激光3D视觉系统高灵敏度信号检测高精度时间测量技术研究

摘要

激光3D视觉系统是目前获取目标或复杂环境三维立体图像的最有效技术手段之一。它具有高角分辨率、高距离分辨率和高速度分辨率等优点,且抗干扰能力强、抗隐身能力强、测速范围广,不仅能得到目标的位置信息,还可以得到速度信息。因此,其在智能机器人、无人车或无人机等军事和民用领域都有着广泛的应用价值。该技术也是美、日、欧等发达国家在空间技术、地形测绘和海洋监测等多个领域长远规划中大力发展的技术。
　　本论文以1.55μm脉冲光纤激光器作为发射源,采用脉冲测距方法,并结合检流计振镜扫描技术,构建人眼安全的激光3D视觉系统,以便获取目标或复杂环境三维立体图像。其中,距离信息通过脉冲飞行时间测距法获得,方位和俯仰信息则利用检流计振镜的二维扫描获得。本论文围绕激光3D视觉系统中的高灵敏度回波信号检测与高精度时间测量两大关键问题进行研究,主要工作包括以下几个方面:
　　首先,给出了基于脉冲激光发射和X-Y检流计扫描的激光3D视觉系统的设计方案。介绍了脉冲激光测距原理,详细讨论了回波信号探测方法、探测器的选取、二维扫描等关键技术,介绍了A/D转换、数字滤波技术、信号内插原理等回波信号处理的相关理论,最后分析了大气影响和系统噪声。
　　其次,比较分析了激光3D视觉系统回波信号检测的2种识别算法和2种积累算法。从虚警概率和检测概率出发,分别仿真研究固定门信号限检测和自适应信号检测,以及视频积累和二进制积累的优缺点。
　　再次,比较分析了激光3D视觉系统回波信号到达时刻提取与时间间隔测量算法。分别仿真研究前沿定时、高通容阻定时和恒比定时3种脉冲时刻鉴别方法,选择数字恒比定时作为本论文的脉冲时刻鉴别算法;分析了数字时间内插时间间隔测量方法,最终提出了采样数据点粗测、时间内插细测的时间间隔测量算法,可实现高于时基时间分辨率的高精度测量。
　　最后,搭建了一套高精度时间间隔测量信号处理平台和脉冲测距实验系统。利用实际脉冲激光测距系统的回波信号,进行了延时测量实验,实验结果表明系统测时误差为0.96ns,测距误差为0.288m。

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第1章 绪 论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2国内外发展现状与分析

1.3论文的主要内容

第2章 激光3D视觉信号处理系统设计

2.1脉冲激光3D视觉系统测距方法

2.2 1.55μm脉冲光纤激光3D视觉系统设计

2.3回波信号数字化处理

2.4大气影响及接收系统噪声分析

2.5 脉冲测距过程仿真

2.6本章小结

第3章 高灵敏度激光脉冲回波信号检测算法研究

3.1虚警概率与检测概率

3.2固定门限检测目标检测技术

3.3自适应门限目标检测技术

3.4 固定门限检测与自适应门限检测的比较

3.5 视频积累

3.6二进制积累(M/N积累)

3.7二进制积累与视频积累的比较

3.8本章小结

第4章 高精度激光脉冲回波信号时间测量算法研究

4.1脉冲时刻鉴别方法

4.2时间间隔测量方法

4.3采样插值数字化恒比定时与时间间隔测量方法

4.4测时精度影响因素分析

4.5目标成像仿真

4.6 本章小结

第5章 高精度时间间隔测量系统实验研究

5.1主要实验装置

5.2实验方案及系统验证实验

5.3回波信号延时测量实验

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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