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，其廣泛應用於(yu) 測繪、遙感、目標檢測、軌道檢測、導航、自動駕駛等領域。對於(yu) 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(hui) 達到非常大的動態範圍，同一目標在10m和1000m處的回波能量相差可達10000倍。此外，在高轉速掃描激光雷達中，遠距離目標還會(hui) 產(chan) 生脫靶問題，導致其最遠探測距離進一步下降。測距動態範圍直接決(jue) 定著激光雷達的有效探測範圍和對複雜場景下明暗物體(ti) 的同時感知能力，測距動態範圍過小，將導致激光雷達對近處反射率高的物體(ti) 測量不準確，甚至產(chan) 生盲區，從(cong) 而對後續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(yu) 毛慶洲等在《光學 精密工程》（EI、Scopus收錄，中文核心期刊，《儀(yi) 器儀(yi) 表領域高質量科技期刊分級目錄》和《光學和光學工程領域高質量科技期刊分級目錄》“T1級”期刊）上發表了題為(wei) “高轉速掃描激光雷達中探測器偏離焦平麵的應用”的封麵文章。

《光學 精密工程》2023年第21期封麵

高轉速掃描激光雷達中的脫靶現象

在常用的旋轉反射鏡、多麵鏡等掃描方式中，由於(yu) 激光發射到回波接收存在時間差，在這個(ge) 時間差內(nei) ，掃描機構已旋轉了一定角度，導致目標回波被激光雷達接收時，激光腳點與(yu) 瞬時視場角中心產(chan) 生偏移，也即回波經接收光學係統聚焦位置與(yu) 探測器靶麵中心產(chan) 生了偏移。

圖1：因激光發射和接收時間差而產(chan) 生的脫靶現象

探測器偏離焦平麵的作用原理

1、徑向偏離

根據脫靶現象的特點，如圖2所示，人為(wei) 地將探測器靶麵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(cong) 而解決(jue) 高轉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(jue) 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

對於(yu) 不同距離的回波而言，遠距離回波可近似為(wei) 平行光，光斑聚焦在光學係統焦點；近距離回波聚焦在焦點之後的位置。當離焦光斑尺寸大於(yu) 探測器靶麵尺寸時，僅(jin) 有探測器靶麵內(nei) 的回波能量被接收，等效於(yu) 視場光闌限製了收光孔徑。因此，在合理軸向偏離量的情況下，能夠實現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，進而提高激光雷達係統的測距動態範圍。

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

本文分析了高轉速掃描激光雷達中的脫靶問題，提出了探測器偏離焦平麵的方法，基本解決(jue) 了遠距離回波脫靶問題，提高了高轉速掃描激光雷達的測距動態範圍，具有實用價(jia) 值，對高轉速掃描測距激光雷達的工程設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.高轉速掃描激光雷達中探測器偏離焦平麵的應用[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(cong) 事空間智能遙感儀(yi) 器，高分辨率激光雷達、動態精密工程測量、基礎設施結構狀態安全監測等技術與(yu) 裝備的研究。主持國家重大科學儀(yi) 器開發專(zhuan) 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發明二等獎1項，其他省部級科技獎勵一等獎10餘(yu) 項，獲得國家發明等專(zhuan) 利授權50餘(yu) 件，發表科技論文60餘(yu) 篇及專(zhuan) 著3部。

團隊介紹

武漢大學高分辨率激光雷達及其數據智能處理與(yu) 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/博士後/專(zhuan) 職科研人員6人，以及20餘(yu) 名博士和碩士研究生，形成了團結向上和科研氛圍濃厚的學術梯隊，涵蓋了光學、精密機械、航天工程、電子信息與(yu) 測繪遙感等多學科，為(wei) 學科交叉研究和青年人才的成長和發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(guan) 鍵技術、高分辨率點雲(yun) 數據智能解譯與(yu) 建模、高分辨率激光雷達集成係統在重大基礎設施測量與(yu) 檢測應用等方向展開研究。激光掃描測量技術成果應用於(yu) 中國鐵路18個(ge) 鐵路局集團公司和北京、武漢等20餘(yu) 個(ge) 城市地鐵，服務於(yu) “一帶一路”中巴鐵路、青藏鐵路、京張高鐵、大興(xing) 機場地鐵等。拓展應用於(yu) 國家速滑館建設，助力打造北京冬奧會(hui) “最快的冰”。

團隊基於(yu) 高精度激光掃描相關(guan) 技術積累，研製了FT係列輕小型測繪級無人機載激光雷達，並實現了產(chan) 業(ye) 化，在測量距離（1500米）、測距精度（2毫米）、定位精度（優(you) 於(yu) 5cm）、測量頻率（2MHz）以及回波次數（7次）等性能指標方麵超越眾(zhong) 多同級產(chan) 品，與(yu) 國外同行業(ye) 優(you) 秀公司產(chan) 品性能持平，填補了國內(nei) 高端無人機機載激光雷達的技術空白，突破了國外的技術封鎖。

“FT係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、線數多、成本低、服務好等優(you) 勢，可替代國外進口裝備。目前該係統已經投入市場百餘(yu) 套，廣泛應的用到地形測繪、電力巡線、農(nong) 林調查、應急搶險等領域，創造了近億(yi) 元的社會(hui) 經濟價(jia) 值，特別在複雜惡劣環境條件下的高精度地形測繪中發揮了重要作用，推動了行業(ye) 技術發展，為(wei) 大眾(zhong) 提供了精度更高、成本更低、更易維護的大眾(zhong) 化機載激光掃描方案。

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