單模VCSEL自混合測速、測距及三維圖像技術的研究.pdf

1、本學位論文工作是以與美國微軟公司西雅圖硬件部的國際合作為背景，圍繞單模垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)自混合測速、測距及三維圖像技術展開研究，重點研究多普勒測速系統(tǒng)的精度、動態(tài)范圍和方向判別等重要參數(shù)；重點研究自混合測距系統(tǒng)的精度、分辨率和動態(tài)范圍等重要參數(shù)；從原理和結構上提出一種新型的數(shù)字微反射鏡陣列器件一飛行時間(DMD-TOF)三維圖像技術，重點研究DMD-TOF三維圖像系統(tǒng)的光電設計方法，以及深度地圖象素數(shù)量、深度測量分辨率和深

2、度測量速度等重要參數(shù)。 本論文的研究工作主要有： 1.與項目組成員共同完成單模VCSEL自混合多普勒測速的原理與系統(tǒng)研究；建立單模VCSEL自混合多普勒測速實驗裝置，設計系統(tǒng)的光電信號處理電路，從理論和實驗上研究影響測速精度和動態(tài)范圍的主要因素。采用單模VCSEL代替普通半導體激光器，明顯改善了多普勒測速系統(tǒng)外腔長變化的動態(tài)范圍，提高了測速精度；采用差頻模擬鎖相技術處理多普勒信號，減小了多普勒頻率展寬及調幅包絡對測速精度

3、的影響，使測速精度達到1％，同時擴大了頻率跟蹤范圍，使測速動態(tài)范圍達到2～1000mm/s。論文作者主要負責并完成了測速精度的研究。 2.與項目組成員共同完成單模VCSEL自混合測距的原理與系統(tǒng)研究；建立單模VCSEL自混合測距實驗裝置，設計系統(tǒng)的光電信號處理電路，從理論和實驗上研究影響測距精度、分辨率和動態(tài)范圍的主要因素。采用對單模VCSEL進行大的激光調制頻偏，利用差頻模擬鎖相技術處理自混合拍頻信號，明顯改善了拍頻信號在拐點

4、處的不連續(xù)，對拍頻信號的調幅干擾和波形失真有明顯的抑制效果，提高了信噪比，使測距精度達到2mm，分辨率優(yōu)于2mm，同時使動態(tài)范圍擴大到50～500mm。論文作者主要負責并完成了測距精度的研究。 3.與項目組成員共同提出了一種新的DMD-TOF三維圖像技術，它具有高達百萬數(shù)量的深度地圖象素，1mm的深度測量分辨率，每秒1～10幀的深度測量速度，以及深度地圖象素與兩維圖像象素高精度對準特性等優(yōu)點，并從器件結構，開發(fā)工具，光電系統(tǒng)設計

5、，以及參數(shù)分析優(yōu)化等方面進行研究。 本論文的創(chuàng)新點主要包括： 1.利用單模VCSEL代替普通多模半導體激光器進行自混合多普勒測速，明顯改善了外腔長變化的動態(tài)范圍；利用差頻模擬鎖相技術處理多普勒信號，減小了多普勒頻率展寬及調幅包絡對測速精度的影響，同時擴大了頻率跟蹤范圍，提高了測速精度和動態(tài)范圍。 2.利用對單模VCSEL進行大的激光調制頻偏，利用差頻模擬鎖相技術處理自混合信號，明顯改善了自混合拍頻信號在拐點處的不

6、連續(xù)，同時對信號波形的調幅干擾和波形失真有明顯抑制效果，明顯提高拍頻信號的信噪比，提高了測距精度、分辨率和動態(tài)范圍。 3.從原理和結構上提出了一種新的DMD-TOF三維圖像技術，應用光學投影器件DMD形成1024×1280時分高頻幅度調制光的深度地圖象素投影，利用TOF測距方法和光電信號處理技術實現(xiàn)百萬數(shù)量深度地圖象素高分辨率高速采樣的深度測量；應用兩維CCD/CMOS圖像系統(tǒng)與DMD光學投影系統(tǒng)共用一組光學透鏡，實現(xiàn)兩維圖像象