導 讀

激光雷達是一種快速獲取目標三維空間信息的主動探測技術(shù)，其廣泛應用于測繪、遙感、目標檢測、軌道檢測、導航、自動駕駛等領(lǐng)域。對于激光雷達而言，在測量不同距離的目標時，其返回的回波能量會達到非常大的動態(tài)范圍，同一目標在10m和1000m處的回波能量相差可達10000倍。此外，在高轉(zhuǎn)速掃描激光雷達中，遠距離目標還會產(chǎn)生脫靶問題，導致其最遠探測距離進一步下降。測距動態(tài)范圍直接決定著激光雷達的有效探測范圍和對復雜場景下明暗物體的同時感知能力，測距動態(tài)范圍過小，將導致激光雷達對近處反射率高的物體測量不準確，甚至產(chǎn)生盲區(qū)，從而對后續(xù)的應用造成不利的影響。

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

《光學 精密工程》2023年第21期封面

高轉(zhuǎn)速掃描激光雷達中的脫靶現(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間差，在這個時間差內(nèi)，掃描機構(gòu)已旋轉(zhuǎn)了一定角度，導致目標回波被激光雷達接收時，激光腳點與瞬時視場角中心產(chǎn)生偏移，也即回波經(jīng)接收光學系統(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，如圖2所示，人為地將探測器靶面朝著遠距離回波聚焦點進行徑向偏離，使得遠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：徑向偏離量和目標距離對收光率的影響

2、軸向偏離

對于不同距離的回波而言，遠距離回波可近似為平行光，光斑聚焦在光學系統(tǒng)焦點；近距離回波聚焦在焦點之后的位置。當離焦光斑尺寸大于探測器靶面尺寸時，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)遠距離目標的微弱回波能量被全部接收，近距離目標的強回波能量被衰減，進而提高激光雷達系統(tǒng)的測距動態(tài)范圍。

圖4：探測器軸向偏離作用原理

圖5：軸向偏離量和目標距離對收光率的影響

工程應用前景

本文分析了高轉(zhuǎn)速掃描激光雷達中的脫靶問題，提出了探測器偏離焦平面的方法，基本解決了遠距離回波脫靶問題，提高了高轉(zhuǎn)速掃描激光雷達的測距動態(tài)范圍，具有實用價值，對高轉(zhuǎn)速掃描測距激光雷達的工程設(shè)計具有一定的理論指導作用。

論文信息

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

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

團隊負責人簡介

毛慶洲，教授，博士生導師。主要從事空間智能遙感儀器，高分辨率激光雷達、動態(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。主持國家重大科學儀器開發(fā)專項項目，國家自然科學基金項目和863項目以及多項省部基金，獲得科技部國家技術(shù)發(fā)明二等獎1項，其他省部級科技獎勵一等獎10余項，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。

團隊介紹

武漢大學高分辨率激光雷達及其數(shù)據(jù)智能處理與應用團隊。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，形成了團結(jié)向上和科研氛圍濃厚的學術(shù)梯隊，涵蓋了光學、精密機械、航天工程、電子信息與測繪遙感等多學科，為學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遇。團隊緊緊圍繞高分辨率激光雷達裝置關(guān)鍵技術(shù)、高分辨率點云數(shù)據(jù)智能解譯與建模、高分辨率激光雷達集成系統(tǒng)在重大基礎(chǔ)設(shè)施測量與檢測應用等方向展開研究。激光掃描測量技術(shù)成果應用于中國鐵路18個鐵路局集團公司和北京、武漢等20余個城市地鐵，服務于“一帶一路”中巴鐵路、青藏鐵路、京張高鐵、大興機場地鐵等。拓展應用于國家速滑館建設(shè)，助力打造北京冬奧會“最快的冰”。

團隊基于高精度激光掃描相關(guān)技術(shù)積累，研制了FT系列輕小型測繪級無人機載激光雷達，并實現(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）等性能指標方面超越眾多同級產(chǎn)品，與國外同行業(yè)優(yōu)秀公司產(chǎn)品性能持平，填補了國內(nèi)高端無人機機載激光雷達的技術(shù)空白，突破了國外的技術(shù)封鎖。

“FT系列輕小型測繪級激光雷達” 具有測程遠、精度高、頻率快、穿透強、尺寸小、線數(shù)多、成本低、服務好等優(yōu)勢，可替代國外進口裝備。目前該系統(tǒng)已經(jīng)投入市場百余套，廣泛應的用到地形測繪、電力巡線、農(nóng)林調(diào)查、應急搶險等領(lǐng)域，創(chuàng)造了近億元的社會經(jīng)濟價值，特別在復雜惡劣環(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、更易維護的大眾化機載激光掃描方案。

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