高精度低成本激光振鏡掃描3D視覺系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、智能系統(tǒng)是當(dāng)前國民科技發(fā)展的重要部分，該領(lǐng)域?qū)τ诟呔雀兄h(huán)境3D圖像信息采集有迫切需求。激光3D視覺系統(tǒng)是目前最高效的環(huán)境3D信息采集技術(shù)之一。信息獲取能力強(qiáng)、工作距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)使其可以成為智能系統(tǒng)重要的信息獲取手段。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，激光3D視覺系統(tǒng)面臨著技術(shù)難度大，器件價(jià)格高的問題。本論文基于此，提出了一種高精度低成本激光振鏡掃描3D視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，從關(guān)鍵問題和關(guān)鍵技術(shù)入手，研制了一套激光振鏡掃描3D視覺系統(tǒng)原理樣機(jī)。成

2、像實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)總體性能達(dá)到了國內(nèi)同類研究的先進(jìn)水平。論文主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　(1)對(duì)激光振鏡掃描3D視覺系統(tǒng)進(jìn)行了總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。成像方式采用檢流計(jì)式振鏡掃描，通過閉環(huán)控制，獲取激光照射的空間位置信息，依靠雪崩光電二極管高的靈敏度特性獲取目標(biāo)回波，以飛行時(shí)間法高精度測(cè)量目標(biāo)環(huán)境的距離，最后將目標(biāo)區(qū)域的位置信息和距離信息融合成3D圖像信息；推導(dǎo)了大氣透過率和目標(biāo)光學(xué)特性的理論公式，在直接探測(cè)激光雷達(dá)距離方程條件下，估算并選擇了符合

3、要求的激光脈沖發(fā)射機(jī)；分析了檢流計(jì)式振鏡工作原理，從關(guān)鍵參數(shù)角度入手，確定了檢流計(jì)式振鏡的選型依據(jù)，選擇了單元雪崩光電二極管的光電探測(cè)手段，分析了雪崩光電二極管的工作原理和特性，并依據(jù)關(guān)鍵參數(shù)選擇了符合系統(tǒng)要求的雪崩光電二極管。
　　(2)研究了低成本激光二維高速高效振鏡掃描技術(shù)。通過分析二維檢流計(jì)式振鏡的掃描軌跡，討論并選擇適合激光振鏡掃描3D視覺系統(tǒng)的掃描軌跡排列，并對(duì)掃描軌跡的失真情況進(jìn)行了仿真，得到有效的校正方法；將校正算

4、法代入到二維檢流計(jì)式振鏡的驅(qū)動(dòng)電壓輸入中測(cè)量掃描軌跡校正結(jié)果，獲得均勻的空間點(diǎn)陣；為了實(shí)現(xiàn)360°全視場(chǎng)掃描，計(jì)算并選擇了適合本文激光振鏡掃描3D視覺系統(tǒng)的轉(zhuǎn)臺(tái)。
　　(3)設(shè)計(jì)并加工收發(fā)合置偏振隔離光學(xué)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)加工發(fā)散角小于0.75mrad、光斑4mm直徑輸出的準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)；設(shè)計(jì)加工偏振隔離光開關(guān)，P光透過率90％以上，S光反射率90%以上，P光和S光成90°分離；設(shè)計(jì)加工4倍擴(kuò)束伽利略式掃描望遠(yuǎn)系統(tǒng)，掃描角±10°；設(shè)計(jì)加工

5、APD光學(xué)系統(tǒng)，彌散圓為51μm，有效焦距40mm；對(duì)雜散光問題進(jìn)行了討論和分析，提出解決方法：第一種方法是利用偏振隔離原理隔離伽利略式掃描望遠(yuǎn)系統(tǒng)表面反射雜散光，第二種方法是通過旋轉(zhuǎn)固定角度來屏蔽1/4波片表面反射雜散光，兩種方法均獲得了較好的雜散光隔離效果。
　　(4)研究了高精度時(shí)間間隔測(cè)量與時(shí)刻判別技術(shù)。從測(cè)時(shí)和鑒時(shí)兩個(gè)方面提高系統(tǒng)的測(cè)距精度：測(cè)時(shí)選擇時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，比較傳統(tǒng)的模擬時(shí)間間隔測(cè)量技術(shù)和現(xiàn)在流行的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換時(shí)

6、間間隔測(cè)量技術(shù)，選擇延遲線插入法提高測(cè)量精度，并依據(jù)儀器指標(biāo)計(jì)算出了該時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的理論測(cè)時(shí)誤差；鑒時(shí)選擇了恒比定時(shí)法，并根據(jù)系統(tǒng)總測(cè)量誤差和測(cè)時(shí)誤差確定了恒比定時(shí)的鑒時(shí)誤差，分析恒比定時(shí)鑒時(shí)時(shí)間漂移和虛警率得到了相應(yīng)的閾值設(shè)定，確定了112mV的閾值設(shè)定值，并選擇了鑒時(shí)誤差小于100ps的四通道恒比定時(shí)器；討論并分析了系統(tǒng)時(shí)序同步問題，確定了更為精確的光觸發(fā)方案。
　　(5)搭建激光振鏡掃描3D視覺系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。包括系統(tǒng)最遠(yuǎn)工