【摘要】：3D非掃描激光雷達(dá)能通過(guò)單脈沖獲取目標(biāo)三維信息，具有成像速度快，重量輕，體積小等優(yōu)勢(shì)，因此成為激光雷達(dá)的主要發(fā)展方向。然而由于3D非掃描激光雷達(dá)與掃描成像激光雷達(dá)在成像機(jī)制上存在著很大的差別，其成像性能及后期的距離估計(jì)技術(shù)也存在明顯的區(qū)別。目前針對(duì)3D非掃描激光雷達(dá)的研究工作主要集中在探測(cè)器件的生產(chǎn)制造以及成像器件的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)于系統(tǒng)性能分析以及如何準(zhǔn)確獲取目標(biāo)距離信息的研究尚未廣泛展開(kāi)。因此針對(duì)3D非掃描激光雷達(dá)系統(tǒng)，研究其系統(tǒng)成像性能以及如何準(zhǔn)確的得到目標(biāo)距離信息具有重要的理論價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。 本文一方面對(duì)3D非掃描激光雷達(dá)系統(tǒng)成像性能進(jìn)行了深入研究，分析了系統(tǒng)探測(cè)性能與系統(tǒng)器件間的量化關(guān)系：包括系統(tǒng)的作用距離，探測(cè)概率，虛警概率，信噪比，距離精度以及距離分辨率等參數(shù)與系統(tǒng)器件的關(guān)系，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及后期的距離估計(jì)技術(shù)的研究提供理論基礎(chǔ)。另一方面提出了多種3D非掃描成像激光雷達(dá)距離估計(jì)算法，與傳統(tǒng)算法相比，系統(tǒng)的距離估計(jì)精度得到了極大的提升。具體研究工作包括： （1）對(duì)3D非掃描激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行了分析，并對(duì)系統(tǒng)作用距離、探測(cè)概率和虛警概率進(jìn)行了研究。證明了3D非掃描激光雷達(dá)系統(tǒng)可以近似為非相干成像系統(tǒng)，對(duì)大視場(chǎng)條件下的系統(tǒng)作用距離方程進(jìn)行了修正，推導(dǎo)了3D非掃描激光雷達(dá)探測(cè)概率和虛警概率計(jì)算公式，分析了探測(cè)概率和虛警概率影響因素。 （2）利用參數(shù)估計(jì)的方法對(duì)3D非掃描激光雷達(dá)距離精度進(jìn)行了研究，分析了距離估計(jì)方差的Cramer-Rao下限（CRLB），推導(dǎo)出了3D非掃描激光雷達(dá)距離估計(jì)方差的CRLB計(jì)算公式。利用Monte Carlo仿真結(jié)果證明了推導(dǎo)的距離估計(jì)方差的CRLB具有有效性。最后，通過(guò)推導(dǎo)的距離估計(jì)方差的CRLB，對(duì)3D非掃描激光雷達(dá)的距離精度影響因素進(jìn)行了分析，從理論上給出了提高目標(biāo)距離精度的相關(guān)途徑。 （3）利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論分析了距離分辨率的CRLB，推導(dǎo)出了3D非掃描激光雷達(dá)距離分辨率的CRLB計(jì)算公式，分析了CRLB隨距離間隔的變化關(guān)系，利用CRLB對(duì)3D非掃描激光雷達(dá)距離分辨率的影響因素進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，提高回波信號(hào)的信噪比和采樣速率都可以減小距離間隔估計(jì)方差的CRLB，從而提高成像系統(tǒng)距離分辨率，，針對(duì)特定的采樣速率，存在最佳激光脈沖發(fā)射寬度，使得系統(tǒng)距離分辨率達(dá)到最高。 （4）針對(duì)3D非掃描激光雷達(dá)多表面目標(biāo)距離估計(jì)問(wèn)題，提出了基于期望值最大化（EM）的單像素多表面目標(biāo)距離估計(jì)算法，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的參數(shù)化，該算法可以同時(shí)估計(jì)出成像系統(tǒng)點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)和目標(biāo)的距離信息。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)的混合高斯匹配算法和維納空間濾波算法，該算法在系統(tǒng)點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)未知的條件下，可以將目標(biāo)的距離估計(jì)精度分別提升70%和40%。 （5）針對(duì)3D非掃描激光雷達(dá)空間欠采樣目標(biāo)距離估計(jì)的問(wèn)題，提出了一種基于EM方法的空間欠采樣目標(biāo)距離估計(jì)算法，通過(guò)將高空間分辨率的2D圖像與低空間分辨率的3D圖像融合的方法，提高空間欠采樣目標(biāo)的距離估計(jì)精度。仿真和實(shí)驗(yàn)室成像結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)的鄰近插值算法、線性插值算法和雙三次插值算法，該算法能明顯提升空間欠采樣目標(biāo)距離估計(jì)精度。 （6）針對(duì)非等暈條件下3D非掃描激光雷達(dá)的距離估計(jì)，推導(dǎo)了非等暈條件下的系統(tǒng)傳遞函數(shù)，提出了一種基于EM的非等暈條件下目標(biāo)距離估計(jì)算法，該算法可以同時(shí)準(zhǔn)確的估計(jì)出目標(biāo)距離信息和系統(tǒng)傳遞函數(shù)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比于現(xiàn)有的高斯匹配算法，該算法能將距離精度提升70%，相比于等暈假設(shè)下的目標(biāo)距離估計(jì)，該算法能將目標(biāo)距離估計(jì)精度提升15%，系統(tǒng)傳遞函數(shù)的估計(jì)精度從8%左右提升到4%以內(nèi)。該算法對(duì)3D非掃描成像激光雷達(dá)遠(yuǎn)距離實(shí)際應(yīng)用有較大意義。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：TN958.98

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2382334