激光雷达成像技术优秀PPT.ppt

航天学院航天学院激光雷达成像技术你现在浏览的是第一页，共64页 航天学院航天学院成像技术要点1.距离测量技术直接飞行时间“DirectTime-of-Flight(TOF)”连续波振幅调制的相位“Phase-BasedAM-CW”连续波振幅啁啾调制“ChirpedAM-CW“连续波频率啁啾调制“Frequencychirp(FM-CW)”2.成像方式扫描成像（X-Y扫描、线扫描、MEMS或DMD扫描）FLASH成像（焦平面成像）条纹相机成像距离选通成像相控阵成像合成孔径成像你现在浏览的是第二页，共64页 航天学院航天学院你现在浏览的是第三页，共64页 航天学院航天学院激光雷达常见的性能指标1.最大辐射功率2.水平视场“horizontalFieldofView(FOV)”3.垂直视场“verticalFOV”4.光源波长“Wavelengthofopticalsource”5.最远测量距离“Maximumdistancetobemeasured”6.测量时间/帧频“Measurementtime/framerate”7.纵向分辨率“depthresolution“8.角分辨率“angularresolution”9.测距精度“RangeMeasurementaccuracy”你现在浏览的是第四页，共64页 航天学院航天学院脉冲飞行时间测量法（1）图-1纯脉冲飞行时间物理过程你现在浏览的是第五页，共64页 航天学院航天学院连续波幅度调制相位测量法图图-2-2 飞行时间决定相位的物理过程飞行时间决定相位的物理过程你现在浏览的是第六页，共64页 航天学院航天学院相位差与距离关系模糊距离信噪比与测距精度举例1你现在浏览的是第七页，共64页 航天学院航天学院连续波啁啾幅度调制测量法F-调制深度T-调制周期fif-中频啁啾调制信号与中频信号图示你现在浏览的是第八页，共64页 航天学院航天学院你现在浏览的是第九页，共64页 航天学院航天学院你现在浏览的是第十页，共64页 航天学院航天学院Block diagram for an experimental single channel(2-D)chirped-AM/cw LADAR 你现在浏览的是第十一页，共64页 航天学院航天学院连续波频率啁啾调制测量法你现在浏览的是第十二页，共64页 航天学院航天学院Frequency chirp(FM-CW)used in the Metric Vision MV-200 coherent Ladar.你现在浏览的是第十三页，共64页 航天学院航天学院相干激光雷达距离精度你现在浏览的是第十四页，共64页 航天学院航天学院外差等效噪声功率heterodyne noise equivalent power(NEP)信噪比 signal-to-noise ratio(SNR)散焦损耗defocusing loss你现在浏览的是第十五页，共64页 航天学院航天学院外差探测信噪比受相干长度影响。对于洛伦兹型光源线宽:考虑散焦和相干长度等因素，其效噪比SNR表示为including the losses due to the defocusing and coherence,the equation becomes:啁啾激光雷达1个正弦信号测距精度你现在浏览的是第十六页，共64页 航天学院航天学院距离精度range accuracy,你现在浏览的是第十七页，共64页 航天学院航天学院Typical parameters for the Metric Vision MV-200 CLRTheoretical Range Accuracies for Different Targets for the sensor as described你现在浏览的是第十八页，共64页 航天学院航天学院扫描成像你现在浏览的是第十九页，共64页 航天学院航天学院平行光束扫描 会聚光束扫描 你现在浏览的是第二十页，共64页 航天学院航天学院你现在浏览的是第二十一页，共64页 航天学院航天学院V高度H(m)的飞行速度；N=mn探测器单元数量；dres探测器面元尺寸 脉冲重复频率fr：其中：N(m n)-像素；F-帧频总的扫描时间：其中：tot-总扫描角；tot-光束发散角；Tdwell=1/fr-光束滞留时间飞行时扫描频率：你现在浏览的是第二十二页，共64页 航天学院航天学院扫描时脉冲积累数：其中：B-天线3dB光束宽度(deg);fr-重频；m-天线每分转数瞄准误差与滞后角效应：其中：-滞后角；d/dt-扫描速率；-往返时间；r-到目标距离；c-光速；n-传播介质平均折射率你现在浏览的是第二十三页，共64页 航天学院航天学院你现在浏览的是第二十四页，共64页 航天学院航天学院你现在浏览的是第二十五页，共64页 航天学院航天学院Model 6400 Moving Coil Capacitive Position Detector Optical Scanner你现在浏览的是第二十六页，共64页 航天学院航天学院你现在浏览的是第二十七页，共64页 航天学院航天学院Preliminary SpecsPE100011PF210012PE200012PE210012Scan speed(fast axis)10 kHz21 kHz20kHz21 kHzScan speed(slow axis)1.15 kHz1.2 kHz1.2 kHz1.2 kHzMirror plate size1.2 mm Circular0.9 mm Circular1.0 mm Circular1.0 mm CircularOptical scanning angle15o/12o15o/15o15o/15o15o/15oScan trajectory(fast axis)sinusoidalsinusoidalsinusoidalsinusoidalScan trajectory(slow axis)sinusoidalsinusoidalsinusoidalsinusoidalScan jitter 0.1%0.1%0.1%80%450650nm 80%450650nm 80%450650nm 80%450650nmMirror flatness/8 635nm/8 635nm/8 635nm/8 635nmOperating temperature0o60oC0o60oC0o60oC0o60oCOperating humidity10%85%10%85%10%85%10%85%Acoustic noise 30dB 30dB 30dB 30dBDriving principleelectrostaticelectrostaticelectrostaticelectrostaticPower consumption 40 mW 100 mW 100 mW 100 mWPackage footprint10 x10 mm28x8 mm28x8 mm28x8 mm2PackagePLCCPLCCPLCCPLCCStatusEngineering sampleEngineering sampleEngineering sampleEngineering sample先進微系統科技(股)公司2D-MEMS 你现在浏览的是第二十八页，共64页 航天学院航天学院Opus Microsystems Corp.Taipei,Taiwan,2DMEMS你现在浏览的是第二十九页，共64页 航天学院航天学院mirrorcletech4.2 4.2mm0.7 0.7mm2.0 2.2mmNoMirrorModelNoMirrorDiameter(mm)Frequency(Hz)Opt.Scanangle()Max.Voltage(V)1S01030.810552/108746.19542S02641.22017/19877.21861273S03942.0935/9077.43091344S02332.4623/6297.10931345S02733.4531/5297.6862140你现在浏览的是第三十页，共64页 航天学院航天学院你现在浏览的是第三十一页，共64页 航天学院航天学院TheSickLMS200laserscannerImplementation of a Risley prism scanner for an FPA staring array LADAR.你现在浏览的是第三十二页，共64页 航天学院航天学院Maximum range 3-5 km Range resolution 10 mm Range accuracy at 50 m 5 cm FOV(Field of View)20 x 20 Laser beam divergence 500 rad Data rate 8-10 kpoints/s Instrument mass,power,volume 10 kg,70 W,13 L Laser(eye-safety)Class 3B Data output Range,bearing,centroid 你现在浏览的是第三十三页，共64页 航天学院航天学院Micro electro-mechanical system(MEMS)你现在浏览的是第三十四页，共64页 航天学院航天学院距离选通激光成像雷达距离选通激光成像雷达Burst illuminations Ladar(BIL)你现在浏览的是第三十五页，共64页 航天学院航天学院距离选通激光成像雷达距离选通激光成像雷达激光测距仪+扫描仪+数字相机距离范围：3800m距离分辨率：厘米量级波长：1.5m你现在浏览的是第三十六页，共64页 航天学院航天学院热像仪图像BIL图像你现在浏览的是第三十七页，共64页 航天学院航天学院你现在浏览的是第三十八页，共64页 航天学院航天学院闪烁式激光成像雷达闪烁式激光成像雷达1.机载激光成像雷达2.测距方式:TOF3.面阵探测器：给出目标的角度和距离4.盖革模式雪崩二极管(GM-APD)是其核心技术Jigsaw image of helicopter你现在浏览的是第三十九页，共64页 航天学院航天学院你现在浏览的是第四十页，共64页 航天学院航天学院参数数值注释标定距离150m视场角10.8在距离150m处直径为28.3m波长532nm激光远场光束图样3232点阵按探测器瞬时视场点阵排列激光脉宽300ps半宽度激光脉冲和成像速率16000/s接收孔径7.5cm有效焦距300mmF数f/4.0焦平面像素3232纵向设计100m像素333rad瞬时斜距采样在150m处为5cm7.5mFPA采样率2GHz500GHz瞬时视场10.110.1mrad在150m处为1.5m正方形你现在浏览的是第四十一页，共64页 航天学院航天学院2003年6月该Jigsaw系统装在UH-1 直升机上进行了飞行实验 隐蔽在树林中带伪装网的坦克目标 你现在浏览的是第四十二页，共64页 航天学院航天学院飞行实验中获取的坦克目标的伪彩色3D 激光雷达图像处理过程显示你现在浏览的是第四十三页，共64页 航天学院航天学院APD的工作模式1.线性模式 工作电压接近并小于雪崩电压时，M到1000左右就会饱和，这样的倍增还不足以探测到单光子信号；2.盖革模式 工作偏压大于雪崩电压时，光子信号APD吸收，并使APD迅速雪崩，同时采用一定的抑制电路（无源抑制、有源抑制和主动门抑制），迅速切断雪崩，使APD恢复到接收光子的状态。你现在浏览的是第四十四页，共64页 航天学院航天学院盖革模式淬灭电路盖革模式淬灭电路被动淬灭主动淬灭你现在浏览的是第四十五页，共64页 航天学院航天学院GM-APD:光子/数字转换Digitally encodedphoton arrival timephotonAPD单元单元DigitaltimingcircuitLensletarrayAPD array焦平面焦平面CMOS array你现在浏览的是第四十六页，共64页 航天学院航天学院APD/CMOS时间记录阵列1.SiliconAPDsfor0.9m20-50%探测效率10-kHz暗光子技术率桥接CMOS计时2.InGaAsP/InPAPDsfor 11.5m20-50%探测效率10-kHz暗光子技术率TE-cooling(1m)桥接CMOS计时3.CMOS计时电路t250-500-ps时间分辨率500MHzand1-GHz时钟100-m Bridge-Bonded Si APDsBump-Bonded InGaAsP APDs你现在浏览的是第四十七页，共64页 航天学院航天学院32x32 ArraySilicon(Visible),InGaAs(1-m)32 x 128 ArrayGM-APD阵列CMOS计时电路1.技术优势:极高的灵敏度(单光子)极高的距离分辨率(10cm)高度集成化距离像数字化输出可升级大尺寸面阵你现在浏览的是第四十八页，共64页 航天学院航天学院1.光子技术阵列也可用于相干探测（引入本振光子时）2.使用GM-APD进行相干探测的优势:两种模式激光雷达探测器阵列工作在近量子极限可使用大尺度面阵探测器GM-APD相干激光成像雷达相干激光成像雷达SignalPhotonsSignalPhotonsLOPhotons直接探测直接探测相干探测相干探测你现在浏览的是第四十九页，共64页 航天学院航天学院低光子通量下的干扰Spatial:双狭缝实验双狭缝实验Temporal:外差探测外差探测高光通量高光通量低光通量低光通量distance xtimedistance xIntensityCountsIntensityCountstimeLaser2Laser1Detectorff+f1/f高光通量高光通量低光通量低光通量你现在浏览的是第五十页，共64页 航天学院航天学院工作原理LO 快门系统在直接探测快门系统在直接探测/相干探测之间转换相干探测之间转换CW 主振荡器和放大器调节产生某一波形主振荡器和放大器调节产生某一波形两个面阵探测器（水平和垂直偏振方向）两个面阵探测器（水平和垂直偏振方向）Master OscillatorAmplitudeModulatorAmplifier/IsolatorStagesWaveform SynthesizerLO ShutterAmplitudeModulatorAPD Arrays你现在浏览的是第五十一页，共64页 航天学院航天学院经典相干探测描述Laser sourceAOMFrequency referencem,mixing efficiencyPhasefrequency-shifte你现在浏览的是第五十二页，共64页 航天学院航天学院经典相干探测经典相干探测:CNR如果本振光产生的噪声远远大于其它噪声如果本振光产生的噪声远远大于其它噪声,则则 CNR 主要由信号回波的主要由信号回波的散粒噪声决定，即：散粒噪声决定，即：你现在浏览的是第五十三页，共64页 航天学院航天学院GMAPD相干探测:CNR尽管尽管CNR降低降低 3-dB，但有如下好处：，但有如下好处：单个探测器即可直接探测亦可相干探测，简化成双模系统单个探测器即可直接探测亦可相干探测，简化成双模系统本振光功率本振光功率:仍为传统相干探测水平，仍为传统相干探测水平，mW两级两级/每个单元每个单元可以适用于大面阵探测器可以适用于大面阵探测器GM-APD与传统相干探测相比由于散粒噪声极限的作用使载噪比与传统相干探测相比由于散粒噪声极限的作用使载噪比CNR降低一半降低一半你现在浏览的是第五十四页，共64页 航天学院航天学院GM-APD信号光和本振光光子探测Luu and Jiang(Appl.Optics 45,3798)developed expression for CNR in presence of saturation(NP=total number of photon“buckets”available)SaturatedNext photon likely to hit dead pixelIncreasing LO or return powerMacropixelNext photon likely to hit free pixelIndividual APDsFocal Plane你现在浏览的是第五十五页，共64页 航天学院航天学院GM-APD相干探测数据处理方法相干探测数据处理方法1.CollectionofGMAPDsactsasasinglecoherentdetector2.Histogramofarrivaltimesgivesintensityvstime3.FFTordigitallymixwithi.f.toobtainfrequency/phase4.Timeresolutionofclock(2GHz)determinesbandwidthAOMFrequency referenceLaser sourceArrival timesHistogram of arrival timesPower spectral densitySignal ProcessingEarly HitLate HitNo Hit你现在浏览的是第五十六页，共64页 航天学院航天学院CNR结果比较Number of return photoelectronsCoherent CNR(dB)CNRArray Filled你现在浏览的是第五十七页，共64页 航天学院航天学院CNR与理论值比较-20-1001020301101001000Number of return photoelectronsCoherent CNR(dB)Array FilledSaturating-pixel theory,nonuniform illuminationDetector intensity imageNPDCR=175 kHz/pixelm=0.4Saturating-pixel theory,uniform illumination你现在浏览的是第五十八页，共64页 航天学院航天学院本振光功率增加效应Number of return photons在未饱和区域增加本振光功率可以得到在未饱和区域增加本振光功率可以得到 3 dB 的好处的好处最佳本振光功率由信号回波和探测器单元参数确定最佳本振光功率由信号回波和探测器单元参数确定CNR(dB)Number of local oscillator photonsCNR/Shot noise limit10 Returnphotons50 Returnphotons200 Returnphotons400 Returnphotons1024-pixel arrayShot noise limit(mNR)PLO=PRPLO optimized3 dB你现在浏览的是第五十九页，共64页 航天学院航天学院条纹管激光成像雷达1.2000年美国空军实验室和美国国家海洋管理(NOAA)提出条纹管成象激光雷达(StreakTubeImagingLIDAR,STIL)你现在浏览的是第六十页，共64页 航天学院航天学院条纹管激光成像雷达原理你现在浏览的是第六十一页，共64页 航天学院航天学院距离方位取样距离方位取样未经处理的强度-距离-方位图像（1帧）你现在浏览的是第六十二页，共64页 航天学院航天学院重构后的强度图像重构后的距离像圆球和圆形（强度-距离-方位）条纹图你现在浏览的是第六十三页，共64页 航天学院航天学院你现在浏览的是第六十四页，共64页