光学精密工程|高转速扫描激光雷达中探测器偏离焦平面的应用

导 读

激光雷达是一种快速获取目标三维空间信息的主动探测技术，其广泛应用于测绘、遥感、目标检测、轨道检测、导航、自动驾驶等领域。对于激光雷达而言，在测量不同距离的目标时，其返回的回波能量会达到非常大的动态范围，同一目标在10m和1000m处的回波能量相差可达10000倍。此外，在高转速扫描激光雷达中，远距离目标还会产生脱靶问题，导致其最远探测距离进一步下降。测距动态范围直接决定着激光雷达的有效探测范围和对复杂场景下明暗物体的同时感知能力，测距动态范围过小，将导致激光雷达对近处反射率高的物体测量不准确，甚至产生盲区，从而对后续的应用造成不利的影响。

针对此问题，武汉大学遥感信息工程学院的周昊与毛庆洲等在《光学 精密工程》（EI、Scopus收录，中文核心期刊，《仪器仪表领域高质量科技期刊分级目录》和《光学和光学工程领域高质量科技期刊分级目录》“T1级”期刊）上发表了题为 “高转速扫描激光雷达中探测器偏离焦平面的应用”的封面文章。

《光学 精密工程》2023年第21期封面

高转速扫描激光雷达中的脱靶现象

在常用的旋转反射镜、多面镜等扫描方式中，由于激光发射到回波接收存在时间差，在这个时间差内，扫描机构已旋转了一定角度，导致目标回波被激光雷达接收时，激光脚点与瞬时视场角中心产生偏移，也即回波经接收光学系统聚焦位置与探测器靶面中心产生了偏移。

图1：因激光发射和接收时间差而产生的脱靶现象

探测器偏离焦平面的作用原理

1、径向偏离

根据脱靶现象的特点，如图2所示，人为地将探测器靶面朝着远距离回波聚焦点进行径向偏离，使得远距离回波重新回到视场中，从而解决高转速扫描条件下远距离回波的脱靶问题。

图2：探测器径向偏离解决脱靶问题

图3：径向偏离量和目标距离对收光率的影响

2、轴向偏离

对于不同距离的回波而言，远距离回波可近似为平行光，光斑聚焦在光学系统焦点；近距离回波聚焦在焦点之后的位置。当离焦光斑尺寸大于探测器靶面尺寸时，仅有探测器靶面内的回波能量被接收，等效于视场光阑限制了收光孔径。因此，在合理轴向偏离量的情况下，能够实现远距离目标的微弱回波能量被全部接收，近距离目标的强回波能量被衰减，进而提高激光雷达系统的测距动态范围。

图4：探测器轴向偏离作用原理

图5：轴向偏离量和目标距离对收光率的影响

工程应用前景

本文分析了高转速扫描激光雷达中的脱靶问题，提出了探测器偏离焦平面的方法，基本解决了远距离回波脱靶问题，提高了高转速扫描激光雷达的测距动态范围，具有实用价值，对高转速扫描测距激光雷达的工程设计具有一定的理论指导作用。

论文信息

周昊,毛庆洲,胡雪晴等.高转速扫描激光雷达中探测器偏离焦平面的应用[J].光学精密工程,2023,31(21):3077-3087. DOI：10.37188/OPE.20233121.3077.

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

团队负责人简介

毛庆洲，教授，博士生导师。主要从事空间智能遥感仪器，高分辨率激光雷达、动态精密工程测量、基础设施结构状态安全监测等技术与装备的研究。主持国家重大科学仪器开发专项项目，国家自然科学基金项目和863项目以及多项省部基金，获得科技部国家技术发明二等奖1项，其他省部级科技奖励一等奖10余项，获得国家发明等专利授权50余件，发表科技论文60余篇及专著3部。

团队介绍

武汉大学高分辨率激光雷达及其数据智能处理与应用团队。主要成员包括教授5人、副教授/副研究员5人、讲师/博士后/专职科研人员6人，以及20余名博士和硕士研究生，形成了团结向上和科研氛围浓厚的学术梯队，涵盖了光学、精密机械、航天工程、电子信息与测绘遥感等多学科，为学科交叉研究和青年人才的成长和发展提供了广阔的空间和机遇。团队紧紧围绕高分辨率激光雷达装置关键技术、高分辨率点云数据智能解译与建模、高分辨率激光雷达集成系统在重大基础设施测量与检测应用等方向展开研究。激光扫描测量技术成果应用于中国铁路18个铁路局集团公司和北京、武汉等20余个城市地铁，服务于“一带一路”中巴铁路、青藏铁路、京张高铁、大兴机场地铁等。拓展应用于国家速滑馆建设，助力打造北京冬奥会“最快的冰”。

团队基于高精度激光扫描相关技术积累，研制了FT系列轻小型测绘级无人机载激光雷达，并实现了产业化，在测量距离（1500米）、测距精度（2毫米）、定位精度（优于5cm）、测量频率（2MHz）以及回波次数（7次）等性能指标方面超越众多同级产品，与国外同行业优秀公司产品性能持平，填补了国内高端无人机机载激光雷达的技术空白，突破了国外的技术封锁。

“FT系列轻小型测绘级激光雷达” 具有测程远、精度高、频率快、穿透强、尺寸小、线数多、成本低、服务好等优势，可替代国外进口装备。目前该系统已经投入市场百余套，广泛应的用到地形测绘、电力巡线、农林调查、应急抢险等领域，创造了近亿元的社会经济价值，特别在复杂恶劣环境条件下的高精度地形测绘中发挥了重要作用，推动了行业技术发展，为大众提供了精度更高、成本更低、更易维护的大众化机载激光扫描方案。

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