CN116243332A - 一种面阵激光雷达三维成像仿真建模方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种面阵激光雷达三维成像仿真建模方法和系统，其中，该方法包括：对激光发射器发射的激光进行扩束、整形和匀化，以使激光均匀地照射到目标上；确定激光在传播过程中散射的衰减系数；根据衰减系数计算激光单程传播透过率，并确定目标接收的激光强度；利用探测器探测接收目标散射的激光，并确定探测器的探测光强和接收功率；根据面阵激光雷达的成像周期，确定探测器探测的由目标散射的回波信号能量，并解算目标距离信息；对面阵激光雷达获取的目标灰度图像进行处理，计算出目标的深度信息。本发明通过对面阵激光雷达的成像过程进行理论推导，精确分析每个模块的物理过程，提出了面阵激光雷达三维成像仿真建模方法和系统。

Description

一种面阵激光雷达三维成像仿真建模方法和系统
技术领域
本发明属于激光雷达技术领域，具体涉及一种面阵激光雷达三维成像仿真建模方法和系统。
背景技术
激光雷达，是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。其工作原理是向目标发射探测信号(激光束)，然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，广泛应用于目标探测、无人驾驶、遥感等领域。面阵激光雷达通过高分辨相机直接对目标进行闪光成像，相比于扫描式激光雷达具有成像速度快、成像精度高等特点，成为激光雷达的未来发展趋势。
目前国内的部分学者对激光雷达仿真系统进行了研究，但研究的成像场景过于理想，对于激光雷达实际成像时激光光束的传输、激光与物体的交互作用、大气传输效应以及接收系统性能等各项功能并未详细介绍，导致仿真模型与实际成像过程存在较大差异。
因此，如何降低仿真模型与实际成像的差异性，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
为实现本发明目的提供的一种面阵激光雷达三维成像仿真建模方法，包括：
步骤S101：对激光发射器发射的激光进行扩束、整形和匀化，以使激光均匀地照射到目标上；
步骤S102：确定激光在传播过程中散射的衰减系数；
步骤S103：根据衰减系数计算激光单程传播透过率，并确定目标接收的激光强度；
步骤S104：利用探测器探测接收目标散射的激光，并确定探测器的探测光强和接收功率；
步骤S105：根据面阵激光雷达的成像周期，确定探测器探测的由目标散射的回波信号能量，并解算目标距离信息；
步骤S106：对面阵激光雷达获取的目标灰度图像进行处理，计算出目标的深度信息。
在其中一些具体实施例中，在步骤S101中还包括：通过建立时域和空域的激光脉冲数学模型来描述激光在空间内的传播情况，其中，在t时刻发射的激光脉冲模型P lau 根据下式确定：
Figure SMS_1
；
式中，P 0是激光脉冲的峰值功率，
Figure SMS_2
为激光光束的标准偏差。
在其中一些具体实施例中，在步骤S102中，衰减系数包括第一衰减系数和第二衰减系数，第一衰减系数是表示由于空气分子的吸收导致的衰减，根据下式确定：
Figure SMS_3
；
式中，
Figure SMS_4
为所述第一衰减系数，
Figure SMS_5
为空气分子大气吸收系数，R为激光传播的距离；
所述第二衰减系数是表示由于空气中悬浮粒子的散射而导致的衰减，根据下式确定：
Figure SMS_6
；
式中，
Figure SMS_7
为所述第二衰减系数，
Figure SMS_8
为大气散射系数，R为激光传播的距离。
在其中一些具体实施例中，步骤S103还包括：根据第一衰减系数和第二衰减系数，通过下式确定激光单程传播透过率：
Figure SMS_9
；
式中，
Figure SMS_10
为激光的单程传播透过率。
在其中一些具体实施例中，在步骤S103中，目标接收的激光强度根据下式确定：
Figure SMS_11
；
其中，
Figure SMS_12
；
式中，P lau 为激光脉冲模型，
Figure SMS_13
为激光单程传播透过率，R 1为目标与激光光源之间的距离，l为激光光源的光束宽度，S为激光照射在目标表面的面积。
在其中一些具体实施例中，在步骤S104中，激光经过目标散射到探测器装有的光学系统上的光强I rec 根据下式确定：
Figure SMS_14
；
其中，
Figure SMS_15
；
式中，I tar 为所述目标接收的激光强度，Ω tar 为激光散射立体角，P ref 为激光照射到目标的反射功率，R为激光传播的距离，
Figure SMS_16
为目标表面的材料反射率，S为激光照射在目标表面的面积。
在其中一些具体实施例中，在步骤S104中，激光经过目标散射到探测器装有的光学系统上的接收功率P rec 根据下式确定：
Figure SMS_17
。
在其中一些具体实施例中，在步骤S104中还包括：根据激光经过目标散射到探测器装有的光学系统上的光强I rec 和接收功率P rec 确定激光雷达的探测功率P det ：
Figure SMS_18
；
式中，
Figure SMS_19
为探测器的接收光学系统透过率，
Figure SMS_20
为探测器的量子效率。
在其中一些具体实施例中，在步骤S105中，探测器探测的由目标散射的回波信号能量根据下式确定：
Figure SMS_21
；
式中，R N (z)为探测器探测的距离为z处的目标能量，t为时刻，c为光在真空中的传播速度，G N (t)为探测器快门波形表达式。
为实现同一发明目的，本申请还提供了一种面阵激光雷达三维成像仿真建模系统，包括：
激光发射模块：用于对激光发射器发射的激光进行扩束、整形和匀化，以使激光均匀地照射到目标上；
激光传输模块：用于确定激光在传播过程中散射的衰减系数；
目标散射模块：用于根据衰减系数计算激光单程传播透过率，并确定目标接收的激光强度；
激光探测模块：利用探测器探测接收目标散射的激光，并确定探测器的探测光强和接收功率；
距离信息解算模块：用于根据面阵激光雷达的成像周期，确定探测器探测的由目标散射的回波信号能量，并解算目标距离信息；
数据仿真模块：用于对面阵激光雷达获取的目标灰度图像进行处理，计算出目标的深度信息。
本发明的有益效果：
本发明的面阵激光雷达三维成像仿真建模方法和系统通过对面阵激光雷达的成像过程进行理论推导，精确分析每个模块的物理过程，搭建了三维成像仿真系统，提出了面阵激光雷达建模方法，可用于目标探测、无人驾驶等激光雷达成像场景的理论研究，为实验系统的搭建辅助提供理论决策。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一种面阵激光雷达三维成像仿真建模方法一些具体实施例的流程示意图；
图2是本发明一种面阵激光雷达三维成像仿真建模方法中面阵激光雷达一个成像周期得激光脉冲时序图；
图3是本发明一种面阵激光雷达三维成像仿真建模方法中面阵激光雷达一个成像周期的快门时序图；
图4是本发明一种面阵激光雷达三维成像仿真建模方法中的激光雷达距离能量关系示意图；
图5是本发明一种面阵激光雷达三维成像仿真建模方法中的目标距离信息示意图；
图6是本发明一种面阵激光雷达三维成像仿真建模方法中的对Calipso卫星进行仿真成像结果示意图；
图7是本发明一种面阵激光雷达三维成像仿真建模方法中的面阵激光雷达获取的目标深度信息结果示意图；
图8是本发明一种面阵激光雷达三维成像仿真建模系统一些具体实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的符号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
参照图1所示，一种面阵激光雷达三维成像仿真建模方法，包括：
步骤S101：对激光发射器发射的激光进行扩束、整形和匀化，以使激光均匀地照射到目标上。
在本发明一些具体实施例中，在步骤S101中还包括：通过建立时域和空域的激光脉冲数学模型来描述激光在空间内的传播情况，其中，在t时刻发射的激光脉冲模型P lau 根据下式确定：
Figure SMS_22
；
式中，P 0是激光脉冲的峰值功率，
Figure SMS_23
为激光光束的标准偏差。
步骤S102：确定激光在传播过程中散射的衰减系数。
在本发明一些具体实施例中，在步骤S102中，衰减系数包括第一衰减系数和第二衰减系数，第一衰减系数是表示由于空气分子的吸收导致的衰减，根据下式确定：
Figure SMS_24
；
式中，
Figure SMS_25
为所述第一衰减系数，即，激光光束由于大气吸收而衰减的系数，
Figure SMS_26
为空气分子大气吸收系数，R为激光传播的距离；
所述第二衰减系数是表示由于空气中悬浮粒子的散射而导致的衰减，根据下式确定：
Figure SMS_27
；
式中，
Figure SMS_28
为所述第二衰减系数，即，激光由于大气散射而衰减的系数，
Figure SMS_29
为大气散射系数，R为激光传播的距离。
步骤S103：根据衰减系数计算激光单程传播透过率，并确定目标接收的激光强度。
在本发明一些具体实施例中，根据第一衰减系数和第二衰减系数，通过下式确定激光单程传播透过率：
Figure SMS_30
；
式中，
Figure SMS_31
为激光的单程传播透过率。
在本发明一些具体实施例中，在步骤S103中，目标接收的激光强度根据下式确定：
Figure SMS_32
；
其中，
Figure SMS_33
；
式中，P lau 为激光脉冲模型，
Figure SMS_34
为激光单程传播透过率，R 1为目标与激光光源之间的距离，l为激光光源的光束宽度，S为激光照射在目标表面的面积。
步骤S104：利用探测器探测接收目标散射的激光，并确定探测器的探测光强和接收功率。
在本发明一些具体实施例中，在步骤S104中，激光经过目标散射到探测器装有的光学系统上的光强I rec 根据下式确定：
Figure SMS_35
；
其中，
Figure SMS_36
；
式中，I tar 为所述目标接收的激光强度，Ω tar 为激光散射立体角，P ref 为激光照射到目标的反射功率，R为激光传播的距离，
Figure SMS_37
为目标表面的材料反射率，S为激光照射在目标表面的面积。
具体的，激光经过目标散射到探测器装有的光学系统上的接收功率P rec 根据下式确定：
Figure SMS_38
。
具体的，根据激光经过目标散射到探测器装有的光学系统上的光强I rec 和接收功率P rec 确定激光雷达的探测功率P det ：
Figure SMS_39
；
式中，
Figure SMS_40
为探测器的接收光学系统透过率，
Figure SMS_41
为探测器的量子效率。
步骤S105：根据面阵激光雷达的成像周期，确定探测器探测的由目标散射的回波信号能量，并解算目标距离信息。
在本发明一些具体实施例中，参照图2和图3所示，面阵激光雷达的一个成像周期为：激光器在t 0时刻向目标区域发出脉宽为τ p 的矩形激光脉冲，成像探测器快门从t 0时刻起延迟时间τ Delay，N 后开启并成像，快门时间为τ g ，得到一张二维强度图像，即一张距离切片图像，图2为一个成像周期的激光脉冲的时序图，图3为一个成像周期的快门的时序图。
具体的，探测器探测的由目标散射的回波信号能量根据下式确定：
Figure SMS_42
；
式中，R N (z)为探测器探测的距离为z处的目标能量，t为时刻，c为光在真空中的传播速度，G N (t)为探测器快门波形表达式，其中，当快门打开时，G N (t)=1。
具体的，参照图4和图5所示，当目标距离z发生变化时，接收的回波能量R N (z)随之改变，从而建立了回波能量R N (z)与目标距离z的关系，称为激光雷达距离能量关系。图4中
Figure SMS_43
为成像的距离深度，z0,N为第N次成像的基础距离，信号能量与图像灰度值成正比，并且由图4可以看出，灰度值与目标距离z不是一一对应的关系，因此，需要两张图像的重叠区域共同求解目标距离信息，即，图5中的阴影部分的区域求解目标距离信息。
步骤S106：对面阵激光雷达获取的目标灰度图像进行处理，计算出目标的深度信息。
在本发明一些具体实施例中，对Calipso卫星进行仿真成像，设激光光源波长λ=860nm，激光雷达距离目标5km，成像结果参照图6所示。
具体的，参照图7所示，将面阵激光雷达获取的目标灰度图像进行处理，计算出目标的深度信息。
为实现同一发明目的，参照图8所示，本发明还提供了一种面阵激光雷达三维成像仿真建模系统，包括：
激光发射模块100：用于对激光发射器发射的激光进行扩束、整形和匀化，以使激光均匀地照射到目标上；
激光传输模块200：用于确定激光在传播过程中散射的衰减系数；
目标散射模块300：用于根据衰减系数计算激光单程传播透过率，并确定目标接收的激光强度；
激光探测模块400：用于利用探测器探测接收目标散射的激光，并确定探测器的探测光强和接收功率；
距离信息解算模块500：用于根据面阵激光雷达的成像周期，确定探测器探测的由目标散射的回波信号能量，并解算目标距离信息；
数据仿真模块600：用于对面阵激光雷达获取的目标灰度图像进行处理，计算出目标的深度信息。
本发明的面阵激光雷达三维成像仿真建模方法和系统通过对面阵激光雷达的成像过程进行理论推导，精确分析每个模块的物理过程，搭建了三维成像仿真系统，提出了面阵激光雷达建模方法，可用于目标探测、无人驾驶等激光雷达成像场景的理论研究，为实验系统的搭建辅助提供理论决策。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、“一个具体实施例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不驱使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种面阵激光雷达三维成像仿真建模方法，其特征在于，包括：
步骤S101：对激光发射器发射的激光进行扩束、整形和匀化，以使所述激光均匀地照射到目标上；
步骤S102：确定所述激光在传播过程中散射的衰减系数；
步骤S103：根据所述衰减系数计算激光单程传播透过率，并确定所述目标接收的激光强度；
步骤S104：利用探测器探测接收所述目标散射的激光，并确定所述探测器的探测光强和接收功率；
步骤S105：根据面阵激光雷达的成像周期，确定所述探测器探测的由所述目标散射的回波信号能量，并解算目标距离信息；
步骤S106：对所述面阵激光雷达获取的目标灰度图像进行处理，计算出所述目标的深度信息。
2.根据权利要求1所述的面阵激光雷达三维成像仿真建模方法，其特征在于，所述步骤S101中还包括：通过建立时域和空域的激光脉冲数学模型来描述激光在空间内的传播情况，其中，在t时刻发射的激光脉冲模型P lau 根据下式确定：
Figure QLYQS_1
；
式中，P 0是激光脉冲的峰值功率，
Figure QLYQS_2
为激光光束的标准偏差。
3.根据权利要求1所述的面阵激光雷达三维成像仿真建模方法，其特征在于，在步骤S102中，所述衰减系数包括第一衰减系数和第二衰减系数，所述第一衰减系数是表示由于空气分子的吸收导致的衰减，根据下式确定：
Figure QLYQS_3
；
式中，
Figure QLYQS_4
为所述第一衰减系数，
Figure QLYQS_5
为空气分子大气吸收系数，R为激光传播的距离；
所述第二衰减系数是表示由于空气中悬浮粒子的散射而导致的衰减，根据下式确定：
Figure QLYQS_6
；
式中，
Figure QLYQS_7
为所述第二衰减系数，
Figure QLYQS_8
为大气散射系数，R为激光传播的距离。
4.据权利要求3所述的面阵激光雷达三维成像仿真建模方法，其特征在于，所述步骤S103还包括：根据所述第一衰减系数和第二衰减系数，通过下式确定激光单程传播透过率：
Figure QLYQS_9
；
式中，
Figure QLYQS_10
为激光单程传播透过率。
5.根据权利要求2所述的面阵激光雷达三维成像仿真建模方法，其特征在于，在步骤S103中，所述目标接收的激光强度根据下式确定：
Figure QLYQS_11
；
其中，
Figure QLYQS_12
；
式中，P lau 为激光脉冲模型，
Figure QLYQS_13
为激光单程传播透过率，R 1为目标与激光光源之间的距离，l为激光光源的光束宽度，S为激光照射在目标表面的面积。
6.根据权利要求4所述的面阵激光雷达三维成像仿真建模方法，其特征在于，在步骤S104中，所述激光经过所述目标散射到所述探测器上的光强I rec 根据下式确定：
Figure QLYQS_14
；
其中，
Figure QLYQS_15
；
式中，I tar 为所述目标接收的激光强度，Ω tar 为激光散射立体角，P ref 为激光照射到目标的反射功率，R为激光传播的距离，
Figure QLYQS_16
为目标表面的材料反射率，S为激光照射在目标表面的面积。
7.根据权利要求6所述的面阵激光雷达三维成像仿真建模方法，其特征在于，在步骤S104中，所述激光经过所述目标散射到所述探测器上的接收功率P rec 根据下式确定：
Figure QLYQS_17
。
8.根据权利要求7所述的面阵激光雷达三维成像仿真建模方法，其特征在于，在步骤S104中还包括：根据所述激光经过所述目标散射到所述探测器上的光强I rec 和接收功率P rec 确定激光雷达的探测功率P det ：
Figure QLYQS_18
；
式中，
Figure QLYQS_19
为探测器的接收光学系统透过率，
Figure QLYQS_20
为探测器的量子效率。
9.根据权利要求8所述的面阵激光雷达三维成像仿真建模方法，其特征在于，在步骤S105中，所述探测器探测的由所述目标散射的回波信号能量根据下式确定：
Figure QLYQS_21
；
式中，R N (z)为探测器探测的距离为z处的目标能量，t为时刻，c为光在真空中的传播速度，G N (t)为探测器快门波形表达式。
10.一种面阵激光雷达三维成像仿真建模系统，其特征在于，包括：
激光发射模块：用于对激光发射器发射的激光进行扩束、整形和匀化，以使所述激光均匀地照射到目标上；
激光传输模块：用于确定所述激光在传播过程中散射的衰减系数；
目标散射模块：用于根据所述衰减系数计算激光单程传播透过率，并确定所述目标接收的激光强度；
激光探测模块：用于利用所述探测器探测接收所述目标散射的激光，并确定所述探测器的探测光强和接收功率；
距离信息解算模块：用于根据面阵激光雷达的成像周期，确定所述探测器探测的由所述目标散射的回波信号能量，并解算目标距离信息；
数据仿真模块：用于对面阵激光雷达获取的目标灰度图像进行处理，计算出目标的深度信息。
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