【摘 要】
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近年来随着无人驾驶技术的兴起及激光雷达应用场景的拓宽,高分辨激光雷达产品已经凸显了广阔前景。目前,高分辨率激光雷达主流产品已从机械式激光雷达逐步趋向于小型化固态激光雷达,其距离分辨率已突破厘米级,但强度分辨率低。为了提高小型化固态激光雷达的强度分辨率,研究者们主要是采用搭配摄像装置完成强度像匹配的方法来实现对强度分辨率的提升,但相对成本较高且装配复杂,不利产品的大规模应用。此外,激光雷达系统中核心
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近年来随着无人驾驶技术的兴起及激光雷达应用场景的拓宽,高分辨激光雷达产品已经凸显了广阔前景。目前,高分辨率激光雷达主流产品已从机械式激光雷达逐步趋向于小型化固态激光雷达,其距离分辨率已突破厘米级,但强度分辨率低。为了提高小型化固态激光雷达的强度分辨率,研究者们主要是采用搭配摄像装置完成强度像匹配的方法来实现对强度分辨率的提升,但相对成本较高且装配复杂,不利产品的大规模应用。此外,激光雷达系统中核心探测器与高集成半导体产品长期处于国际垄断和对华技术封锁状态,严重影响了国内高分辨率激光雷达技术的发展。本文为了提高激光雷达系统的强度分辨率,提出了一种基于二维MEMS微镜扫描和多单元APD探测器组合接收方法,力求在缺乏高集成度光电探测器的前提下,从激光雷达系统构建角度对其强度分辨率进行提升,在获取三维空间位置信息的同时获得其表面强度像,为此主要开展了以下3项研究:（1）为了实现二维MEMS微镜动态扫描,针对二维MEMS微镜扫描过程中存在的畸变失真问题,构建了二维MEMS微镜扫描光学模型,分析了二维MEMS微镜扫描过程中存在的畸变失真问题,区分了失真类型并计算和验证了失真程度,从光学角度确立了较好的微镜扫描方案,从而实现了MEMS微镜对待测目标的精准扫描。（2）为了实现基于MEMS微镜扫描的大视场扫描接收,分析了激光雷达光学系统设计方法,确定了双轴设计方案。分析了各类光电探测器的特点和应用环境,确定APD作为基础探测器。针对于高灵敏度APD探测器光敏面积有限的特点,提出了MEMS微镜配合离焦光学系统及聚焦透镜动态扩展视场角度的方法。基于ZEMAX光学设计平台完成了对接收端光学系统的设计,将全视场角度扩大到了36×36。（3）为了提升激光雷达强度分辨率,提出多单元APD探测器组合接收方法。可以在不配置摄影系统和不改变扫描端设置的情况下,通过激光发射端和测距模块确定扫描目标三维空间位置信息,测距精度为厘米级;同时获取其强度像并提高成像的强度分辨率。在单像素点测试实验下,单独单元APD强度值获取数量为组合接收端的1/4;在2米距离目标测试下,实现MEMS微镜以角度分辨率0.4×0.4进行16×16点扫描,单元探测器所成6×6强度像上升为组合接收端所成12×12强度像,实验证明了其强度分辨率为单元探测器接收的4倍。本文在系统搭建中利用国产光电探测器及工业化模块,大大降低了系统成本;也为高分辨率激光雷达技术发展打破国外垄断和技术封锁提供了新的思路。
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