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先进激光三维成像雷达技术的研究进展与趋势分析

百家作者：人工智能学家 2019-11-23 15:13:22

本文内容转载自《激光杂志》2019年第5期，版权归《激光杂志》编辑部所有。

杨兴雨，李晨，郝丽婷，王元庆，古丽孜热∙艾尼外

南京大学，伊犁师范学院

摘要：激光雷达具有体积小、质量轻、探测距离远、高分辨率、高精度、高密度、快速成像等优点，目前已经成为世界各国优先发展的新式雷达。尤其是激光三维成像雷达技术，在科学实验领域、民用领域、商用领域以及军事领域迫切需求的刺激下，各种先进激光三维成像雷达技术迅速发展起来了。详细描述了不同体制下的激光三维成像雷达的研究现状，分别以国内外最先进的激光三维成像雷达为例，分析其基本成像原理，归纳其性能，对比不同体制激光三维成像雷达的优势与缺陷，总结出激光三维成像雷达未来的发展趋势，最终展望其应用前景。

关键词：三维成像；先进激光雷达；研究进展；趋势

1 引言

激光雷达技术在市场迫切需求的刺激下，不同体制下的激光雷达在不同应用背景和应用环境中应运而生，并且得到了快速发展。激光三维成像雷达是近十几年快速崛起的激光雷达技术之一，其在科研领域、民用领域、商用领域以及在军事领域都具有极大的应用价值和巨大的发展潜力。激光三维成像雷达根据探测方式的不同可分为扫描式激光三维成像雷达和无扫描式激光三维成像雷达。

扫描式激光三维成像雷达是通过机械扫描或者非机械扫描来控制激光脚点对目标物进行逐点扫描来获取目标的三维信息，这种方式的探测效率以及分辨率依赖于探测器的阵列规模。扫描式的激光三维成像雷达是以单点发射激光的模式，对激光器的频率和能量参数要求较高，硬件光电系统的工程实现较为复杂。无扫描式的激光三维成像雷达主要通过增益调制、光子计数、距离选通、激光编解码、闪光解调等方式实现对中远距离的目标进行三维信息的获取。无扫描式激光三维成像雷达能够对运动的目标进行无失真成像，并且具有高帧频、超高分辨率、成像速度快、可靠性高、体积小、质量轻等优点，在侦察、识别以及实时成像要求较高的军事领域有着至关重要的作用。目前已经成为世界各国的研究的重点和热点，这种机制下的激光三维成像雷达将是未来发展的主要趋势。

分别描述了扫描方式及无扫描方式的激光三维成像雷达，分析其基本成像原理，归纳对比每种激光三维成像雷达的技术参数，总结对比其优缺点，展望未来激光三维成像雷达技术的主流发展方向。

2 扫描式激光三维成像雷达技术

扫描式激光三维成像雷达技术采用单元探测器加光机扫描的工作模式，可实现远距离探测成像。按照不同的应用背景以及具体实现成像方法的不同，其分类方式也有所区别。按照扫描成像方式的不同，可分为点阵扫描成像、线阵摆扫成像、线阵推扫成像以及块状扫描成像等成像雷达技术。按照有无机械扫描装置，可分为机械扫描三维成像激光雷达技术和非机械扫描式三维成像激光雷达技术。

根据有无机械扫描装置，文章描述分析了几种具有代表性的先进激光三维成像雷达技术的基本成像原理以及关键技术参数。

2.1 机械扫描式三维成像激光雷达技术

机械扫描式激光三维成像雷达较为典型的系统主要有摆镜扫描式、光楔扫描式、光纤扫描式以及旋转推扫式等。

2.1.1 摆镜扫描式

典型的摆镜扫描式激光三维成像雷达系统以美国麻省理工学院林肯实验室（M．I．T．Lincoln Laboratory，MIT／LL）研制的第一代（Gen-Ⅰ）激光三维成像雷达和第二代（Gen-Ⅱ）激光三维成像雷达。

Gen-Ⅰ系统采用了532nm波长的二极管泵浦激光器作为系统光源，4×4像元盖革模式（Gm-model）APD面阵探测器作为回波信号接收单元，APD阵列的像元尺寸为100μm×100μm，有效面积30μm×30μm。如图1所示，Gen-Ⅰ系统利用一对单轴扫描镜扫描获取到32x32阵列的三维点云图。

图1 Gen-Ⅰ激光雷达系统结构示意图

Gen-Ⅱ系统采用了Nd：YAG固体倍频微晶片泵浦激光器作为激光雷达系统光源，32x32像元盖革模式（Gm-model）APD面阵探测器作为回波信号接收单元。系统结构原理示意图如图2(a)所示，Gen-Ⅱ系统利用了一个两轴扫描镜扫描±20︒视场角内目标信息，为了提高系统探测性能，Gen-Ⅱ系统在APD阵列焦平面前增加了微透镜阵列来进一步集中激光回波信号的能量，系统结构设计图以及实物图如图2(b)和(c)所示。

图2 Gen-Ⅱ激光三维成像雷达系统

Gen-Ⅰ和Gen-Ⅱ激光三维成像雷达系统都是基于盖革模式APD阵列的激光雷达系统。这种激光雷达系统的基本原理都是主动式探测，通过激光器发射的单脉冲激光泛照在目标物区域，目标反射的回波信号经接收光学系统被APD阵列接收，从而获取到激光的飞行时间（ToF：Time of Flight），最终通过计算得到探测目标与激光成像雷达系统之间的相对距离，获取目标的三维图像，其基本原理图如图3所示。

图3 Gm-APD激光三维成像雷达原理图

2.1.2 光楔扫描式

典型的光楔扫描激光三维成像雷达系统以美国Sigma空间实验室的光子计数激光三维成像雷达与哈尔滨工业大学小卫星技术研究所研制的小面阵快扫描激光成像系统为例。

Sigma空间实验室设计研发的光子计数激光三维成像雷达采用了532nm的Nd：YAG微芯片倍频激光器，该激光器能产生6x10-3 mJ的瞬时单脉冲能量，这些能量被光学衍射元件（DOE）分束成10x10的高斯光束阵列，通过带有双光楔扫描器件光学发射通道覆盖探测目标区域，最终实现了4.7km左右目标探测，其系统实物图如图4所示。

图4 双光楔扫描光子计数激光成像雷达

哈尔滨工业大学小卫星技术研究所研制的小面阵快扫描激光成像系统采用线性5 X5 APD（Lm-APD）阵列作为探测接收端，选择了转速600 r／min，楔角1.5︒，直径75 mm的双光楔作为扫描器件，实现了128x128像素阵列的成像，该系统结构示意图如图5所示。

图5 块扫描激光雷达成像系统机构图

光楔式扫描激光成像雷达的基本成像原理也是通过时间飞行技术（ToF）来计算目标与激光雷达系统之间的相对距离，从而获取目标三维信息的。其不同于其他扫描式激光雷达系统在扫描器件上采用了双光楔扫描器，对发射光路的激光束进行光束整形后投影至探测目标物进行的探测。光楔扫描的最大特点就是扫描角度大，扫描速度快，但由于色散影响成像质量，一般不用于高精度激光成像雷达，光楔扫描的基本原理示意图如图6所示，随着光楔转动角度的不同，经两次折射产生的光束投影方向也发生变化。

图6 双光楔扫描基本原理示意图

2.1.3 光纤扫描式

光线扫描式激光雷达是一种新型的扫描成像激光雷达，典型代表有德国Dornier公司生产的HELLAS激光雷达系统和Toposys公司生产的Falcon系列的激光成像雷达系统。其中，HELLAS激光雷达系统成功的装备了德国EC-135和美国UH-60黑鹰直升机系统中实现军用直升机的前视避障功能，图7所示为美国UH-60黑鹰直升机系统中的HELLAS激光雷达系统和避障过程中障碍物的成像效果图。

图7 HELLAS激光雷达系统及成像效果图

光纤扫描式激光雷达的基本原理如图8所示，控制系统产生触发信号来控制激光器的脉冲触发，扫描系统控制激光束按照不同的脉冲序列耦合到中心光纤按照一定角度投影到探测目标，从目标处返回的回波信号通过光接收系统，依次耦合到接收光纤阵列中，最终通过接收扫描系统将回波信号依次扫描到接收端探测器上，实现对目标三维信息的获取。

图8 光纤扫描式激光三维成像雷达原理图

2.1.4 旋转推扫式

旋转推扫式激光三维成像雷达是通过旋转激光束产生不同发射光信号实现对回波信号探测的激光雷达系统，典型代表有南京大学SIT实验室研发的群像素激光三维成像雷达系统，实物图如图9所示。群像素激光三维成像雷达系统的两代激光雷达样机分别采用了波长1064 nm、重复频率10 kHz、单脉冲能量7mJ的激光器作为系统光源，8x8 Lm-APD阵列作为探测器单元，其扫描结构采用了旋转群组构，将激光束在时间域和空间域进行编码后投影至目标物，同时激光雷达主体随着载荷前视推扫，形成面阵激光脚印，回波信号被接收系统接收，通过数字解码的形式将数字信号解调出回波信号的相位、时间信息，最终形成点云图。

图9 群像素激光三维成像雷达样机

群像素激光三维成像雷达的基本原理如图10所示，激光束被发射光路整形为带状激光束，被旋转群组构在空间上分割为若干编码激光点，通过望远系统投影至目标物处，形成激光脚印阵列，这些具备“特殊身份”的激光脚印经反射被激光雷达所捕获，通过时间飞行技术获取到激光脚印的亚像素三维信息，形成三维点云图。

图10 群像素激光三维成像雷达基本原理

2.2 非机械扫描式三维成像激光雷达技术

非机械扫描式三维成像激光雷达技术是一种基于无机械扫描器件的扫描式激光雷达。较为典型的有基于声光扫描技术、液晶扫描技术及微电子机械系统微镜扫描技术等非机械扫描式激光三维成像雷达。

2.2.1 声光扫描式

典型的声光扫描式激光三维成像雷达以中国科学院上海光学精密机械研究所研发的声光扫描三维视频激光雷达为例，实物图如图11所示，该系统采用二维声光扫描技术，大大提高了扫描速度，能够精确测量激光脉冲的飞行时间，实现高精度的三维视频成像，像素分辨率达到了220×220，角度分辨率0.182mrad。

声光扫描式激光三维成像雷的基本原理示意图如图12所示，系统通过改变声光器件的声音频率来改变激光的发射角度，其原理如公式(1)：

式中，λ表示激光波长，∆fs表示超声波的频率，n为声光介质的折射率，vs表示超声波在介质中的传播速度，∆θ表示光束偏转角。

图11 声光扫描式激光三维成像雷达样机

同时采用高精度时间差检测电路来检测发射的脉冲光与回波信号的时间差，再利用时间飞行技术计算出距离信息，最终形成三维点云图。

图12 声光扫描激光三维成像雷达原理图

2.2.2 液晶扫描式

液晶扫描式激光成像雷达典型代表电子科技大学研发的液晶光学相控阵激光成像雷达系统，如图13(a)所示系统结构框图。在“十一五”和“十二五”规划期间，电子科技大学研制了1920阵元的以为投射式液晶相控阵激光成像雷达，阵元宽度为5μm，光源采用的新型二极管Nd：YAG脉冲激光器，波长1064nm@20 Hz，单脉冲能量50mJ，脉宽10 ns-13 ns，可以实现4︒范围内连续扫描，其实物图如图13(b)所示。

图13 液晶光学相控阵激光成像雷达系统结构图与系统实物图

液晶光学相控阵激光成像雷达的基本工作原理架，首先根据需要实现的出射光束的偏转角度计算，获得理论上所需要的电压代码，将得到的电压代码输入到已有的控制程序中，获取实际加载在液晶相控阵上的电压值并与相控单元的相位调制相对应，液晶相控阵根据这个指令进行相应的响应，得到与输人的电压值相一致的相位延迟，实现光束的偏转方向与设定的角度相同，通过信号接收端实现信号采集和处理，最终形成强度像或者距离像。

2.2.3 MEMS微镜扫描式

微电子机械系统（MEMS）微镜扫描式激光雷达典型代表以美国陆军研究实验室（ARL）研究的MEMS微镜扫描激光成像雷达系统为例，其实物图如图14所示。该系统可实现帧速度5-6 Hz，像素分辨率256x128，视场角60︒x30︒的目标进行探测。

图14 MEMS微镜扫描激光成像雷达系统实物图

MEMS微镜扫描激光成像雷达的基本工作原理是通过MEMS微镜扫描激光器发射的脉冲光信号，改变光束的发射角度，通过信号接收端实现信号采集和处理，最终获取目标的三维信息。这种激光雷达便于集成化、轻小化，对未来无人机载荷具有很大优势。

3 无扫描式激光三维成像雷达技术

激光三维成像雷达的本质是激光测距，无扫描式激光三维成像雷达按照测距方式的不同可分为直接测距法和间接测距法。直接测距法是利用探测器阵列直接测量每个像素点的时间信息，计算出每个像素点的距离信息。常见的直接法探测激光三维成像雷达主要有基于Lm-APD阵列的闪光式激光三维成像雷达以及基于Gm-APD阵列的光子计数激光三维成像雷达。间接测距法是将可探测的光强、振幅、相位、频率、偏振态等信息转换为时间信息，再计算得出距离信息。常见的间接法探测激光三维成像雷达主要有调频连续波激光三维成像雷达、基于偏振调制的激光三维成像雷达、条纹管激光三维成像雷达以及增益调制型激光三维成像雷达等。

3.1 直接测距三维成像激光雷达技术

3.1.1 Lm-APD阵列激光三维成像雷达

基于线性雪崩光电二极管阵列的闪光式激光三维成像雷达是典型的直接测距无扫描式激光三维成像雷达。较为典型代表系统有TigerEYE系统、DragonEYE系统等。

TigerEYE闪光式激光三维成像雷达系统是美国先进科技概念公司（ASC）研发的一款基于Lm-APD阵列的激光三维成像雷达系统，实物如图15所示，该系统光源采用了对人眼无害的红外激光，波长1570nm，脉宽5ns，单脉冲能量7 mJ。探测器为128×128的Lm-APD阵列，系统视场角最大可达45︒，探测距离不小于2 km，系统重量不大于2 kg。“虎眼”可实现全天时60 f／s的实时成像，而且具备距离选通成像的能力，能够穿透烟雾等障碍进行探测成像。

图15 TigerEYE闪光式三维成像雷达系统

DragonEYE闪光式激光三维成像雷达系统是ASC与NASA等合作研发的一款激光成像雷达系统。系统采用1570 nm激光器作为光源，128×128 Lm-APD焦平面阵列作为探测器，距离精度可达60 cm@4km，系统重量仅有3 kg，其成功安装在奋进者号上，如图16所示。

图16 安装在奋进者号的DragonEYE系统

基于Lm-APD焦平面的阵列TigerEYE与Drag-onEYE，其基本工作原理都是由系统发射一个或者多个脉冲激光，所有像素点的距离信息直接被对应的传感器阵列接收，通过闪光成像的方式，获取目标的三维信息。

3.1.2 Gm-APD阵列激光三维成像雷达

Gm-APD具备单光子计数特性，基于Gm-APD阵列激光三维成像雷达也称作光子计数激光三维成像雷达。较为典型的代表MIT／LL研发的第三代Gen-Ⅲ激光雷。

Gen-Ⅲ系统是MIT／LL研发的第三代激光成像雷达系统，系统光学结构简图如图17所示，该系统的光源采用了被动调Q二极管泵浦激光器，波长532nm，32x32 Gm-APD探测器阵列作为接收端，像素间距100 μm，探测效率大于20％，视场角10.3 mrad×10．3 mrad，距离分辨率15 cm，成像频率可达10 kHz。

图17 Gen-Ⅲ系统光学结构简图

光子计数激光成像雷达区别于Lm-APD阵列激光三维成像雷达，其本质是通过对脉冲飞行时间进行统计测量。其测量基本原理如图18所示，在时间域上回背景光和探测器噪声的分布较为平均，有效回波信号单次测量具有偶然性，经过多次测量统计后才具有实际探测的意义，如图所示，多次统计测量后可准确的获取探测目标的距离信息。

图18 统计测量基本原理简图

3.2 间接测距三维成像激光雷达技术

3.2.1 调频连续波激光三维成像雷达

调频连续波（FMCW）激光三维成像雷达是通过将频率信息转换为时间信息后计算出成像雷达与目标相对距离的间接式激光三维成像雷达，较为典型代表美国陆军实验室研发的“FOPEN”激光雷达，其实物图如图19所示。光源采用了1550 nm的连续输出的激光二极管激光器，640x512探测器作为信号接收端，视场角35︒x35︒，测距精度小于3 cm。

“FOPEN”激光雷达的基本原理通过调制信号发生器产生调频信号，一路作为连续波激光器的调制信号来控制激光器发射的激光瞬时功率随调频信号变化，另一路作为接收子系统的本振信号，光电探测器将目标反射的回波信号转换为电流信号，其中的交流信号与本征信号混频形成差频信号，差频信号经过滤波、放大和采样后，通过解算频率信息得到目标的距离信息。

图19 “FOPEN”激光雷达系统实物图

3.2.2 条纹管激光三维成像雷达

条纹管激光三维成像雷达（STIL）的本质是将脉冲激光的飞行时间转换为荧光屏上条纹的相对距离。较为典型代表为哈尔滨工业大学研发的单缝条纹管激光三维成像雷达，实物图如图20所示。该系统进行了远距离目标成像，最远距离可达6 km，其系统分辨率可实现0.02 m@3 m以及1 m@6 km。

图20 STIL系统实物图

条纹管激光三维成像雷达基本成像原理如图21所示，线光视场内不同位置目标回波信号的距离差反映在回波信号到达光电阴极上的时间差，即光阴极上产生电子的时间差。这些电子经过加有斜坡电压电极作用下偏转，标志从不同回波信号的光电子发生偏转，在纵轴上的偏转距离不同，再通过微通道板进行放大，使电子离散地变化反映在纵轴方向上，最终分离开，轰击到磷屏上，被标记下来。最终通过微距透镜，将磷屏上的图像接收到CCD上并通过计算机或者单片机进行储存。

图21 STIL系统原理图

3.2.3 增益调制型激光三维成像雷达

增益调制型激光三维成像雷达是根据CCD上获得目标强度信息反演出测距时间，最终获取目标距离信息的成像雷达。较为典型的为哈尔滨工业大学研究的双ICCD线性增益调制成像激光雷达，其系统结构简图如图22所示。该系统的测距精度达到了mm量级，而且表示指数增益变化快慢的调制时间常数越小精度越高。

图22 双ICCD线性增益调制激光雷达

双ICCD线性增益调制激光雷达的基本原理是激光器产生窄脉宽脉冲信号泛照在探测目标物处，反射的回波信号被接收端的ICCD接收，系统中的两个ICCD分别被两个高压调制器增益调制，其中一个ICCD上的增益随着时间线性增大，另一个ICCD上的增益随着时间线性减小。这两种增益调制的ICCD探测同一目标，获取的图像相除，消除激光脉冲形状、大气散射率等因素的影响，最终精确的解算出测距时间，获取目标的距离信息。

4 优劣势对比分析及发展趋势

4.1 优劣势对比分析

不同体制下的激光三维成像雷达技术在特定的应用领域存在着优势和劣势，在不同的使用要求以及使用条件下，不同的激光雷达技术也存在着优缺点。在大的方面扫描式的激光三维成像雷达系统一般结构复杂，控制精度要求高以及存在着能量利用效率较低的问题，在远距离高精度探测方面与无扫描式的激光三维成像雷达系统不具有优势。无扫描式的激光三维成像雷达系统一般系统结构较为简单，系统控制精度较高，但受限于探测器阵列规模，分辨率在相同条件下较低。为了更清晰地描述具体体制下的激光成像雷达的优缺点，按照上述文章总结的不同体制的成像雷达展开分析。

机械扫描式激光三维成像雷达机械扫描装置结构复杂，制造工艺要求高，难以实现远距离探测，但在实现相同分辨率的目标探测可节约探测器规模和数量，以扫描的方式高效利用探测器。在实现较远距离探测时需要增大激光能量，增加成本，增加系统体积、重量，同时也增大系统功耗、系统噪声等。

无机械扫描式激光三维成像雷达相对扫描式激光成像雷达结构简单，控制精度较高，但对扫描材料要求较高，在承受大功率激光辐照存在困难，难以实现远距离目标探测，激光能量利用效率不高。

直接测距式激光三维成像雷达，基于Lm-APD焦平面阵列闪光式激光三维成像雷达测距精度高、作用距离远、成像速度快、对运动目标无失真成像、抗干扰能力强。但Lm-APD单元容易饱和，未知强光信号还可能导致期间损坏，导致系统稳定性较差。另外，目前Lm-APD阵列规模较小，严重限制了三维成像的分辨率，Lm-APD的发展已处于一个瓶颈阶段，并且探测器成本造价较高。

基于Gm-APD阵列闪光式激光三维成像雷达具备单光子探测的特点，灵敏度高、探测距离远、抗环境干扰能力强、信噪比较高。但统计测量数据量大，后端数据处理能力要求高，成像速度较慢，对于动态目标探测成像效果容易失真，同时由于灵敏度较高，近距离探测极容易饱和或者损坏。大阵列Gm-APD器件造价昂贵，造成系统成本一般比较大。

间接测距的FMCW激光三维成像雷达抗干扰能力强、信号处理简单、不存在测距盲区、距离模糊、近距离测量精度高。但连续激光的功率一般较低，难以支撑中远距离探测，对激光器的超宽带调制难以实现，并且光电混频探测器成本较高，现阶段已处于技术瓶颈期，存在技术短板，该方法成像速度慢，解算距离需要FFT运算，成像的实时性不高。

条纹管激光三维成像雷达（STIL）探测距离远、距离分辨率较高、视场角较大、抗干扰能力强、成像速度快、技术比较成熟。但系统能量损耗太大，利用效率太低，体积庞大，功耗加大，系统噪声大造成成像质量较差。

增益调制型激光三维成像雷达系统结构简单、测距精度高、数据量较小、距离解调算法容易实现、成像速度快。但系统ICCD的驱动功耗较大，系统能量利用效率较低，作用距离较近，系统成像质量不高，分辨率较差。

4.2 发展趋势

激光成像雷达在科学研究领域、商业领域、民事应用领域以及军事领域都是紧迫需求的一种新兴技术，在改变发展现阶段各种体制下的激光雷达技术迫在眉睫。未来的激光雷达的发展方向以及改进方向总结如下：

(1)小体积、轻重量、集成化程度高，最终达到芯片级；

(2)系统结构简单化、系统性能多功能化；

(3)作用距离更远、分辨率更高、信噪比更高、视场角更大；

(4)成像速度更快，实时成像质量更高；

(5)提高系统能量利用效率，减少探测器阵列规模，提高探测器灵敏度，降低系统成本；

(6)提高系统稳定性及更复杂环境的适应性；

(7)提高雷达系统的隐蔽性和保密性；

(8)激光雷达的网络化和智能化，提高对目标的探测、追踪、识别和定位的准确性。

激光成像雷达在未来人们生活以及现代战场中将是无法替代不可或缺的设备，将是人们获取信息的重要手段之一，特别是在未来信息战中，激光成像雷达将是战争能否取得胜利的法宝，是未来人们关注的重点重大科学方向之一。

5 结束语

对机械扫描式、非机械扫描式以及无机械扫描式激光三维成像雷达进行了综述，阐述了不同体制下先进的激光三维成像雷达及其基本成像原理，对比分析了这些体制下的激光三维成像雷达系统的优势和劣势，归纳其特点，总结了未来激光成像雷达的发展方向以及发展趋势，展望未来激光成像雷达的科技地位。文中对不同体制下的激光三维成像雷达的综述总结为未来激光成像雷达的发展提供了借鉴作用。