航天工程大学 电子与光学工程系，北京 101416
基于电光晶体的偏振调制技术在激光三维成像领域起着越来越重要的作用。受限于铌酸锂（LN）材料的低视场和高半波电压，采用传统电光调制技术难以进一步提升三维成像性能。随着钙钛矿结构电光材料制备工艺的日趋成熟，基于新型材料的电光调制技术将成为突破激光三维成像探测精度的最佳手段，铌镁酸铅-钛酸铅（PMNT）、锆钛酸镧铅（PLZT）和钽铌酸钾（KTN）3种典型材料具有优良的电光性能和介电性质；能够突破视场和半波电压的限制，但应用到电光调制领域时存在PMNT调制带宽较低、PLZT透过性能较差、KTN实际应用带宽较低等难题。未来的研究将着眼于将该调制技术的实用性，一方面通过掺杂改性等手段提升电光调制性能，另一方面通过建立性能表征模型优化系统的信噪比。
激光三维成像 钙钛矿结构材料 偏振调制 laser 3D imaging perovskite structural material polarization modulation 红外与激光工程
2020, 49(3): 0305007
华北光电技术研究所 固体激光技术重点实验室, 北京 100015
针对现有激光三维成像中使用的面阵APD探测器相邻像元间隔较大, 导致激光利用率低从而影响探测距离的缺点, 提出阵列分束激光三维成像技术。该技术对激光发射源采用液晶空间光调制器进行衍射阵列分束, 将一束激光分成与阵列APD探测器相应的阵列子光束, 调整激光发射子光束和阵列APD探测器的位置, 使得子光束照射目标后聚焦到阵列APD探测器的像元上, 提高了整束激光的利用效率。介绍了阵列分束激光三维成像技术系统组成和工作原理, 提出采用液晶空间光调制器的方法实现阵列分束的方案, 研制了阵列分束激光三维成像原理样机, 利用研制的原理样机对采用阵列分束后的效果进行了验证。实验结果表明, 采用该技术后, 采用峰值功率10 kW、脉宽8 ns的激光源, 填充因子2/3的8×8 APD, 三维成像作用距离达到510 m, 同等条件下与不分束相比, 作用距离提升39.1%。
阵列分束 激光三维成像 空间光控制器 面阵APD探测器 array beam laser 3D imaging spatial light modulator array APD detector 红外与激光工程
2019, 48(6): 0606001
激光雷达是一种可以精确、快速获取目标三维空间信息的主动探测技术，在目标的识别、分类和高精度三维成像及测量方面有着独特的技术优势，应用范围和发展前景十分广阔。本文详细阐述了激光雷达探测以及三维成像系统的各种体制、探测原理等；总结和梳理了国内外单点扫描、线阵推扫以及面阵三维成像激光雷达系统的发展现状；同时对比分析了它们在星载、机载、车载等不同平台和应用领域的技术特点及优劣势等。近年来，三维成像激光雷达逐渐从单点扫描向小面阵扫描和线阵推扫式及面阵闪光成像发展，成像速度越来越快；同时单光子探测技术逐渐成熟，探测灵敏度越来越高。随着现代探测技术越来越趋向于多种传感器的融合探测发展，三维成像的发展也趋向于主、被动成像相结合，以获取更丰富的目标信息。
激光测距 激光雷达三维成像 扫描激光三维成像 面阵激光三维成像 laser ranging LiDAR 3D imaging laser scanning 3D imaging planar array laser 3D imaging
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 激光与物质相互作用国家重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
点云分割是点云分类、识别以及三维重建等处理的基础, 分割结果对后续应用影响巨大。本文提出利用连通点集改进局部表面凸性算法中邻近点关系的方法, 解决目前激光三维成像系统点云分割算法在处理复杂环境散乱点云时存在分割过度及分割不充分的问题, 通过主顶点与周围点构成连通集, 作为分割判断局部子点集, 形成有效分割区域。该方法解决了常用点云分割方法无法对形状不规则物体进行有效分割的问题, 提高了分割精度。算法实验结果表明, 相比于最小切割算法和区域生长算法, 基于连通点集的改进局部表面凸性算法对实际路面环境信息的分割效果更好, 并能在一定程度上避免分割过度和分割不充分的情况, 证明该方法适用于复杂环境散乱点云数据分割。
激光三维成像 点云分割 连通点集 局部表面凸性 three-dimensional laser imaging segmentation for point cloud connected point sets local convexity
1 固体激光技术重点实验室, 北京 100015
2 华北光电技术研究所, 北京 100015
比较了几种无扫描激光三维成像技术的优缺点, 提出一种基于双通道接收的强度调制型无扫描激光三维成像技术, 该技术具有成像速度快、精度高、可靠性好、距离远的特点。采用大功率脉冲激光器作为激光照射源, 两路ICCD同时接收, 双通道分光系统将接收回波分到两路ICCD, 通过两路ICCD强度信息反演出目标各点距离信息。重点介绍了该项技术工作原理和实现方法, 研制了原理样机, 进行了成像实验, 对成像结果进行了分析, 实现了作用距离5.1 km、作用距离30 m时距离分辨率0.25 m的技术指标。
无扫描激光三维成像 强度调制 双通道接收 增强电荷耦合器件 scannerless laser three dimensional imaging instensity modulation multi-channel receiving ICCD 红外与激光工程
2016, 45(12): 1206008
1 中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083
2 中国科学院红外探测与成像技术重点实验室，上海 200083
本文提出一种基于距离图像中值和双边组合滤波的曲面光顺方法，适用于激光扫描成像系统。该方法充分利用激光扫描成像系统输出的距离图像所包含的空间拓扑信息，结合双边滤波思想在曲面光顺应用中的优势与不足，采用二维处理方式实现曲面光顺，能最大程度保持曲面原形，同时大大降低了计算复杂度。实验结果表明，该方法能有效实现曲面光顺，且相比于传统算法有8 倍以上的速度提升，更能满足实时性要求。
信号处理 激光三维成像 中值滤波 双边滤波 曲面光顺 information processing laser 3D imaging median filtering bilateral filtering surface smoothing
中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院空间主动光电技术重点实验室, 上海 200083
离轴三反光纤阵列激光三维成像发射系统中, 大功率激光器发出的激光经阵列光纤分束, 由光纤的芯径和单元发散角计算离轴三反光学系统的焦距, 由光纤的数值孔径确定系统的入瞳直径范围, 光纤阵列的长度决定了光学系统的发射总视场。离轴三反光学系统采用正向设计、反向使用的思路, 将光纤阵列置于离轴三反光学系统焦面位置, 反向追迹光线, 可以得到光纤阵列上各元激光经光学系统后的高斯光束发散角大小和相邻元之间的角度关系。文中的设计实例实现了51元激光, 每一元以20 μrad的较小发散角出射, 实例表明, 该发射系统能实现多元激光微弧度量级的发散角出射, 在目标面上形成间隔均匀、圆对称性良好的足印光斑。该发射系统在设计的发射总视场内, 理论上不存在波束数的限制, 这是区别于其他发射系统的另一优势。
激光三维成像 准直系统 离轴三反 光纤阵列 3D laser imaging emitting system off-axis three-mirror system fiber-array 红外与激光工程
2016, 45(4): 0406001
中国科学院上海技术物理研究所 空间主动光电技术与系统实验室，上海 200083
基于Xilinx XC2V3000芯片设计了一种应用于星载多通道快速激光三维成像雷达中的抗辐照增强型时间-数字转换(Time-to-Digital Converter, TDC)系统。单板2片FPGA内实现了16通道高精度时间间隔测量。采用了多延时链冗余结构，每个测时通道由3个物理测时链路组成，最后通过三模冗余增强抗单粒子翻转能力。并应用了通道均匀性校准修正技术，解决了多通道测时均匀性问题。实验结果表明，系统测时精度达到62.9 ps，通道一致性较好，满足激光雷达三维成像要求，同时该技术方案具有低功耗、轻量化等特点。
激光三维成像雷达 时间-数字转换系统 空间应用 资源有限 三模冗余 3D imaging laser radar TDC system space applications resources-limited triple modular redundancy
