高精度低成本激光振鏡掃描3D視覺系統(tǒng)關鍵技術研究.pdf

1、智能系統(tǒng)是當前國民科技發(fā)展的重要部分，該領域對于高精度感知環(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信息采集技術之一。信息獲取能力強、工作距離遠、抗干擾能力強使其可以成為智能系統(tǒng)重要的信息獲取手段。然而，在實際應用中，激光3D視覺系統(tǒng)面臨著技術難度大，器件價格高的問題。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)設計方案，從關鍵問題和關鍵技術入手，研制了一套激光振鏡掃描3D視覺系統(tǒng)原理樣機。成

2、像實驗表明系統(tǒng)總體性能達到了國內(nèi)同類研究的先進水平。論文主要研究內(nèi)容如下：
　　(1)對激光振鏡掃描3D視覺系統(tǒng)進行了總體結構設計。成像方式采用檢流計式振鏡掃描，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回波，以飛行時間法高精度測量目標環(huán)境的距離，最后將目標區(qū)域的位置信息和距離信息融合成3D圖像信息；推導了大氣透過率和目標光學特性的理論公式，在直接探測激光雷達距離方程條件下，估算并選擇了符合

3、要求的激光脈沖發(fā)射機；分析了檢流計式振鏡工作原理，從關鍵參數(shù)角度入手，確定了檢流計式振鏡的選型依據(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。通過分析二維檢流計式振鏡的掃描軌跡，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，并對掃描軌跡的失真情況進行了仿真，得到有效的校正方法；將校正算

4、法代入到二維檢流計式振鏡的驅動電壓輸入中測量掃描軌跡校正結果，獲得均勻的空間點陣；為了實現(xiàn)360°全視場掃描，計算并選擇了適合本文激光振鏡掃描3D視覺系統(tǒng)的轉臺。
　　(3)設計并加工收發(fā)合置偏振隔離光學系統(tǒng)。設計加工發(fā)散角小于0.75mrad、光斑4mm直徑輸出的準直擴束系統(tǒng)；設計加工偏振隔離光開關，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；設計加工4倍擴束伽利略式掃描望遠系統(tǒng)，掃描角±10°；設計加工

5、APD光學系統(tǒng)，彌散圓為51μm，有效焦距40mm；對雜散光問題進行了討論和分析，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系統(tǒng)表面反射雜散光，第二種方法是通過旋轉固定角度來屏蔽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)研究了高精度時間間隔測量與時刻判別技術。從測時和鑒時兩個方面提高系統(tǒng)的測距精度：測時選擇時間數(shù)字轉換器，比較傳統(tǒng)的模擬時間間隔測量技術和現(xiàn)在流行的時間數(shù)字轉換時

6、間間隔測量技術，選擇延遲線插入法提高測量精度，并依據(jù)儀器指標計算出了該時間數(shù)字轉換器的理論測時誤差；鑒時選擇了恒比定時法，并根據(jù)系統(tǒng)總測量誤差和測時誤差確定了恒比定時的鑒時誤差，分析恒比定時鑒時時間漂移和虛警率得到了相應的閾值設定，確定了112mV的閾值設定值，并選擇了鑒時誤差小于100ps的四通道恒比定時器；討論并分析了系統(tǒng)時序同步問題，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)進行實驗。包括系統(tǒng)最遠工