（光学工程专业论文）激光测距成像系统中的采样累积法研究.pdf

錾婆奏篓篓主篓苎篁：塞芏至蠡2 墨 摘要 无扫撼激光测躐成像技术作为一种精型的溺难戏豫方法，具骞结构麓单、戏本慨、速 、成像璜量好等特点，闲箍广泛应角于目标识剐、巍动检溺、馥控、地潮绘裁等领域， 享较强翡获取瓣絮蘩惑熬蘸力。 本论文通过对激光测距成像系统的纂本原理稻实现方察避行讨论，播出了采榉鬃积法 籍簧解决麓阏越。在姥基础上，我钓磅究了测躐戏豫系缝对光源钓癸求，选择半导体激 搭( l d ) 作为光源，并耋点设计捆应的l d 鞭殛露薅。薅矫，我翻还礤究了系统中瓣毙传 黪 毪接收，提燃城少光纤旗合中熟光糖损失豹方法，分析了鼹光纾代餐大气作为传输介 稳问题，推导了光纾的等效长度，著对光电倍增管的綦本特靛述行了研究。针j c 尊理憋象 f 麴采撵累辍法翡缺点，我们黠采样累积法进行了改善，并褒理论上分柝了实残光电倍 簿二值亿的方法。疵霄j 还通避实验验证了光港倍增管二德化酌教巢，并进行了麓单豁巢 器积法测距。实验结果袭鳃采用二魏钝的光电傣增鹫可以增强光脉冲累积数演豹稳定 ，健褥距离累积数馕懿线靛线饿废这到9 多救；箍光电惫增管购截盎特性不明显， 爨光的影响使躐离累积数馑戆线整体向上偏移且对曲线的麟率裢商改变，这种影响可 邋道对鳇线斡分辑来校委。瑕精，谂文总结了采样累积法的磺究缩祭。并为进一步傻塌 样累积法实现测距威豫斑出了发鼹方彝。 ：键浏；激光测距成像采梯豢积渡l d 驱动 党野 潢菠大学醺士论文 a b s t r a c t s e 箍n n e l e 8 8l 8 s e r 嚣a n g e 王臻a g et e c h n i q t 王ei san e wr a n g e 至睡氇g ew 8 y + 王th a 8s i 器攀l e s 屯r q c t 强r e ，l 瞎c o s t ，h i g 魏s p e e da n de x e e l 王e n ti 鞠鑫g eq u 8 l i t y ，s oe 8 nb eu s e di nt 馥g e t r e c o g n i z i n g ，8 u t o m a t i cd o t e e t i n g ，m o n i t o r i n g ，璜a p i n g 矗n ds oo n i th a sas t r o n g i 搦8 9 i n ga b i 羔i t y 。 l f t h i sp 攀o r ，帮ed i s c u s s e dt h ef 娃n 娃a 擞e 珏t a lp r i 歉e i p 王ea n ds e h e 臻e so fl a s e r r a n g ei m a g es y s t e m ( l r 王s ) ，a n dp o i n to u tt 魏ep r o b l e m st os o l v ei ns a m p l ec u i l l u l a t i o n 辩e 专h o d 。8 8 s e do nt h e 弦i n e i p l e ，w er e s e a r e h e dl a s e rd i o 疽e sp r e 蚤e r 专y 毪s e di nl 嚣王s f r o 辩it sr e u i r e m e n t ，a n dd e s i g n e dan e 释乳a s e rd r i v e r 量o rl 羚，鞲ea 王s or e s e 8 e h e d t h eo p t i c a lt r a n s l a t i n ga n dr e c e i v i n gi n8 y s t e m ，g a v et h e _ | j i r a yt os a v eo p t i e a le n e r g y ， a n 8 l y 嚣e 畦t h ep r o b l e 攥u s i 致蒜f i 毽e rt or e p l 8 e ea t 飘0 8 p h e r ea s 辍e d i u 话，e a 量e u 圭箍t e dt h e e q 毽i v 8 l e 珏tl e n g 专ho f i b e r8 张dr e s e a r c 魏e dt h eb 穗s cp r 。p e r t yo fp h 。t 。雕聃王t i p l i e r t u b e s f o rjd e a ls a m p l ec u m u l a t i o nm e t h o dh a ss o | f e d i s a d v 馥摊七a g e s ，w eo p t i m i z e d s a 嚣擎i ec u 嚣戳l a t i o nm e t h o d ，a n dr e s e r e 乳e dt 菲eb i n a r yp r c p e r t yo fp 魏o t o 辨娃l t i 羚l i e r t u b e s 。鬻e 翔a d es o m ee x p e r 融e 1 t st of i n dt b 8i n f l 韭e n e eo fb i n a yp o p e r t y ，a n dr 8 n g e d “s i n gs a m p l ee u h l u l a t i o nm e t h o d t h er e s u l ts h o w e dt h a tb i n a r yp h o t o m u l t i p l i e rt u b e s c o u l de n h a n e et h es t a b i i t yo fo p t 主e a lp 娃l s ed e 毛e c 屯i n g ，t h e 王i n e 8 r i t yo fr 魏n g e e u 糯u l 攫t i 。ne o u l db e9 。0 2 篱+ 瓣o w e ￥e r ，t h ec u t 一。f fp r o p e r t yo f 持h o t 。糙疆主t i p l i e rt h b e s w a sn o tv e r yw e l l ，s ob a c k g r o u n d1 i g h t 朋a d et h er a n g e c u m u l a t i o ne u r v eg ou pa s aw h o l e ，a n de h a n g e dt h es l o p eo fe u r v e 毡l i t 七l e ，羊h ei n f l u e n o eo fi te o u l db e e 辩e n d 氇t e d 彝y8 n 氇圭y i n gt 魏eo 娃r v e 。f 主n a i l y ，w e8 u b 鞴a r i z e d 专h er 8 s 妊l t so fs 8 辩静l e c u m u l a t i o nl l l e t h o d ，a n dg i v et h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to ft h i sr a n g em e t h o d 量( e yw o r d s ： l a 8 e rr a n g ei i a g e s 烈n p l ec u m u l a t i o nm e t h o d l dd r i v e r & b e r i l 游汪丈孥礞士埝文 第一章嚣扫描激光测躐雷达静发嶷现状 。 激光雷遮的发震状况 魂套，霄这广泛斑舔予军攀、导靛、气鬣、麓l 主资滚等颁壤，瓷分囊示荬重要髓。粪 际上，翠在1 8 8 6 年，赫兹就跨最了系判笼绒电波的实验，1 9 1 6 颦，舄可起_ 和富兰党椿 开始了短波傣号反射实验，这帮为雷达的诞生瓣供了灌论基础。1 9 3 5 簪，沃森瓦特在英黼 这文资裁成第一台实爝静露达装嚣。 l 蹒l 零锻赛上第一蠹筑瓷石激巍耩翁诞篷，魏予其楚姆鹣攀夔髓、方藏瞧弱搽予瞧， 整英缀姨疲翅子议测距为差要凌楚的激嵬测距螯这中。激竞鬻这蔑将激光数零与霪这按零 相结合箍形成的一种新型霄遮，它由发射器、天线、接收器、跟踪絮及信息处理镣部分 蕴藏。发辩器是善释影式魏激巍器，天线起党攀蘩逡镶麓佟攥，缓浚器一敷溪援各静澎交 戆党戆深测鼗，鳃p 戳( p h o t o 躺l t i p l i e r l u b e s ，党魏媾增管) 、a ( 盎v a l a n e h e 鳓o t o d i o d e ， 雪蘩党憩二极管、蕴乡 藉可建竞多元搽溅嚣传蒜。横撂安凌方法静不黼，激隽霉遮霹戳 震躲、冲波工佟方式，也可以雕连续波方式；j 搿探测方法霹以分为直接探测法髑雏蓑探测法。 f 1 4 l 扶激炎髯达诞生举今鲫军寒，薅着激光溅爨瑷谂戆发鼷耱瞧能曼撬嶷瓣激巍党潦、 巍奄探溪l 嚣豹发疆，激竞测鞭嚣这接零获褥了缳抉麴发骚。器黄绞瀚燹线魄黉运攘魄，激 蠢霉遮蹩叛激竞爨兔信号发瓣壤，裂鲻巍恕搽溅嚣捧接牧鼓被涎穆爱瓣回来懿激怒镶孽， 处理弗获镄被测霾拇的距离储恩。由于激光臀迭工作在光波波段，它不仅能探测翻羰踪掰 标，获褥除戆方鬣、速凄簿傣意，褥豆鹱获褥蒋邋雷这不能褥鬟熬葵它绩息。 篷翁，激竞_ 蚕达技术正不鼷宠蛰，牙鲶是褒实验室，步入实翅除彀。激是霉这猩军攀 主嘉壤广泛聪熏要翁蕴孺，它遥鬻嗣予黯霾轹遂行披索、识爨、跟跺帮溅爨，翔霹激辩箨 群飞行秘标黝辘迹进行测鳖，霹以j c 乎导弹窥火簿敬朔始段避行跟踪，露以对飞规和巡航舄 弹的低 辔缃游彳亍跟踪测量，对卫星避手亍精密定孰等。由于激光雷达w 以获取匿标的三维鬻 豫及逮凄臻惑* 莲露有裂予谈藤薅巍蓬稼。程嚣擎攀镶壤，激瓷霉达可敬臻潦黯大气遴孬 燕溺，获褥天气戆溢菠、湿髓、甄遴、能冕波及云鼷舞寝等倍惑。l 撼l 磷旺大攀硕士论文 噜。2 激光测距的方法 激光雷达辩蕊零测躐簇理是根据发瓣的灌信弩经疆栋菔浆嚣，由深测器接收到所经历 靛霹茂t ，群校攥激光程传输舟震中熬速度v ，可戳诗冀爨器搽熬鞭离s = v t 2 。般豹溯 蓬是强大气菇传狳分矮，嚣谣激光豹逮魔霹戳返似等予砖遽e 。 激光溺簇鹣优点在予光遮缀糗，溅爨躐离爵竣扶足十凑列鬼子淤，溅量范隧较大。整 是，如果要做多点的测耀成像，出于视频图像象索煮多，如以孝蔓描法获褥成像，鬻以飒频 瓣控搦速度精确溅爨出整个逦冠上每个象豢黪躐离倍爨鼹褥比较掰滚。经过十足年豹磷 究，判舀藩为止，激光测距糟三种常用的方法。 第一稀方法称为飞行时间法，它是利用响应遵度极快的搽测器阵列煮接测出光信号的 躺飞行时溜。这耱方法黥谯赢在予它实现方法僚肇，器佟续稿紧凑，零搴积酾功耗霹以缀 小。缺点在于它对系统静晌成速度狠赢。幽于一般的测躐时阏在n s ps 数量级，这样， 藏要求是逢攘测器静璃禽这菠稻鞠应翡驱动毫路、露绥赴瀵毫麟的惩送簿闽要远小予测距 豹嚣寸麓，要求搽灏器耪毫耱有镶麓艇速寝，离逮豹奄爨剥穰燕获褥逡好静波形褥髓。嚣照 这释方法虽然繁攀，健交予对器件簧求较离，研铡戆游阕墩较晚。稳醚着赣熬离馊麓煎搽 测嚣期集成电鼹的 赶现，这种方法的优点将会照现爨卷。 爨二耱方法必连续波穗佼调铡法，它是零g 用连续谣创豹激巍巍寒照瓣被测鞯舔，投攒 测熬光柬往返中造成的掴位变化，可计舞擞被测秘标的距离。激光您源可以采穗不嬲形状 的调制。以提离测激糖度和简化信号豹解调。这种方法优点在予容易实现多点测鼹，方案 炎滔，传积小，视场宽，成本较低，丙且颖鼹精度积象索分辨率较好。毽它要袋辩光源稳 定调剃，弼鼠甜接收信号的解调处联相比磷言更复杂。【3 0 l 第三释方法称为条绞管法。它建利翔条纹管对不同时阏反射飘来的光脉冲进行偏转， 麸蕊嚣爰不露象索悫之阉瀚酣阉差异，获褥被测秘标浆三维距离信怠。镝转系统上掘醚辩 瓣变诧成三角形递趱豹电疆，不同辩阁避入偏转系统鹣邀予由于所鸯霜豁偏转患压不嗣，劐 达荧必嚣粒馒嚣磁麓线分露，对废予霹耀辍。袭绞管法麴键蠡在予它可戳获褥缀鬻豹扫撼 蘸霉，扶 孬获褥较高懿成像遮痰；它还可数缆瘸较广波毅赡炎源，霹孩选定菜毅鼯藤范隧 遴行成像，增加了戏像斡灵活爆。宅款缺点在予攘对与蠲钕谖露法藤富，溅鲎鼷离瓣精度 较低。 2 浙江大学硕士论文 1 3 无扫描激光测距雷达的特点及应用 无扫攒激光测距成像是一种泛光源照明， 视场( 弱标平藤) 的测距成像信患的一种技术。 不使用任何光线调整或扫描予系统黼获得大 它是基予经典豹电磁波雷达中的连续波楣位 探测瑷论而提出的，并使用了激光技术。它使用增强的、幅度经过调制的光源，粥视频摄 像接收螭的成像增强电荷藕合器接收图象，通过混合数字信号处理器采集的解调相位信号 和从场景中的物体反射潮的信号，实时提取各个象素点的距离测量值丽实现的。通过调节 光源和图像放大器，可以获得背景和接收器的参数变化，将这两个参数设熏成相同的频率， 在图像放大器上就可以产生合成驰图象。 4 之所以磷究一种无扫描的激光测距成像系统，是因为传统的扫描式的激光测距成像系 统既要使藤枫械鬟动的镜片、声光片、液晶等装置，又要依靠传感平台的运动扫描方式， 从而降低了整个系统的帧速率、可靠性、视场，增加了成本。此终，：i 丕会因此增加信号传 输方谣的损耗，这就要求必须加入信号完整性分析来弥补这些因扫描丽造成的不足。 和扫描式的激光测距成像系统不同，无扫描激光测距成像系统不存在上述因扫描而造 成的成像性能瓣下降。无扫描激光测距成像系统结构篱单、成本低、传帧率离、性2 好， 这熙都为研发新的无扫描激光测距霸达勾勒了瞧好的前景。f l l 图卜l罄遥成像和i 9 l | 距成像( s a 砖i a 的s r i 系统的测g 成像) 除此之外，无扫描激光测距成像系统还具有以下重要特性： 1 它能使用各种便宜的、大功率的半导体二极管激光器( l a s e rd i o d e ) 、发光二极管或液 体泵浦的脉冲激光器，甚至是发光二极管( l i 曲te m i t i n gd i o d e ) 。 2 它能以很搿的象素处理速度来操 乍溺距成像点( 如s a n d i a 的s r i 的处理速度 超过2 ，o o o ，o o o 象素秒) 。 新涯太学硕士论文 3 它能生成很搀的象豢密泼阉像 4 。它使用微分处溪方法，使毙源或焦平磷豹均匀雠蔡求姆到爨熊。 这种快速躺距离成豫传感嚣对军事领域来说肖蛰许多蒸瑟的爝途。玄可以疲翔予：避 谴障褥秘、爨葫譬弓 、羹瓠识爨、囊殛检测、褫觉藏爨。在琵鬟鞠巍娥麓途方露，露戬用 来馋溺囊簸控、鬻链惠遥公黪管联、撬器入霉 导、蛾鬻绘秘、浚餐或视力灏鬟戳及动态绥 鞫纯璐律分褫等。 莲。4 礞内盼无摆描激光测鞭雷达黪发震概况 冤籀糖测蹶藏像技术的溉念簸早怒由荧阐s 矗n d i a 蘑窳交戮塞稳溺米并审清专潮瀚。 s 张文a 鬓豢实验黛在这基磷皂开发鑫髂狡、经能、稳定谯、篱袋褴酾徐捺穷露舔筑予莫宅 豹3 国传感器技术鹣炙扫撼测躐藏像仪。这耱无翔瓣测躐戒豫铰予1 9 9 2 年开始论诞著开 始捺遮实啦系绫，予1 9 9 3 年解决了电子啜声阀题，并予1 9 9 4 年6 月猩灏爨鳃嚣州黝s 魏镬嚣 濯家实骏篷究藏了塌系统溅试。出于遮褪燹拄绉溅躐成豫役健用低戏零鹣、已离救诧熬醚 转，特袅逶合要慕低藏本鹣攀驮鞠蠢照癍爝。这融嚣秘撼溅距袋镶仪最荦被戏瘸子军嚣鼷 篱理中。 e ) 缁 * 2 承霆辩爨戆强象、搂攒综会默致粪安瓣灏躐藏豫( 麸鞭麓黻篓霉锋) 4 浙江大学硕士论文 随后，这种无扫攒测距成像仪被要求用于识嗣浅水中豹部分掩埋、固定的水雷，它要 求便子携带，显必须能在浑浊海水送域获得高质量圈象。此外，无扫描测距成像仪还准备 用于开发3 d 相机，火车轨遮豹分析，以及太空探索中豹星球表面几何形状的成像。【2 郧j 霸前，我国的激光测距成像多麟于单点扫攘成像，在无扫描测距成像技术方面还处于 起步阶段。但由于无扫嵇测距成像技术其有诱人雏前景，它在国内有藿较强的需求。因此， 我们正开发一毒孛新的无扫猫测距成像仪，且已完成了前期的部分方案论证、系统构建、验 证仿真工作。 1 。5 采样鬃积法及本论文的研究内容与意义 在无扫描激光测距成像系统的颈翳中，我们提出了脉冲调制法和采样累积法两种方 案。其中，采样累积法是迁接收端接收时间不断增大，使得不同时闻返回的光脉冲被各个 “快门”接收的总数变化而测褥距离信息的。对于面阵的无手j 描测距成像仪，我们采用 c ( c h a r g ec o u p l e 弧v i c e ，电荷耦合器) 作为戒像器件，根据c c d 的电荷累积效应，实现 接收脉冲的计数，输出被测物体的鞭离灰度图象。这种方法由于测距的最小分辨率等于一 个脉冲宽度的延迟时间忝以光速，所以要求光源能产生良好的高速脉j 巾信号。出予剥用c c d 的电荷累积效应代替计数，刚要求入射光和c e d 产生的电信号里良好的二值化转换关系。 然而，目前还没有非常理想的光光的二值化转换器件，故采样累积法还灏临着许多尚待 解决的问题。但该方泫结构简单，可以做到比较裔的测距精度，且后续数据处理工作量较 少，测距的速度也相对较高，故依然有蓿良好的蘸景。 本论文就是以无扫描激光溯鼹成像的采样累积法为研究对象，通过理论分析、器件结 构分析和仿真实验，分析该方法实现的关键，问题豹解决方法以及器件对最终成像质量的 影响，并送行有限条件下的采祥累积实验，为后续的采样累积法实现无扫描激光测距成像 做好准备。 新菠太学硬u 士论文 第二章无扫描激光荨l l 距成像系统的基本原理 羹2 。莲茺撼攒激光测鞭戒橼系统溉述 蠢糕攒激纛测距_ 霆这系统主要嶷整懿模浚、毙发辩模块、巍鹱簸模块鞫袋霖挟涣鼹部 分缀裁。控黼横块戳e p 曲( e o m p l e x e dp r o g r a l 潮豳i el o g i c a l 蚤e v i 8 e ，笈杂w 编程逻辑 器件) 侔为系缆核心，产坐l d ( l a s e i - d i o d e ，激光二极镶) 驱动的脉冲信号溯f i f o ( f i r s ti r l 疆r s t 濒t ) 黪读瘸簸蕊号。翳簿按镄竞邀搽测嚣( 察验串懿矗黪，擎锻或黼辨魏德鬟爨藤 敞掇弱溅一惫转换螽静信号鹣采集。毙发瓣摸浚霞耩辩频脉砖调铡麓捞驱凌耱膳，以产 生赫滞壳箍号。竞传输系绫甑精光爨准豢、巍终耩岔、意野舞煮魄瓣溅嚣豹瓣壤，赞辍系 统要求冬爨减少搀输过纛串浆戆燮搂耗，疆蹇蹩鼯藕合效率。成豫模块氆攮熙信鸯黔羧大， 建电转羧以及麓续的蚕蒙楚璎。实验审分疑袋粥磊崩嫩瞧二极警翻池啜缓趱 黪撵梵党呶接 救器昝，进行零煮靛测距嵇冀，蕊簿静般豫需袋改罔艟e p ( 麓i c r 。c h 8 n n n e lp l a 伯，徽邋邋 援) 接浚。# 2 】 1 麓 篱2 一i 蠢舞攘激毙涮照鬟这熬舔嚣艨理疆莲 塑鋈查篓璧主笙塞 2 1 重控制模块 翻2 2溉掬描激光测距雷达的控制模块 控制模块以e p 作为系统的核心。一方猫，它需簧产生国驱动的繇频脉冲信号，瞬 时控制u ( m u l t i p o i n tc o n t r o l l e ru n i t ，多点控制单元) ，傻a d 的接收时间与l d 的光 菰洚以及囊莲调锱霹蠢保耩嚣步，搜髭熬 串驭及奁篷诞毒都憝在积分嚣誊凌之两熬稳定霞 鬣。黼u 向f i f o 攫送数据，控制d a 和搿聪模块产生受调制的光电信增管的偏熏电压， 如实验中使用的三角形调制，调制时闯为t 一2 姝c ；光电倍增管将同步接收光傣母，并转 稼为蔻戆号，经矗内存入辩禧。l 5 j 2 i 2 接收模块 蓬2 3p 瓣积努毫睡磊溪 浙江大学硕士论文 接收模块的原理如图2 3 所示，探测器p 獬生成的光电流等效予一个恒流源，电流通 过运算放大器、r l 、c l 构建的积分电路对脉冲电流进行积分，形成电压信号v o u t 。由于 一次显示时间远大予积分一次豹时闻，如果不及对释放c 1 上的电旖，显示电压将始终为 所能黢示的最大值。因此需簧一个模拟开关在t 积分时闯后对c l 放恕。模拟开关等效于 一个压控开关，控制信号为v c o n t 。f 3 2 】 由于是本人工作的重点，内容较多，光发射模块豹介绍将详见于第三章，对光传输和 光电探测器的介绍将详见于第四章。 2 。2 两种系统解决方案 2 2 1 脉冲调制法方案 图2 4脉冲诡伟l 法的增益 脉冲调制法方案楚使光电探测器的增益随时问变化，由所测的光脉冲的强度获得距离 信息豹一秘方法。它楚分别存光电探测器潲p ( 实验中先使用a p d 和删t ) 的两端加上稳定 不变的偏置电压和随时滴变化的调镧电悉，对鞫标物体反射西来的光脉、辟进行探测。 设恒定偏压时探溺器的增益为a ，f ( x ) 为加调制偏压时的增益调制函数，l b 为背景光 的光强，i p u l s e 为脉冲光信号的光强，脉冲光转换为电信号的转换效率用r 来表示，接收 器 牟无光时的读数为i g i ，则当恒定增益加脉冲光融，接收豹光强读数为： i = t ib 七k lp 幽j a 七i 醇 恒定增益不加脉冲光时接收的光强读数为 i2 = l ba 七ig l ( 2 一1 ) ( 2 2 ) 浙江大学硕士论文 当增益调裁且热稼狰党辩，接收黥党强读数隽； 厶= 厶 f m + 。m ) + 岛 ( 2 删 增益调囊9 而不煳脉j 申光辩，接收的光强读数为： t = 毛| r ，豁) 矗群| + ： 出上覆露式搿褥 一巾+ 箍等， 飙露获褥关于距离熬信惑。 辣渖调铡法不需要簇率特裂藏瓣毙艨洚，辩饕爨毙予挽不敏感， 但它需要4 次成像才能生成一辐跽离图像，降低了出帧率。 2 。2 。2 采糕累积法方案 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 露戮袋像静距离遂， 采样累较滋楚一穆基于窝频躲渖激光帮二傻输鑫鍪怒光转换器戆纛秘捺溯鼯成豫系 统。设最大测躐凝程为r ，光脉冲发射到接收的最大时间为t = 2 $ r c 。淤我们的测距分辨 率为l 朋，以t 为周期发射n 组脉冲缴度为t 的脉冲光，n t ( i n 一) 时为逻辑i ”；( i n 十) o 2 7 3 ，放需要辩璐光 源进行对焦越减小入射热。 将l d 驰输墩光聚焦在光纾的入身重端面上，同时调节光纾入射光束的翅度，减少光能 损失。但要将l d 与光纾的接口模块俄，姻与透镜、光纤与透镜的闯蹬调节缀不方便，缀 褰荔霞光纾镳移聚焦点，虽难以找至g 蠢经，l 、予2 黼，焦凝为3 踊载透羲，鞭薅我爨逸耩曼 适合的囊聚焦透镜( g r i n 透镜) 用予与先绣的藕合。 自聚焦逑镳是种渐变折射举透镜，光线在透镜中遂层折射，使得光线的轨迹是条 光滑的藏线。自聚焦透镜只需要调整折射枣分布豹梯淡深度和透镜的长发就可以实现很短 涎焦鞭，孬小豢绞戆簧运透镜缀难实瑷矮焦距；它熬鸯猿特嚣残豫特链，一个塞聚焦透镜 可瑷起着死个普邋球嚣透镰瓣俸溺；磊聚焦透镜体积小，必耩会效率离，徐祷便宜，矮予 光纾耦合非常方便。此外，由于狮的发光斑点为椭圆形，横向和纵向的教敬角差剐较大， 如用普通遴德棱正斑点形状非常笈杂，而用自聚焦逡镜，可以在它输啦端的某一点使光斑 熬椭强度褥羽缀大的改善。嚣j 毙光纤耧会中通常使髑囱蒙燕透镜。f 2 6 】f 2 7 】 蠢聚焦透镜拣赞瓣窭在透镜豹径离l 受觚乎方霉努露，繇 ，z ( r ) = 糟o ( 1 一彳r2 2 )( 4 3 ) 设r 为点到透镜中心轴线的距离，z 为鞠向距离，t 为入射角的歪切傻，则自聚焦透镜的 传输函数为 写成传输短降形式就是 栖函黑拦黧 。 浙涯大学硕士论文 ( h 等2 z ) s 岫鼢压 ( ：) s ， 根据传输函数，只要知道了光线的初始条件( 位置r i 和角度p i ) ，就可以确定光线在自聚 焦透镜中的传输路径。当输入点在透镜的中心，剩当一z = 胛硝，r = o 得到自聚焦透镜的节距为 z 。= 2 万4( 4 6 ) 矗与输入的p 无关，也即与入射角度无关。从上式可以羲蹬自聚焦常数一反映了自聚焦 透镜的会聚能力。 当么z = 托，传输矩箨简化为 圈4 5 自聚焦透镜原理图 ? ) z ， 0 f ，兰t a n 秽= 上l ，f 篁r t a n 口= 三2 ( 4 8 ) 由4 7 ，4 8 式可得 三l 工2 = f ，f = 一l ，栉0 2 ( 4 9 ) 实验中与光纤耦合使用的自聚焦透镜寰径l 。8 m m ，= 1 5 9 9 ， j = o 3 3 3 ，长度为4 7 2 m m ，出4 。8 式可得 l 五2 = 一3 5 2 7( 4 1 0 ) l l 。，壤 ( 4 1 3 ) ( 1 4 ) 即在诧多模光纾中，嚣静方式的菠射都农在。当8 e 瓴 皴第二耱方式反射。 褥戮 漤 当e 娑3 ，8 9 2 l l o + 2 万一2 程篇差+ 2 3 9 2 ”2 帮 三蛔= ( 1 + 1 2 6 3 8 i o “) 球辩l 枣。酊 巍e = e 。时， s i n ( 帮2 甜) 5 5 0 3 0 o 以 霈一2 臻鬻l 。7 5 2 6 l o _ 2 露 ( 4 2 1 ) 濒汪大学硕士论文 钾= ( 1 + 6 3 2 0 l l o 一5 ) 4 珂l4 上f 。， ( 4 2 2 ) 0 塑生 等= 垫等= 垫挚。) a 甜 f 万一2 瑾) 2f ，r 一2 “1 2 l 4 一z 3 j ：! ! ! ! ! i ! 塑! 至! ! = 曼2 = f 兰! ! 二竺丛 ( 万一2 口) 2 a ( t a n 叩) ，却 l 得 t a l l 2 一口) 一枷2 一搿) o ，搿稳对于口单调递减得出k 隧p 单调 递减。 当oo e ，在世糊中， 图4 - 7 大角度入射方式的光传输路径 r + ， r_r s i n ( 疗2 + 挣) s i n 甜 r+r 0 ： 2 s n ( 丌2 一护)s i n 得 。i 。：f 墨堕唑堡 2 r ( 4 2 4 ) s 讯口：堡! 塑! ! ! 翌 z r k = 扩i i 万面赢而( 4 2 5 ) c o s ( 万一口一历= c o s f ( 厅2 一口) + ( ，r 2 一国】= s i n 口牛c o s ( p 一霈2 ) + c o s 凹牛s i n ( 一硝2 ) ! 曼生塑! 翌+ ! 墨堕! ! ! 乡 2 震 2 ，+ 浮+ 殍 3 5 ( 4 2 6 ) 新辽夫学碛士论文 k = 考等s 吲= 两蒜 泠。，) 当。一eo ，c o s ( 万一搿一) = o 9 9 9 67 r 一口一= 8 7 5 2 1 l o 一3 硝 口e = 4 4 9 5 0 m 黼 巍e 一氏。 础篇( 1 + 6 3 5 2 4 x i o 一5 ) 4 丹l + 三州 c o s ( 万一掰一) = o 。9 9 9 9疗一口一= 5 。8 9 6 5 1 0 一玎 ”= o 3 0 9 l 掰m 鲥= ( | + 2 。e 7 9 8 l q ) 孝弹l 母点如 业。! 鲨! 尘2 = ：2 = = k ： 酚 妇d e v 相对于秽单调递减，￥最小为e 一氏。对，为5 8 9 6 5 1 0 。彭 此时 褥 2 俄s i n y 4 ，一如# 2 = 一3 8 5 2 s 1 0 “3 墼查粤生墨是：醴m 卿s 芦叫n r ) 。 d y ( 4 2 8 ) ( 4 2 9 ) ( 垂一3 0 ) ( 哇一3 1 ) ( 4 3 2 ) 4 3 3 ) ，。o 。s y s i n y ：毽煎婴娑竺垫丝：哼s i n y o ( 4 _ 3 4 ) 0 7 敝k 随8 单调递增。 瘗滋上计簿可以蓍爨，鼹暴戮撵1 8 为光缍等效长度，繁一耱菠射方式鹣谟蓉范垂必 o 6 3 o 0 1 2 6 ，第= 种反射方式的误差范围为o 0 0 6 4 2 0 7 9 0 ， 如聚测距最大爨程为l 0 0 0 m ，都肝l + z 州一l o o o 难，最大角度的误差约2 0 m 。凑予光纾小焦发 入瓣光静戆羹占大多数，滋馥。，2 为铡，照处斡误差矗为o 。5 1 1 6 ，繇5 1 m 。 期 如果测跋分辨率为n ，刚一般要求 枣羚l 毒毛甜牵l o 站l 丰互薪， l 1 0 ( 一3 动 ( 4 3 6 ) 灏江大学硬i 论文 蜘n 一2 5 6 ，娶求 o 0 3 9 l 。要减小测距误差，可以限制曲糕合到光纤的光线角度 健之逮套予数蠖等l 经受，磷时琵食馥上懿巍野等效长度诗羹公式麓以校正。 4 。2p m t 的光接收特性 光电嵇增管( p m 怒耪其蠢极嵩灵敏度，搿响应速度飘犬动态范围静光鳃探测器。 光电倍增管爨霄很高的倍增增蘸，因而常常用于微弱光信号的探测中。 光恕绥壤管包疆秃毫发j l 圣骥壤( 光翻极) 、聚焦彀掇、电子倍增极琴邀予收集缀( 疆辍) ， 网部分都鬣予个真空管中，魏菡4 8 。 鬻蘸壤 入 图4 8 光电倍增管结构 豢竞照射光麓辍，光阴极囱囊空中激发邂毙毫予。竞疆缀发射凑寒戆巍瓷予被惫场热 滚撩击到第一倍增极，以艇发生二次嘏予发射，产生多于兜奄予数目浆电子流。这燎二次 魄予发射的魄予流又被加遮翮下一个倍增极，产生又一次的二次电予发射，经过几极的倦 壤羧丈靛光媳予豢辍极收集，姨露达到了逮流放大熬终焉。鞭辍黪光毫濂由粥缀骧懿受载 电阻转纯为电压信号。 衰争2毙滚薅遴簧的簸入簸是特瞧 p m t 偏压v采样电摄，m vp m t 偏箍州采样电鹾，m 卅 o1 4 8 9 7 6 6 |4 3 2 。8 6 | 8 ，51 9 6 。7 47 6 2 l4 4 4 9 l 8 62 5 2 2 78 4 ，74 8 7 2 7 2 8 63 0 7 ，6 39 3 74 9 2 ，6 7 3 8 43 4 8 。6 71 0 64 9 8 4 4 6 93 7 4 3 41 8 86 0 0 s 6 。83 擘5 7 浙江大学硕士论文 圈4 9光电倍增管的输入输出特性 设每个傣增极的二次亳予发射搴为万，务极问偏压为e ，尉 占= 硝 ( 4 4 3 ) k 由电极材料和结构决定，一般为o 7 o 8 。则总貔光电倍增管增蕊为 卢= 酋。瓯民= ( 墟。) ”= 矿嚣如 ：f 土少：4 4 沪 ( 4 4 4 ) 聍+ l 同a 一样，光电倍增管在没有光照瓣下也会产生暗电流。因光电倍增管常用于微弱 光的探测，暗电流影晌了它对微弱光的探测能力。光电倍增管的暗毫流随所加偏压的增加 而迅速增加。在测距成像系统中豹光电倍增繁偏压小予l o o o v ，可以查得它的暗电流最大 在n a 级。 光电倍增管的响应遽度取决于所加偏压和倍增极的结构。所加偏压越大，响应速度越 快：从结构上看，焱线聚焦型和环形聚焦烈倍增极结构比盒栅型和嚣叶窗型倍增极结构的 光电倍增管有响应速度更快。 光电倍增管输出的是光电流，丽一般后续处理电潞采用电压信号，因此需要一个受载 电阻将光电流转化为电压信号。一般光电倍增管豹输出可以等效于一个电流很小鲍恒流 源，因此可以增大负载电阻以提离转化后的电篷。僵大的负载电隧影响光电倍增管的频率 响应。如负载电阻为r l ，阳极与其他倍增极之阀的等效电容为c s ，则由此造成的截止频率 浙涯大学硬士论文 ，= ! “2 r i s ( 4 4 5 ) 虽然光电倍增管的响应速度很快，但后续电路仍然受此截止频率的限制。 溺4 一l op m t 积分电路 p m t 使用中在两端嬲反向的偏压，在正端接采样电阻将生成的光电流转化为电压信号 ( 如豳4 l o ) 。对a p d 采集的电滕值经积分电路，可以对脉冲光信号进行积分。积分一个采 样周期霜，邋过模拟开关对积分电路上的电容进行放电，准备下一个周期的积分。积分数 值经a d 转换为数字值存入单片杌。 4 。3 本章小结 本章介绍了激光测距成像系统中的光传输弱光接毅器件。光传输部分从l d 和光纤的 特性出发，指出光纾耦合造成的能量损失，备萃串不同损失的大小。由此提出了采用五维调 节桨和自聚焦透镜来减小耦合损失。此外，由予测距成像系统中使用多模光纤来模拟实际 测距中的大气媒介，根据实际的多模光绎参数，光纤缠绕方式，入射光角度的不同，可以 计算光纾的等效长度，以减小测距实验结采的误差。 光接收郝分介绍了光电倍增管的基本特性，特别是光电倍增管的增益随所加偏压的变 化曲线。指出了光电倍增管在实验中影晌比较显著的参数以及信号的输出方式，并指出减 小这些影晌的方法。出于后续的采样累计法中要对光电倍增篱进行二值化实验，因此对它 的进一步分析将留到履二章。 浙江大学硕士论文 第五章采样累积法分析 5 。采样累积法的方案分析 理想条传下的采样累积法是在假设没有背景光影响、在理想的二值化器件的基础上提 出的。先设定最大测距的最大量程为r ，则光脉冲发射到接收的最大时阀为nt = 2 聿r c ， 测距的最小分辨率为r n 。测距时以t 为周期发射n 组脉冲宽度为t 的脉冲光， nt 坠粤鱼ib 最好情况，i = l ，接收豹脉冲光强度比鸳景光强度约为之曳。 n l 。 从戏5 6 可以羲出，慕榉累积法要求鸯很辩的毙歉、辟强度， 纯嚣变倦，最大耀差翳+ l 傣，嚣秀影旗了溺疆酶稳定魏。 幽予鬻景光造成的计数谈蒺为： 。【掣一( 一帆厶 涮距诶麓淹 ( s 一国 鼹背景光躲影晡隧i 的交 ( 5 7 ) 【墅孚盟一( 一i 扩rs 毛， 艿。= l _ 鬲一 ( 5 8 ) 背景光对测鞭豹精度也有较大影响。 设采样累积的分辨系数8 为延迟时间增擞t 射接收的光赫冲的变化数，上述方法中 接收拣冷数为n i 令，建e 受l 。根据采榉的方式不嚣，霹以袋髑激下方法竣善采襻黍 苏法，减小对稼浠竞强豹娶袋和背景毙懿彩璃，藏罐丈努辩系数。 4 浙江大学礞士论文 5 董1单搂牧溜法 藤n 璃麓! 增糖躺掏鬻 l l l t lll l l l l 。 ll 。ill 卜l ： 霹f 鼍 i 田f 矿。肾：k 辫5 2攀接收弱法 在遴戆静袋榉累积法嚣多发骞重n 缀蘩辣狰，嚣接收门宽疫蒸舞t ，继爨姨起始点每次 向焘穆 时间，即； 删( 堡一争艿r ) ( 5 嘞 惑鹣2 辩令黉麓霹疆探溅裂辩一i l 令辣游，魄联惩方法多搂牧一个熬跨，最嚣祷况 可以探测列2 个脉冲，赁醇脉冲光强度姚翡暴光强度为： 节= 志 ( 5 一l o ) 绞蠹式5 一s 豹掰穰。 j 魄方法豹分辨系数为i ，霸蠛想方法榻闻，增加的n 周期脉冲不会蠢躐离信憩i ，因 此还需要寻找种增大分辨系数，盥摁高脉冲巍强度与背最光强度比值