后通過零鑒別器后分別產(chǎn)生雙極信號(hào)，脈沖信號(hào)的上升沿位于雙極信號(hào)的零點(diǎn)處。為了避免短路，在電路系統(tǒng)中增加了一個(gè)具有可調(diào)閾值的前沿鑒別器。當(dāng)信號(hào)幅度達(dá)到預(yù)設(shè)閾值時(shí)，產(chǎn)生方波信號(hào)，其上升沿對(duì)應(yīng)于閾值點(diǎn)。因?yàn)樵肼暤姆逯档陀谛盘?hào)的峰值，所以可以去除噪聲。然后，輸出兩個(gè)上下方波信號(hào)經(jīng)2 個(gè)D觸發(fā)器整形，獲得最后輸出信號(hào)，該信號(hào)輸入到時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器作為鑒別時(shí)間。

1.3 時(shí)間間隔測(cè)量

時(shí)間間隔測(cè)量的典型游標(biāo)框圖如圖3 所示[12-13]。振蕩器由啟動(dòng)和停止脈沖控制。由于T2＜T1，累積周期停止通道的數(shù)量逐漸趕上開始通道，當(dāng)振蕩器的相位和電路輸出相位一致時(shí)，頻率源在時(shí)間上被關(guān)斷。

圖3 游標(biāo)時(shí)間間隔測(cè)量電路框圖

式中：k是膨脹系數(shù)。

因此

如圖3 所示，使用游標(biāo)裝置的測(cè)量可以通過測(cè)量擴(kuò)展時(shí)間，使用相對(duì)較慢的時(shí)間-幅度轉(zhuǎn)換器TAC（見虛線）進(jìn)行，也可以通過計(jì)算進(jìn)行，直到循環(huán)數(shù)為n時(shí)2 通道相位一致（見實(shí)線）。后一種方法的優(yōu)點(diǎn)是輸出數(shù)字形式，因此與現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兼容。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們使用了光觸發(fā)的方法，整個(gè)過程可以描述為：主機(jī)發(fā)出光觸發(fā)命令來(lái)觸發(fā)激光器，并設(shè)置點(diǎn)測(cè)量的開始時(shí)間。同時(shí)，X、Y 雙振鏡開始在空間中掃描目標(biāo)，TDC 也開始同步接收信號(hào)，其中其終止COM 與來(lái)自激光器發(fā)射的種子光的參考信號(hào)一起發(fā)送，該信號(hào)被視為激光在雷達(dá)系統(tǒng)和目標(biāo)之間行進(jìn)的開始時(shí)間。目標(biāo)的返回光信號(hào)通過高靈敏度InGaAs 探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后將電信號(hào)發(fā)送到恒比定時(shí)器（CFD）中。CFD 的輸出信號(hào)隨后被發(fā)送到TDC 端口1 的輸入端。TDC 的輸出給出了激光在雷達(dá)和目標(biāo)之間傳播的飛行時(shí)間，通過信號(hào)處理軟件，根據(jù)關(guān)系r=1/2×ct將其轉(zhuǎn)換為目標(biāo)的距離，然后結(jié)合掃描鏡的二維掃描數(shù)據(jù)生成目標(biāo)空間的三維圖像，并顯示在顯示屏上。

利用三維成像激光雷達(dá)系統(tǒng)，我們對(duì)幾種不同類型的物體進(jìn)行了掃描和成像實(shí)驗(yàn)。首先，我們選擇尺寸為1 m×2 m 的塑料板作為測(cè)試目標(biāo)，在以下實(shí)驗(yàn)中用作背景（圖4）。單個(gè)泡沫板的表面距離是檢測(cè)目標(biāo)。泡沫板的厚度為4.5 cm，尺寸為80 cm×80 cm。將該泡沫板放置在不同距離處進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn)。分別對(duì)放置在2、5 和10 m 距離處的目標(biāo)進(jìn)行成像。圖4 是真實(shí)塑料板的照片。我們使成像系統(tǒng)開始掃描目標(biāo)，然后通過軟件處理獲得目標(biāo)的三維圖像。

圖4 塑料板照片

圖5 是當(dāng)板位于2 m 的距離時(shí)，來(lái)自掃描激光雷達(dá)系統(tǒng)的圖像。物體和背景之間的關(guān)系顯示得很清楚，但由于塑料板邊緣的信噪比較低，邊緣略有粗糙。此外，從目標(biāo)的高度可以看到圖像的坐標(biāo)，并且真實(shí)高度基本相同，符合45 mm 的精度。

圖5 距離2 m 處的塑料板圖像

從圖6 中可以看出，與2 m 處的目標(biāo)圖像相比，5 m 處的圖像質(zhì)量迅速下降，但仍然可以大致反映目標(biāo)的厚度信息，從低信噪比失真區(qū)域增加的邊緣開始。存在一定程度的損耗和凹陷，有可能存在單點(diǎn)邊緣信息由時(shí)序?qū)?zhǔn)誤差引起的損耗情況，但仍能從厚度差異中看出，系統(tǒng)的精度仍保持在理論計(jì)算誤差范圍內(nèi)。

圖6 距離5 m處的塑料板圖像

圖像的邊緣輪廓是比較清晰的，層次結(jié)構(gòu)在圖7中不是很清晰。但受此啟發(fā)，可以從長(zhǎng)距離成像中得到輪廓清晰的現(xiàn)象，研究物體輪廓識(shí)別方法。

圖7 距離10 m 處的目標(biāo)圖像

其次，對(duì)單距離多目標(biāo)組合的泡沫板進(jìn)行了測(cè)試，選擇了一塊高8 cm、厚5 cm 的泡沫板作為測(cè)試目標(biāo)，如圖8 所示。圖9 是目標(biāo)位于2 m 處時(shí)三維雷達(dá)系統(tǒng)的圖像。

圖8 單范圍多目標(biāo)圖像的真實(shí)對(duì)象

圖9 距離2 m 處的目標(biāo)圖像

如圖9 所示，目標(biāo)圖像的距離信息的高度差分布良好，距離波動(dòng)較小。這表明，該系統(tǒng)在相同距離的時(shí)間間隔測(cè)量中是穩(wěn)定的，測(cè)量誤差較小。其中一些丟失了一些區(qū)域，但它仍然恢復(fù)了掃描目標(biāo)的形狀。同時(shí)，形狀有更明顯的變形，圖像在X 方向上被拉寬，這表明點(diǎn)的對(duì)應(yīng)二維坐標(biāo)的距離與實(shí)際情況不同，需要加強(qiáng)空間掃描軌跡的校正。

最后，在激光雷達(dá)成像測(cè)試中，對(duì)具有相對(duì)復(fù)雜特征的物體進(jìn)行了掃描和成像。圖10 給出了一張實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中的人的照片。人站在距離成像系統(tǒng)5 m 處，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中掃描人的上部，圖11 給出了掃描的圖像。該圖像具有嚴(yán)重的丟失現(xiàn)象，特別是難以恢復(fù)距離差小于45 mm 的細(xì)節(jié)，但仍大致保留了人物的基本特征。

圖10 圖形目標(biāo)圖像

圖11 圖目標(biāo)掃描圖像

3 討論

對(duì)于單距離和單目標(biāo)物體的近距離成像，圖像質(zhì)量非常好，圖像清晰，然而，隨著距離的增加，圖像的質(zhì)量降低，并且出現(xiàn)丟失點(diǎn)的現(xiàn)象。在單距離多目標(biāo)成像中，會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)丟失和變形的問題。對(duì)于復(fù)雜的人物，圖像的基本特征可以保留下來(lái)，一些細(xì)節(jié)很難恢復(fù)。

4 結(jié)論

利用本文構(gòu)建的三維成像激光雷達(dá)系統(tǒng)，對(duì)不同距離的物體進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)，獲得了物體的三維圖像信息。在實(shí)驗(yàn)中，包括恒比定時(shí)器和時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，獲得了300 ps 的時(shí)間測(cè)量誤差和45 mm 的測(cè)距精度。從成像結(jié)果可以看出，根據(jù)系統(tǒng)測(cè)距誤差，系統(tǒng)可以分辨出45 mm 的最小距離。該系統(tǒng)已成功獲得高清晰度的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)圖像。未來(lái)的工作是通過提高信噪比來(lái)改善待測(cè)量的距離。