激光雷达成像技术(3)

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Opus Microsystems Corp. Taipei, Taiwan, 2D MEMS
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mirrorcletech
No Mirror Model No Mirror Diameter (mm) 1 S0103 0.8 Frequency (Hz) 10552/ 10874 2 3 4 5 S0264 S0394 S0233 S0273 1.2 2.0 2.4 3.4 2017/1987 935/907 623/629 531/529 7.2186 7.4309 7.1093 7.6862 127 134 134 140 Opt.Scan angle (°) 6.1954 Max.Voltage (V)
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脉冲飞行时间测量法（1）
图-1纯脉冲飞行时间物理过程
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连续波幅度调制相位测量法
图-2 飞行时间决定相位的物理过程
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相位差与距离关系
模糊距离
∆r =
λAM
2
=
c 2FAM
信噪比与测距精度
举例1
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连续波啁啾幅度调制测量法
∆F-调制深度 T-调制周期 fif -中频
啁啾调制信号与中频信号图示
Jigsaw image of helicopter
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参数 标定距离 视场角 波长 激光远场光束图样 激光脉宽 激光脉冲和成像速率 接收孔径 有效焦距 F数 焦平面像素 纵向设计100µm像素 瞬时斜距采样 视场FOV(32×32) 距离分辨率 FPA采样率 瞬时视场
数值 150m 10.8° 532nm 32×32点阵 300ps 16000/s 7.5cm 300mm f/4.0 32×32 333µrad 在150m处为5cm 10.1×10.1mrad 40cm 2GHz 10.1×10.1mrad
4.2×4.2mm ×
0.7×0.7mm~2.0 ×2.2mm × 航天学院
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The Sick LMS 200 laser scanner
Implementation of a Risley prism scanner for an FPA staring array LADAR. 航天学院
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扫描成像
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平行光束扫描
会聚光束扫描
θ≈
2(b + c )γ a+b+c
θ=
2γ
α
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脉冲重复频率 fr：
fr = N × F
其中：N (m ×n)-像素；F-帧频 总的扫描时间：
Ttostsc − st
Ω tot = Ω beam
Tdwell
Maximum range Range resolution Range accuracy at 50 m FOV (Field of View) Laser beam divergence Data rate Instrument mass, power, volume Laser (eye-safety) Data output
.
θ=
dθ ×τ = dt
2
dθ nr dt c
其中：θ-滞后角；dθ/dt-扫描速率；τ-往返时间；r-到目标距离；c-光 速；n-传播介质平均折射率
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Model 6400 MoΒιβλιοθήκη Baiduing Coil Capacitive Position Detector Optical Scanner
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先進微系統科技(股)公司2D-MEMS
Preliminary Spec's Scan speed (fast axis) Scan speed (slow axis) Mirror plate size Optical scanning angle Scan trajectory (fast axis) Scan trajectory (slow axis) Scan jitter Reflectivity Mirror flatness Operating temperature Operating humidity Acoustic noise Driving principle Power consumption Package footprint Package Status PE100011 10 kHz 1.15 kHz 1.2 mm Circular ±15o / ±12o sinusoidal sinusoidal < 0.1% > 80% @ 450~650nm < λ /8 @ 635nm 0o~60oC 10%~85% < 30dB electrostatic < 40 mW 10x10 mm2 PLCC Engineering sample PF210012 21 kHz 1.2 kHz 0.9 mm Circular ±15o / ±15o sinusoidal sinusoidal < 0.1% > 80% @ 450~650nm < λ /8 @ 635nm 0o~60oC 10%~85% < 30dB electrostatic < 100 mW 8x8 mm2 PLCC Engineering sample PE200012 20kHz 1.2 kHz 1.0 mm Circular ±15o / ±15o sinusoidal sinusoidal < 0.1% > 80% @ 450~650nm < λ /8 @ 635nm 0o~60oC 10%~85% < 30dB electrostatic < 100 mW 8x8 mm2 PLCC Engineering sample PE210012 21 kHz 1.2 kHz 1.0 mm Circular ±15o / ±15o sinusoidal sinusoidal < 0.1% > 80% @ 450~650nm < λ /8 @ 635nm 0o~60oC 10%~85% < 30dB electrostatic < 100 mW 8x8 mm2 PLCC Engineering sample
距离选通激光成像雷达
Burst illuminations Ladar (BIL)
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距离选通激光成像雷达
激光测距仪+扫描仪+数字相机 距离范围：3~800m 距离分辨率：厘米量级 波长：1.5µm 航天学院
热像仪图像
BIL图像 航天学院
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闪烁式激光成像雷达
1. 机载激光成像雷达 2. 测距方式:TOF 3. 面阵探测器：给出目标的角度和距离 4. 盖革模式雪崩二极管(GM-APD)是其核心技术
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相干激光雷达距离精度
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外差等效噪声功率heterodyne noise equivalent power (NEP)
信噪比 signal-to-noise ratio (SNR)
散焦损耗defocusing loss
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外差探测信噪比受相干长度影响。对于洛伦兹型光源线宽:
考虑散焦和相干长度等因素，其效噪比SNR表示为 including the losses due to the defocusing and coherence, the equation becomes:
100-µm µ
– –
Bump-Bonded InGaAsP APDs
3. CMOS 计时电路t
– – 250 - 500-ps 时间分辨率 500 MHz and 1-GHz 时钟
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GM-APD 阵列 CMOS 计时电路
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激光雷达常见的性能指标
1. 最大辐射功率 2. 水平视场“ horizontal Field of View (FOV)” 3. 垂直视场“ vertical FOV” 4. 光源波长“Wavelength of optical source” 5. 最远测量距离“Maximum distance to be measured” 6. 测量时间/帧频“ Measurement time / frame rate” 7. 纵向分辨率“depth resolution “ 8. 角分辨率“angular resolution” 9. 测距精度“Range Measurement accuracy”
APD/CMOS 时间记录阵列
Bridge-Bonded Si APDs
1. Silicon APDs for λ < 0.9 µm
– – – 20-50 % 探测效率 10-kHz 暗光子技术率 桥接 CMOS 计时
2. InGaAsP/InP APDs for λ 1~ 1.5 µm
– 20-50%探测效率 ~10-kHz暗光子技术率TE-cooling (1 µm ) 桥接 CMOS 计时
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盖革模式淬灭电路
被动淬灭
主动淬灭
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GM-APD:光子/数字转换
单元 焦平面
photon CMOS array APD array
APD
Digital timing circuit
Digitally encoded photon arrival time Lenslet array
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啁啾激光雷达1个正弦信号测距精度
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距离精度range accuracy,
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Typical parameters for the Metric Vision MV-200 CLR
Theoretical Range Accuracies for Different Targets for the sensor as described
其中：Ωtot-总扫描角； Ωtot-光束发散角；Tdwell=1/fr-光束滞留时间 飞行时扫描频率：
f scan = V d res N
V—高度H(m)的飞行速度；N=m×n—探测器单元数量； dres—探测器面元尺寸
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扫描时脉冲积累数：
θB fr n= 6ωm
其中：θB-天线3dB光束宽度(deg);fr-重频；ωm-天线每分转数 瞄准误差与滞后角效应：
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APD的工作模式
1. 线性模式 工作电压接近并小于雪崩电压时，M到1000左右就会饱和，这样的 倍增还不足以探测到单光子信号； 2. 盖革模式 工作偏压大于雪崩电压时，光子信号APD吸收，并使APD迅速雪崩 ，同时采用一定的抑制电路（无源抑制、有源抑制和主动门抑制 ），迅速切断雪崩，使APD恢复到接收光子的状态。
注释
在距离150m处直径为28.3m
按探测器瞬时视场点阵排列 半宽度
<7.5m
>7.5m 500GHz 在150m处为1.5m正方形
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2003年6月该Jigsaw系统装在UH-1 直 升机上进行了飞行实验 隐蔽在树林中带伪装网的坦克目标
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飞行实验中获取的坦克目标的伪彩色3D 激光雷达图像处理过程显 示
3-5 km 10 mm 5 cm 20º x 20º 500 µrad 8-10 kpoints/s < 10 kg, < 70 W, < 13 L Class 3B Range, bearing, centroid
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Micro electro-mechanical system (MEMS) 航天学院
激光雷达成像技术（3）
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成像技术要点
1. 距离测量技术 – 直接飞行时间“Direct Time-of-Flight (TOF)” – 连续波振幅调制的相位“Phase-Based AM-CW” – 连续波振幅啁啾调制“Chirped AM-CW “ – 连续波频率啁啾调制“Frequency chirp (FM-CW)” 2. 成像方式 – 扫描成像（X-Y扫描、线扫描、MEMS或DMD扫描） – FLASH成像（焦平面成像） – 条纹相机成像 – 距离选通成像 – 相控阵成像 – 合成孔径成像
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Block diagram for an experimental single channel (2-D) chirped-AM/cw LADAR
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连续波频率啁啾调制测量法
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Frequency chirp (FM-CW) used in the Metric Vision MV-200 coherent Ladar.