CN108037513B - 一种基于相控点阵扫描提高apd激光雷达空间分辨率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于相控点阵扫描的提高APD阵列激光雷达空间分辨率的方法，具体过程为：根据激光雷达中APD阵列探测器硬件分辨率确定相位光栅实现的分束比；计算光束分束的相位调制矩阵和光束偏转的相位调制矩阵，将其级联后得到每次扫描时光栅需要加载的调制矩阵；调整光路实现各个子光束与对应的各个像元的视场匹配；将光栅需要加载的调制矩阵依次加载在相位光栅上，激光器发射激光经过相位光栅调制后在远场实现点阵照明及光束偏转，通过多次偏转实现远场的点阵扫描；根据多次点阵扫描得到的多个点阵，按照每次偏转角度插值存放，即可得到高于APD阵列物理分辨率的目标三维点云数据。本发明能够提升APD阵列激光雷达空间分辨率。

Description

一种基于相控点阵扫描提高APD激光雷达空间分辨率的方法
技术领域
本发明属于光电子学技术领域，具体涉及一种基于相控点阵扫描提高APD(Avalanche Photodiode，雪崩光电二极管)激光雷达空间分辨率的方法。
背景技术
激光雷达三维成像具有作用距离远、精度高及不受光照影响等特点，目前已广泛应用于目标三维重建、特征识别及相对导航等，具有很高的军事和民用价值。激光雷达中探测器的性能对激光雷达成像性能有重要影响，基于APD阵列探测器的激光雷达得益于APD较高的量子效率及高增益下良好的信噪比，极大地降低了对发射激光器的功率要求；且APD阵列可以有效缩短单次成像中扫描时间，降低了对系统扫描模块的要求，高分辨率的APD阵列激光雷达甚至能做到无扫描成像，对实现激光雷达的小型化具有重要意义，目前已受到广泛关注，并应用于对地测绘、航天交会等。
但是，受限于集成电路的工艺水平，APD阵列的像元数目普遍偏低。国内已公开发表的基于APD阵列探测器的激光雷达系统最高空间分辨率(下文简称分辨率)仅为8*8[APD阵列单脉冲三维成像激光雷达的发展与现状]，较低的分辨率极大地限制了系统对目标三维成像能力，迫切需要在低分辨率APD阵列的硬件条件限制下提升系统最终成像分辨率的设计方法。目前，西安交通大学的孙剑等从接收光学系统的角度考虑，[基于APD阵列的三维激光成像系统及方法]提出了结合DMD与压缩感知算法提升低分辨率APD阵列成像分辨率的方法。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，解决目前APD阵列激光雷达空间分辨率较低的问题，从发射光学系统的角度考虑提升低分辨率APD成像性能，提出一种基于相控点阵扫描的提高APD阵列激光雷达的空间分辨率的方法，即激光雷达接收视场固定，激光分束后的每个子光束在对应像元的视场内扫描，每次照亮不同区域，多次采样后实现高分辨率，由于每次扫描时所有的子光束都在各自对应的视场内同时扫描，本发明的扫描方式具有较高的扫描效率。
本发明方法是通过下述技术方案实现的：
一种基于相控点阵扫描的提高APD阵列激光雷达空间分辨率的方法，其基本实施过程如下：
一、根据激光雷达中APD阵列探测器硬件分辨率确定相位光栅实现的分束比，即当APD阵列探测器分辨率为n×n时，相位光栅应当将入射激光分为n×n束；
二、计算光束分束的相位调制矩阵和光束偏转的相位调制矩阵，将其级联后得到每次扫描时光栅需要加载的调制矩阵；
三、调整光路实现各个子光束与对应的各个像元的视场匹配；
四、将光栅需要加载的调制矩阵依次加载在相位光栅上，激光器发射激光经过相位光栅调制后在远场实现点阵照明及光束偏转，通过多次偏转实现远场的点阵扫描；
五、根据多次点阵扫描得到的多个点阵，按照每次偏转角度插值存放，即可得到高于APD阵列物理分辨率的目标三维点云数据。
自此，就实现了基于相控点阵扫描的提高APD阵列激光雷达的空间分辨率的方法。
进一步地，本发明所述步骤二的具体过程为：
21，采用光栅迭代计算方法计算实现分束所需的光栅相位跳变点坐标；根据激光雷达接收系统的视场角，计算APD阵列单个像元的视场角，由单个像元的视场角确定光栅的周期长度d，结合所述跳变点坐标，计算得到光束分束的相位调制矩阵；
22，根据单个像元的视场角及子光束发散角确定在每个像元视场中子光束的最大扫描次数和每次扫描的点阵光束偏转步进；根据每次扫描的点阵光束偏步进，结合相位光栅的阶梯相位计算公式，得到光束偏转的相位调制矩阵。
23，将光束分束的相位调制矩阵和光束偏转的相位调制矩阵级联后得到每次扫描时光栅需要加载的调制矩阵。
进一步地，本发明所述相位光栅采用Dammann光栅，通过光栅迭代计算方法快速得到实现分束所需的光栅相位跳变点坐标。
有益效果
(1)本发明用发散角比像元视场角更小的光束分时照亮各个对应像元视场的不同区域实现了像元细分，提升了每个像元的分辨率，从而提升了激光雷达的分辨率。
(2)本发明通过激光点阵照明照亮远场目标，回波能量能够集中在APD像元的感光区域，相对于泛光照明提高了能量利用率。
(3)本发明采用点阵扫描相较于单点扫描提高了扫描效率。
(4)通过相位光栅(如液晶相位调制器等)实现点阵照明及光束偏转，避免了机械扫描的磨损及震动对精度的影响，同时降低了激光雷达的整体能耗，较适用于航天测控及车载雷达等需要小型化高性能激光雷达的应用场景。
(5)通过相位光栅同时实现点阵照明及光束偏转，系统器件较少，光路设计简单，不需要微透镜阵列等对加工精度要求较高的部件，降低了系统设计成本及周期，同时对系统小型化提供了可能。
附图说明
图1为2个不同偏转角点阵扫描的系统侧视图；图(a)和图(b)所
指向的视场区域不同；
图2为远场光斑在各个像元的视场角内扫描的示意图；
图3为单个像元视场内4次扫描光斑移动示意图；
图4为单个周期的Dammann光栅分束相位调制图案；
图5为在20.4m偏转角度1时的光斑分布仿真图与实际图；
图6为在20.4m偏转角度2时的光斑分布仿真图与实际图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施实例对本方法作进一步的详细描述。
本发明一种基于相控点阵扫描的提高APD阵列激光雷达空间分辨率的方法，系统结构与扫描示意简图如附图1所示，设计思路为：首先将激光通过相位光栅分束实现远场的点阵照明，即相位光栅将激光器发射的光束分束为与APD阵列分辨率相同的n×n束，且子光束发散角小于像元视场角；而后将相控光束偏转所需的相控调制信号级联加载于相位光栅，完成点阵光束在远场的偏转，多次偏转即可实现光斑点阵在目标表面的扫描，如附图2所示。每次扫描中，每一束子光束在各自对应APD像元视场角内移动，通过子光束偏转形成光斑在目标表面的移动，每次扫描照亮目标的不同区域细分实现像元细分，如附图3所示，多次扫描后将得到的多个n×n点阵按照对应偏转角度重新插值排列，即可得到目标的高分辨率点云。具体过程为：
步骤一、光栅相位跳变点坐标计算
对远场实现点阵照明，首先要将激光器发射的光束分束为与分辨率为n×n的APD阵列相应的n×n个强度较均匀的子光束。目前广泛使用的Dammann光栅设计方法即可通过周期内的不规则光栅分布获得远场衍射光斑的均匀分布，即根据远场预期的光斑数量及二维分布，结合GS算法计算出单个周期内的跳变点，得到所需的单个周期内的Dammann光栅相位分布矩阵。以5×5的分束为例，计算得到的跳变点坐标归一化后为0.01、0.03、0.37、0.64、0.99。利用上述方法得到的单个周期内的Dammann光栅分布如图4所示。
步骤二、光束分束的相位调制矩阵计算
利用上述方法得到的跳变点坐标，单个周期内实现分束的相位分布归一化如图4所示，下一步需要计算周期长度。假设激光雷达系统设计所需接收视场的视场角为ωfov×ωfov，APD阵列的像元数为n×n，则APD阵列单个像元的视场角为ωpix×ωpix，其中ωpix＝ωfov/n。实现远场扫描提升分辨率，要求光束分束后相邻子光束的夹角θdiv等于APD单个像元的夹角(即APD的视场角ωpix)。相邻子光束之间的夹角与光栅周期长度d有关，即sinθdiv＝λ/d，其中λ为入射激光波长。由此可得d＝λ/sinωpix。假设相位光栅的物理尺寸为M×N，则在相位光栅上x、y两个方向上的周期数分别为M/d和N/d。按照此参数，将单个周期的Dammann光栅相位分布矩阵在x、y两个方向上分别复制M/d和N/d次，即可生成所需的光束分束的相位调制矩阵SDamman，实现与接收视场匹配的远场点阵照明。
步骤三、光束偏转的相位调制矩阵计算
相位光栅实现光束偏转的原理是通过对相邻相控单元之间的相位差使光束传输的波前产生倾斜，从而改变光束传播方向。假设子光束的发散角为θsub，则在x方向上的最大扫描次数即为i＝ωpix/θsub，每次扫描偏转步进为θsub，完成扫描后分辨率提升为i2倍。此时按照闪耀光栅的阶梯相位计算公式即可得到相位光栅上相邻两个相控单元之间的相位差p，即p＝2π/(λ·D·sinθsub)，由此计算出所有相控单元上的相位分布值。由于光波是周期性的，相位调制范围只需在2π内即可，故可以将计算所得的相位分布值除以2π后取余数作为相位光栅实际加载的相位值矩阵Px。由此可得，在x方向上第k(0＜k≤i)次偏转时两个相控单元之间的相位差px＝2π/(λ·D·sinkθsub)，完成x方向的第一行扫描后，进行第二行扫描时，可以先计算在x方向上的相位值矩阵Px，同理根据y方向上的偏转角计算在x方向上的相位值矩阵Py，将Px与Py相乘后作为相位光栅的加载值，即可实现光束在x、y方向上的同时偏转，此时即得到实现光束偏转的相位调制矩阵SOPA。
步骤四、光栅加载调制矩阵的计算
相位光栅对激光光束的调制分为光束分束和点阵偏转两步，但是事实上可以通过一个光栅加载复合的调制矩阵实现，即在一个相位光栅上同时实现分束和偏转。最终相位光栅加载的相位S即为光束分束的相位调制矩阵SDamman与光束偏转的相位调制矩阵SOPA的乘积。激光光束在远场复振幅分布如式1所示。
U＝exp(i2πz/λ)exp(ξ2+η2)F{S}/iλz (1)
其中，z为目标到光栅的距离，ξ＝xi/λz，η＝yi/λz。利用液晶空间光调制器作为相位光栅，在20.4m距离角度1的仿真图像及实际图像如图5所示；角度2的仿真图像及实际图像如图6所示。
步骤五、调节光路完成子光束与像元的视场匹配
调节光路，使得子光束的扫描范围与各个对应像元的视场角匹配，在精配准时，可适当调节光栅周期长度。
步骤六、加载调制相位分布实现点阵扫描
将预先计算的i2个相位调制矩阵依次加载在相位光栅上，并使用脉冲激光器发射的激光照射在相位光栅上，通过相位光栅对入射光束的实现远场点阵的扫描。并根据APD采集的回波信息记录每次扫描的点云及角度并存储。
步骤七、目标的高分辨率点云重建
将步骤六获取的扫描点云及对应角度信息依次插值存放，得到分辨率为in×in的目标点云。至此，即可实现利用相控点阵扫描将硬件分辨率为n×n的APD阵列激光雷达的分辨率提升至in×in，即相对于APD阵列的硬件分辨率提升了i2倍。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于相控点阵扫描的提高APD阵列激光雷达空间分辨率的方法，其特征在于，具体过程为：
一、根据激光雷达中APD阵列探测器硬件分辨率确定相位光栅实现的分束比，即当APD阵列探测器分辨率为n×n时，n是指APD阵列探测器在水平或者垂直方向上的像元数量，相位光栅应当将入射激光分为n×n束；
二、计算光束分束的相位调制矩阵和光束偏转的相位调制矩阵，将光束分束的相位调制矩阵和光束偏转的相位调制矩阵级联后得到每次扫描时光栅需要加载的调制矩阵；
三、调整光路实现各个子光束与对应的各个像元的视场匹配；
四、将光栅需要加载的调制矩阵依次加载在相位光栅上，激光器发射激光经过相位光栅调制后在远场实现点阵照明及光束偏转，通过多次偏转实现远场的点阵扫描；
五、根据多次点阵扫描得到的多个点阵，按照每次偏转角度插值存放，即可得到高于APD阵列物理分辨率的目标三维点云数据。
2.根据权利要求1所述基于相控点阵扫描的提高APD阵列激光雷达空间分辨率的方法，其特征在于，所述步骤二的具体过程为：
21，采用光栅迭代计算方法计算实现分束所需的光栅相位跳变点坐标；根据激光雷达接收系统的视场角，计算APD阵列单个像元的视场角，由单个像元的视场角确定光栅的周期长度d，结合所述跳变点坐标，计算得到光束分束的相位调制矩阵；
22，根据单个像元的视场角及子光束发散角确定在每个像元视场中子光束的最大扫描次数和每次扫描的点阵光束偏转步进；根据每次扫描的点阵光束偏转步进，结合相位光栅的阶梯相位计算公式，得到光束偏转的相位调制矩阵；
23，将光束分束的相位调制矩阵和光束偏转的相位调制矩阵级联后得到每次扫描时光栅需要加载的调制矩阵。
3.根据权利要求1所述基于相控点阵扫描的提高APD阵列激光雷达空间分辨率的方法，其特征在于，所述相位光栅采用Dammann光栅。
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