面阵激光雷达成像仪样机简介

“面阵激光雷达成像仪样机”是周国清教授课题组历经4 年研制的一套完整的三维激光成像仪系统，该成像仪包括激光发射系统、激光回收系统、激光探测系统、多通道并行时间间隔测量系统、数据实时处理与可视化系统。该成像仪的特点在于采用5×5 的光纤阵列耦合APDs 进行光电探测，同时量测目标面25 个点的三维坐标，能对15m 远的物体进行三维量测并实时三维成像。该样机所使用的核心元器件直接从国外进口，具有重量轻、精度高、灵活高效、抗干扰性好等优点。

第一部分：GLiDAR-II面阵激光雷达成像仪

1. GLiDAR-II 成像仪介绍

GLiDAR-II 是本课题组研制的第二代面阵激光雷达三维成像仪的简称，即GuiLin University of Technology Light Detection and Ranging-II。该成像仪(见图B-1)是在本课题组研制的第一代成像仪(见图B-2)基础上的改进产品，主要具有以下特点：

①无需扫描装置，单脉冲可瞬间获取目标5×5 个测量点的距离信息。

②可单脉冲垂直探测目标区域，降低了扫描激光雷达激光斜射目标导致高物遮挡附近低物的影响。

③可实时获取一个区域的三维图像，成像速度和效率显著提高，激光频率需求显著降低，并减少了机载平台抖动引起的水平测量误差，为低重频、高功率激光器开辟了新的应用方向。

图B-1　第二代面阵激光成像仪(GLiDAR-II)

图B-2　第一代面阵激光成像仪(GLiDAR-I)

GLiDAR-I 和GLiDAR-II 的主要指标参数如表B-1 所示。

表B-1　主要指标参数

2. GLiDAR-Ⅱ成像仪原理及组成

(1)原理框图

GLiDAR-Ⅱ面阵激光成像仪原理框图如图B-3 所示。

图B-3　GLiDAR-II 面阵激光成像仪原理框图

(2)光学系统

光学系统包括发射系统(见图B-4)和接收系统(见图B-5)，发射系统将半导体激光器发射的激光准直后泛光照射目标，接收系统将目标反射的回波光信号聚焦到25 路探测系统的探测器光敏面。其特点主要包括：

图B-4　发射光学系统

①回波光信号通过光纤阵列再耦合进入APD，有利于消除部分环境光噪声干扰。

②利用光纤的柔韧性，接收透镜和光纤耦合APD 阵列可根据需要灵活的布局，而单个APD 阵列只能固定的布局在接收透镜后端。

③阵列像素具有扩展性，利于实现更大的阵列。

图B-5　接收光学系统

(3)探测系统

探测系统(见图B-6)有能力实现光电转换，确定25 路回波信号到达接收系统的时刻，其功能主要包括：

①可实现纳瓦级的光信号探测。

②可并行探测25 路回波信号。

③完成25 路回波信号的精确时刻鉴别输出TTL 电平信号作为25 路stop 信号。

图B-6　探测系统

(4)时间间隔测量系统

时间间隔测量系统(见图B-7)有能力对面阵激光雷达所接收的25 路激光飞行时间高精度并行测量。其功能主要包括：

①可实现25 通道的时间间隔测量，测时精度达到300ps。(https://www.xing528.com)

②除用于本项目外还可用于其他脉冲式飞行时间的间隔测量。

图B-7　时间间隔测量系统

(5)数据实时处理与可视化系统

该软件系统是针对GLiDAR 成像仪开发的实时数据处理和三维可视化软件(见图B-8)，其中实时数据处理模块包含新建项目、打开历史项目、保存项目，功能包括处理多条带和单条带GLiDAR 数据、实时数据通信、三维DEM 生成、数据转换、三维绘图与可视化。另外，该软件系统还包括其他功能，如坐标变换、参数设置、系统检校等。

该软件系统能将实时获取的25 路测距信息并依据测距通道和对应POS 数据，实时生成DEM 和绘制三维图像，其功能主要包括：

①25 通道实时3D 坐标计算，DEM 数据生成、三维可视化，并实现不同帧数动态刷新显示。

②GLiDAR 数据滤波，裁剪、多带重叠区数据处理，包括内插、平滑等。

③数据查询、任意帧定位查寻等。

图B-8　数据实时处理和三维可视化软件

3. 精度评估

为了验证成像仪三维成像的准确性，我们在实验室外的走廊建立了一个简单、低成本但高精度的实验验证场(见图B-9)，并选取四个区域(见图B-10)进行了精度评估。

图B-9　实验验证场

图B-10　实验区域

表B-2　四个区域的误差分析

第二部分：32通道高精度测时仪

1. 测时仪介绍

如何并行测量多路激光回波飞行时间是APD 面阵激光雷达必须解决的关键技术之一，针对这一技术，人们必须同时解决两个问题：一是时间的高精度测量问题，因为以光速的激光飞行时间每1ns 的测量误差就会导致±15cm 的测距偏差；二是多通道并行测量问题。本课题组针对这两个问题展开研究，成功研制了32 通道测时仪(见图B-11)。

图B-11　32 通道测时仪

该测时仪采用多片8 通道皮秒级分辨率专用测时芯片结合ARM 作为控制器实现多通道高精度的时间间隔测量，该测时仪除用于本项目外还可用于其他对精度和通道数要求高的时间间隔测量，如核与粒子物理实验领域的粒子飞行时间测量。

表B-3　技术参数

2. 测时仪原理及组成

该测时仪由4 个基本测量单元和1 个数据打包单元构成(见图B-12)，每个单元都包含1 片ARM 处理器和1 片TDC 专用芯片，整个测时系统硬件形成了一个多核并行处理机，而且扩展性好，适用性强。测时仪核心电路图和硬件实物图分别如图B-13 和图B-14所示。

图B-12　测时仪硬件框图

图B-13　测时仪核心电路原理图

图B-14　测时仪硬件组成实物图

3. 精度验证

为了验证各通道的测距精度，我们在实验室进行了精度验证实验(见图B-15)。经统计分析得出所有通道距离偏差范围为-6.41cm＜ΔL≤10.58cm，各通道的距离标准偏差值如图B-16 所示，距离标准偏差最大值为4.22cm，位于ch18。

图B-15　各通道精度验证实验

图B-16　各通道距离标准偏差值