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導(dǎo) 讀

激光雷達(dá)是一種快速獲取目標(biāo)三維空間信息的主動(dòng)探測技術(shù)，其廣泛應(yīng)用于測繪、遙感、目標(biāo)檢測、軌道檢測、導(dǎo)航、自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域。對(duì)于激光雷達(dá)而言，在測量不同距離的目標(biāo)時(shí)，其返回的回波能量會(huì)達(dá)到非常大的動(dòng)態(tài)范圍，同一目標(biāo)在10m和1000m處的回波能量相差可達(dá)10000倍。此外，在高轉(zhuǎn)速掃描激光雷達(dá)中，遠(yuǎn)距離目標(biāo)還會(huì)產(chǎn)生脫靶問題，導(dǎo)致其最遠(yuǎn)探測距離進(jìn)一步下降。測距動(dòng)態(tài)范圍直接決定著激光雷達(dá)的有效探測范圍和對(duì)復(fù)雜場景下明暗物體的同時(shí)感知能力，測距動(dòng)態(tài)范圍過小，將導(dǎo)致激光雷達(dá)對(duì)近處反射率高的物體測量不準(zhǔn)確，甚至產(chǎn)生盲區(qū)，從而對(duì)后續(xù)的應(yīng)用造成不利的影響。

針對(duì)此問題，武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院的周昊與毛慶洲等在《光學(xué) 精密工程》（EI、Scopus收錄，中文核心期刊，《儀器儀表領(lǐng)域高質(zhì)量科技期刊分級(jí)目錄》和《光學(xué)和光學(xué)工程領(lǐng)域高質(zhì)量科技期刊分級(jí)目錄》“T1級(jí)”期刊）上發(fā)表了題為 “高轉(zhuǎn)速掃描激光雷達(dá)中探測器偏離焦平面的應(yīng)用”的封面文章。

《光學(xué) 精密工程》2023年第21期封面

高轉(zhuǎn)速掃描激光雷達(dá)中的脫靶現(xiàn)象

在常用的旋轉(zhuǎn)反射鏡、多面鏡等掃描方式中，由于激光發(fā)射到回波接收存在時(shí)間差，在這個(gè)時(shí)間差內(nèi)，掃描機(jī)構(gòu)已旋轉(zhuǎn)了一定角度，導(dǎo)致目標(biāo)回波被激光雷達(dá)接收時(shí)，激光腳點(diǎn)與瞬時(shí)視場角中心產(chǎn)生偏移，也即回波經(jīng)接收光學(xué)系統(tǒng)聚焦位置與探測器靶面中心產(chǎn)生了偏移。

圖1：因激光發(fā)射和接收時(shí)間差而產(chǎn)生的脫靶現(xiàn)象

探測器偏離焦平面的作用原理

1、徑向偏離

根據(jù)脫靶現(xiàn)象的特點(diǎn)，如圖2所示，人為地將探測器靶面朝著遠(yuǎn)距離回波聚焦點(diǎn)進(jìn)行徑向偏離，使得遠(yuǎn)距離回波重新回到視場中，從而解決高轉(zhuǎn)速掃描條件下遠(yuǎn)距離回波的脫靶問題。

圖2：探測器徑向偏離解決脫靶問題

圖3：徑向偏離量和目標(biāo)距離對(duì)收光率的影響

2、軸向偏離

對(duì)于不同距離的回波而言，遠(yuǎn)距離回波可近似為平行光，光斑聚焦在光學(xué)系統(tǒng)焦點(diǎn)；近距離回波聚焦在焦點(diǎn)之后的位置。當(dāng)離焦光斑尺寸大于探測器靶面尺寸時(shí)，僅有探測器靶面內(nèi)的回波能量被接收，等效于視場光闌限制了收光孔徑。因此，在合理軸向偏離量的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離目標(biāo)的微弱回波能量被全部接收，近距離目標(biāo)的強(qiáng)回波能量被衰減，進(jìn)而提高激光雷達(dá)系統(tǒng)的測距動(dòng)態(tài)范圍。

圖4：探測器軸向偏離作用原理

圖5：軸向偏離量和目標(biāo)距離對(duì)收光率的影響

工程應(yīng)用前景

本文分析了高轉(zhuǎn)速掃描激光雷達(dá)中的脫靶問題，提出了探測器偏離焦平面的方法，基本解決了遠(yuǎn)距離回波脫靶問題，提高了高轉(zhuǎn)速掃描激光雷達(dá)的測距動(dòng)態(tài)范圍，具有實(shí)用價(jià)值，對(duì)高轉(zhuǎn)速掃描測距激光雷達(dá)的工程設(shè)計(jì)具有一定的理論指導(dǎo)作用。

論文信息

周昊,毛慶洲,胡雪晴等.高轉(zhuǎn)速掃描激光雷達(dá)中探測器偏離焦平面的應(yīng)用[J].光學(xué)精密工程,2023,31(21):3077-3087. DOI：10.37188/OPE.20233121.3077.

https://www.eope.net/thesisDetails#10.37188/OPE.20233121.3077

團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人簡介

毛慶洲，教授，博士生導(dǎo)師。主要從事空間智能遙感儀器，高分辨率激光雷達(dá)、動(dòng)態(tài)精密工程測量、基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)狀態(tài)安全監(jiān)測等技術(shù)與裝備的研究。主持國家重大科學(xué)儀器開發(fā)專項(xiàng)項(xiàng)目，國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和863項(xiàng)目以及多項(xiàng)省部基金，獲得科技部國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，其他省部級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)一等獎(jiǎng)10余項(xiàng)，獲得國家發(fā)明等專利授權(quán)50余件，發(fā)表科技論文60余篇及專著3部。

團(tuán)隊(duì)介紹

武漢大學(xué)高分辨率激光雷達(dá)及其數(shù)據(jù)智能處理與應(yīng)用團(tuán)隊(duì)。主要成員包括教授5人、副教授/副研究員5人、講師/博士后/專職科研人員6人，以及20余名博士和碩士研究生，形成了團(tuán)結(jié)向上和科研氛圍濃厚的學(xué)術(shù)梯隊(duì)，涵蓋了光學(xué)、精密機(jī)械、航天工程、電子信息與測繪遙感等多學(xué)科，為學(xué)科交叉研究和青年人才的成長和發(fā)展提供了廣闊的空間和機(jī)遇。團(tuán)隊(duì)緊緊圍繞高分辨率激光雷達(dá)裝置關(guān)鍵技術(shù)、高分辨率點(diǎn)云數(shù)據(jù)智能解譯與建模、高分辨率激光雷達(dá)集成系統(tǒng)在重大基礎(chǔ)設(shè)施測量與檢測應(yīng)用等方向展開研究。激光掃描測量技術(shù)成果應(yīng)用于中國鐵路18個(gè)鐵路局集團(tuán)公司和北京、武漢等20余個(gè)城市地鐵，服務(wù)于“一帶一路”中巴鐵路、青藏鐵路、京張高鐵、大興機(jī)場地鐵等。拓展應(yīng)用于國家速滑館建設(shè)，助力打造北京冬奧會(huì)“最快的冰”。

團(tuán)隊(duì)基于高精度激光掃描相關(guān)技術(shù)積累，研制了FT系列輕小型測繪級(jí)無人機(jī)載激光雷達(dá)，并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，在測量距離（1500米）、測距精度（2毫米）、定位精度（優(yōu)于5cm）、測量頻率（2MHz）以及回波次數(shù)（7次）等性能指標(biāo)方面超越眾多同級(jí)產(chǎn)品，與國外同行業(yè)優(yōu)秀公司產(chǎn)品性能持平，填補(bǔ)了國內(nèi)高端無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)的技術(shù)空白，突破了國外的技術(shù)封鎖。

“FT系列輕小型測繪級(jí)激光雷達(dá)” 具有測程遠(yuǎn)、精度高、頻率快、穿透強(qiáng)、尺寸小、線數(shù)多、成本低、服務(wù)好等優(yōu)勢(shì)，可替代國外進(jìn)口裝備。目前該系統(tǒng)已經(jīng)投入市場百余套，廣泛應(yīng)的用到地形測繪、電力巡線、農(nóng)林調(diào)查、應(yīng)急搶險(xiǎn)等領(lǐng)域，創(chuàng)造了近億元的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值，特別在復(fù)雜惡劣環(huán)境條件下的高精度地形測繪中發(fā)揮了重要作用，推動(dòng)了行業(yè)技術(shù)發(fā)展，為大眾提供了精度更高、成本更低、更易維護(hù)的大眾化機(jī)載激光掃描方案。

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