[发明专利]一种基于码分多址的面阵激光雷达三维成像方法

说明书

本发明提出了一种基于码分多址的面阵激光雷达三维成像方法，解决传统阵列成像技术依赖于探测器阵列规模的问题，实现以小规模探测器阵列完成无扫描、大视场、高分辨率的三维成像。所述方法实现步骤为：激光器产生窄脉冲激光源，经光束整形器形成近平顶能量分布的面阵光束；再通过码分多址光编码器形成二维面阵编码光束投射到目标表面；成像镜头接收后，光复用器将编码区像素细分并分组复用，得到若干通道的亚像素混合全编码信号；由等通道数的探测器阵列接收后再由等通道数的数据采集系统记录数据；通过信号处理算法从每个通道全编码信号中高精度解调出亚像素距离信息；经距离修正和像素拼接后，结合各像素地理位置信息，完成目标的三维图像重建。

技术领域

本发明涉及激光三维成像技术领域，特别地涉及一种基于码分多址的面阵激光雷达三维成像方法。

背景技术

激光雷达(Light Detection And Ranging，LIDAR)是一种主动式光电成像技术，不仅有效地应用到激光制导、战场侦察、飞机防撞、地雷遥感等军事领域，同时也广泛应用到城市数字模型重建、森林生态监测、海洋环境测绘、地质地貌探测、太空勘测等科学领域。

激光雷达技术在传统的微波雷达技术的基础之上发展起来，两者在工作原理和结构上有诸多相似点。发射接收源上，激光与微波均属于电磁波，但前者工作在光波波段，后者工作在无线电频段。结构上，微波雷达天线在激光雷达中由光学望远镜代替，微波雷达的接收端可以直接用射频模块对接收信号进行放大、混频和检波，激光雷达则必须用光电探测器将光信号转换成电信号后进行处理。在信号处理上，激光雷达也利用了很多微波雷达中的成熟技术。

相比微波雷达，激光雷达的优点包括：第一，激光具有更窄的脉冲(纳秒至飞秒级别)，有效的带宽更宽，因此可实现更高精度的测量；第二，激光的工作频率在电子干扰频谱和微波隐身有效频率之外，因此抗电子干扰能力强，反隐身能力好；第三，激光的单色性和相干性好，可实现高灵敏的外差干涉接收；第四，激光回波可同时获得目标的距离、角度和速度的多个信息，生成多种图像，通过融合得到的三维图像信息更丰富；第五，激光雷达系统一般体积小、重量轻，因此很适合车载、机载乃至星载模式的测量。

成像激光雷达是激光雷达的一个重要应用，可以直接获得目标的轮廓和位置信息，相应地重建出距离像和强度像，融合得到目标的三维图像，从而识别目标。根据测量方式，成像雷达可以分为扫描式成像激光雷达和非扫描式成像激光雷达。

扫描式成像激光雷达探测方法是借助机械扫描设备对目标进行点到点逐点扫描，分时获取目标表面的信息进而成像。这种激光雷达系统的特点是小光斑、高重频。机械扫描装置增加了体积和重量，不利于小型化，且会引入扫描偏差。

非扫描式成像激光雷达探测方法是在无扫描情况下直接获取更宽区域的整个剖面数据，通过数据分解算法获得所有目标像素深度信息。这种激光雷达系统的特点是大光斑、低重频。但目前的数据分解方法会造成距离精度很低。

随着非扫描激光雷达对成像质量的要求越来越高，出现焦平面阵列激光雷达。这种阵列激光雷达具有诸多优势，因而近年来在全球得到了广泛的研究和发展。这种激光雷达的探测方法是采用多个高灵敏的雪崩光电二极管(avalanche photodiode，APD)设计焦平面阵列，形成多个通道捕获目标整个截面回波信号，并由后端的多通道集成读出电路(read-out integrated circuit，ROIC)获得所有像素距离信息以重构目标三维像。阵列激光雷达的优点包括：第一，光束利用率高，可无扫描获得多像素信息；第二，基于飞行时间的探测原理简单，获取目标信息丰富；第三，采用高灵敏度和精度的APD探测器阵列，噪声低、探测距离远、成像帧率和成像精度高；第四，结构简单轻巧，便于车载或机载，适用于伪装网或隐蔽目标的探测和识别。