激光雷達(dá)成像目標(biāo)回波模擬時(shí)空匹配方法

王超峰，王帥豪，張業(yè)鑫，馮曉晨，張 琰，孟宇麟，田 義

（上海機(jī)電工程研究所，上海 201109）

激光雷達(dá)是以激光測(cè)距技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)發(fā)射激光脈沖信號(hào)照射目標(biāo)并由探測(cè)器接收來(lái)自目標(biāo)不同的有效光學(xué)截面的回波信號(hào)，根據(jù)激光信號(hào)到達(dá)各個(gè)目標(biāo)點(diǎn)和返回的飛行時(shí)間，形成角度-角度-距離圖像，進(jìn)而構(gòu)建出目標(biāo)三維圖像［1］。隨著激光雷達(dá)探測(cè)裝置的快速發(fā)展，激光雷達(dá)憑借分辨率高、探測(cè)精度高、抗干擾性強(qiáng)等眾多優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為國(guó)內(nèi)外軍事領(lǐng)域、民事領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。到目前為止，激光雷達(dá)已經(jīng)在武器精確制導(dǎo)、空中偵察和飛行器避障等方面廣泛應(yīng)用［2-4］。

激光雷達(dá)成像制導(dǎo)武器裝備研制過(guò)程中，需要大量的試驗(yàn)來(lái)測(cè)試其性能，但外場(chǎng)飛行試驗(yàn)易受天氣環(huán)境狀況影響，成本高，周期長(zhǎng)且不可重復(fù)。半實(shí)物仿真可以克服這些缺點(diǎn)，并能夠?qū)す饫走_(dá)信號(hào)的整個(gè)傳輸過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬，產(chǎn)生與實(shí)際相符的激光雷達(dá)回波信號(hào)，更具可控性和重復(fù)性，可縮短研制周期［5］。

激光雷達(dá)回波場(chǎng)景模擬器是半實(shí)物仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵部分［6-8］，其作用是生成與被試激光雷達(dá)探測(cè)設(shè)備時(shí)空匹配的目標(biāo)和背景回波信號(hào)。時(shí)空匹配精度決定了回波信號(hào)的模擬精度。因此，國(guó)內(nèi)外逐步開(kāi)始對(duì)激光雷達(dá)回波場(chǎng)景模擬及時(shí)空匹配方法開(kāi)展相關(guān)研究。

國(guó)外各軍事強(qiáng)國(guó)都非常重視激光雷達(dá)回波場(chǎng)景模擬器的研究［9-12］，2003年英國(guó)BAE 提出了利用光學(xué)MEMS 微鏡陣列構(gòu)造回波信號(hào)模擬顯示裝置，圖像生成計(jì)算機(jī)將強(qiáng)度和距離相關(guān)的信息通過(guò)總線輸入到垂直腔面激光器（VCSEL）的驅(qū)動(dòng)器中。脈沖波形生成算法將強(qiáng)度信息、距離信息通過(guò)總線輸入MEMS 的控制器。VCSEL 的驅(qū)動(dòng)器控制VCSEL 輸出激光，照明MEMS 的微反射鏡陣列，MEMS 的控制器控制微反射鏡陣列中相應(yīng)的反射鏡偏轉(zhuǎn)，每4 個(gè)反射鏡反射的激光合成一路延時(shí)回波波形，經(jīng)過(guò)空間濾波和校準(zhǔn)后在中繼像面上實(shí)現(xiàn)圖像顯示，最后通過(guò)準(zhǔn)直系統(tǒng)進(jìn)入被測(cè)導(dǎo)引頭入瞳。該方案利用光學(xué)MEMS 微鏡陣列可以減少激光器、延時(shí)器、光調(diào)制器的數(shù)量，進(jìn)而降低成本，減小尺寸。但是這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)起來(lái)主要瓶頸在于大規(guī)模的VCSEL陣列，目前仍處于概念階段。

國(guó)內(nèi)也在逐步開(kāi)展激光雷達(dá)回波目標(biāo)模擬技術(shù)的研究，開(kāi)始在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下研制激光雷達(dá)回波目標(biāo)模擬器。北京理工大學(xué)在2019年提出了一種基于可編程全光延時(shí)陣列的回波信號(hào)模擬方法［13］，生成的激光雷達(dá)回波信號(hào)陣列大小為32×32，為激光雷達(dá)回波信號(hào)的模擬提供了一種新的途徑，但目前僅進(jìn)行了系統(tǒng)的關(guān)鍵功能概念驗(yàn)證，并對(duì)多路延時(shí)通道進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其他硬件系統(tǒng)仍處于開(kāi)發(fā)階段，尚未集成出整套激光雷達(dá)回波信號(hào)模擬系統(tǒng)。

上海機(jī)電工程研究所于2020年提出了基于DMD（微快門(mén)陣列）區(qū)域分割的激光雷達(dá)成像目標(biāo)回波信號(hào)模擬方法［14］，生成三維圖像空間，分辨率為64×64×12像素。本文以該方法為基礎(chǔ)，提出激光雷達(dá)成像目標(biāo)回波信號(hào)與被試激光雷達(dá)探測(cè)器的時(shí)空匹配方法，通過(guò)硬件與軟件相結(jié)合的手段降低目標(biāo)模擬系統(tǒng)的像素與被試激光雷達(dá)探測(cè)器像素的時(shí)間和空間的匹配誤差，提升時(shí)空匹配精度，指導(dǎo)后續(xù)激光雷達(dá)回波目標(biāo)模擬器的研制與集成。

1 激光雷達(dá)回波信號(hào)模擬原理

激光雷達(dá)的目標(biāo)回波信息表征了目標(biāo)的四維信息，包括三維空間結(jié)構(gòu)信息和一維激光能量散射信息。三維空間結(jié)構(gòu)信息可分解為一維距離信息和二維角-角空間信息。一維距離信息可進(jìn)一步分解為彈目距離信息和目標(biāo)深度信息。

將上述激光雷達(dá)回波信息映射為功能相互獨(dú)立的功能模塊。如圖1所示，彈目距離模擬延時(shí)器用于模擬彈目距離信息，能量信息模擬單元（包含脈沖激光源和衰減器）用于模擬回波激光脈沖的能量維度信息，目標(biāo)深度信息模擬單元模擬目標(biāo)的深度信息，目標(biāo)角-角空間信息模擬單元用于模擬對(duì)應(yīng)深度切片的角-角空間切片圖像。最后光學(xué)信號(hào)通過(guò)光學(xué)投影鏡頭與激光雷達(dá)導(dǎo)引頭接收機(jī)進(jìn)行適配。

圖1 激光雷達(dá)目標(biāo)回波信息等效映射Fig.1 Equivalent mapping of LiDAR imaging target return signal

進(jìn)一步將各功能模塊分解，通過(guò)電延時(shí)方式實(shí)現(xiàn)彈目距離模擬延時(shí)器，可以模擬較大的延時(shí)范圍，同時(shí)通過(guò)雙通道的方式補(bǔ)償系統(tǒng)誤差。雙通道粗控模擬延時(shí)器經(jīng)過(guò)時(shí)間t0給激光雷達(dá)成像導(dǎo)引頭觸發(fā)信號(hào)作為tstart，同時(shí)根據(jù)模型解算彈目距離延時(shí)相應(yīng)時(shí)間t，輸出TTL觸發(fā)脈沖給脈沖激光源。脈沖激光源接收到電觸發(fā)信號(hào)后，輸出激光脈沖，激光脈沖經(jīng)過(guò)衰減器按照模型解算值進(jìn)行衰減，空間激光通過(guò)光纖耦合器耦合進(jìn)入光纖，由此進(jìn)入目標(biāo)深度信息模擬單元。光信號(hào)從自由空間轉(zhuǎn)入光纖內(nèi)傳播，通過(guò)分束器分為N路光信號(hào)，每路信號(hào)的延時(shí)可通過(guò)光纖延時(shí)線精控實(shí)現(xiàn)，且每路可模擬出目標(biāo)的深度信息。N路光信號(hào)做成陣列，分別經(jīng)過(guò)照明微透鏡陣列準(zhǔn)直后照明DMD（微快門(mén)陣列）不同區(qū)域，不同區(qū)域預(yù)先設(shè)置模型，解算軟件生成的圖像切片（目標(biāo)角-角空間信息），經(jīng)過(guò)聚焦透鏡進(jìn)行N路圖像的復(fù)合。最后由光學(xué)投影鏡頭與導(dǎo)引頭的接收機(jī)光學(xué)系統(tǒng)匹配，激光雷達(dá)接收機(jī)接收到各像素的tend信號(hào)。

由于系統(tǒng)具有固有延時(shí)，即使將激光雷達(dá)目標(biāo)回波模擬器的延時(shí)量置為“0”，接收機(jī)接收到的激光脈沖仍存在“微秒”量級(jí)的系統(tǒng)固有延時(shí)，導(dǎo)致最近模擬距離即盲距達(dá)幾百米，不利于飛行軌跡末端的模擬。此外，圖像復(fù)合模塊中各個(gè)微透鏡陣列實(shí)際加工位置與理論存在誤差，該誤差不可避免地受加工精度影響，無(wú)法保證各微透鏡光軸與分割區(qū)域中心對(duì)準(zhǔn)，導(dǎo)致DMD 各成像區(qū)域與相對(duì)應(yīng)的微透鏡陣列不同軸，圖像的空間復(fù)合精度低。因此，為實(shí)現(xiàn)高精度激光雷達(dá)成像目標(biāo)回波信號(hào)的模擬，必須提高模擬器的時(shí)空匹配性，補(bǔ)償仿真系統(tǒng)固有延時(shí)誤差以及空間對(duì)準(zhǔn)誤差。

2 激光雷達(dá)回波信號(hào)時(shí)空匹配方法

目標(biāo)回波信號(hào)的角-角空間信息采用基于微快門(mén)陣列區(qū)域分割的方法模擬，如圖2所示，通過(guò)將大規(guī)模微快門(mén)陣列區(qū)域分割并保證每個(gè)分割區(qū)域成像的空間對(duì)準(zhǔn)，同時(shí)對(duì)與分割區(qū)域相對(duì)應(yīng)的通道在時(shí)間維進(jìn)行“切片”并精確延時(shí)，實(shí)現(xiàn)圖像序列在時(shí)間維與空間維的生成。

圖2 激光雷達(dá)成像目標(biāo)回波信息模擬原理Fig.2 Principle of return signal simulation for LiDAR imaging target

2.1 時(shí)間匹配方法

時(shí)間控制采用粗控與精控延時(shí)相結(jié)合、雙通道系統(tǒng)差分補(bǔ)償?shù)姆桨?，粗控延時(shí)模擬彈目距離，決定了目標(biāo)模擬器的延時(shí)范圍，精控延時(shí)用于模擬目標(biāo)沿視線方向的縱深。

粗控電延時(shí)采用雙通道系統(tǒng)差分補(bǔ)償?shù)姆椒?，如圖3所示，電延時(shí)模塊采用雙通道延時(shí)控制，能夠通過(guò)通信接口接收來(lái)自上位機(jī)對(duì)2 個(gè)通道的延時(shí)時(shí)間量Δt1和Δt2，通過(guò)接口I1和I2響應(yīng)來(lái)自激光雷達(dá)發(fā)射機(jī)的觸發(fā)信號(hào)，2 個(gè)通道分別按照延時(shí)量進(jìn)行延時(shí)Δt1和Δt2 后，通道1 的信號(hào)經(jīng)O1輸出給目標(biāo)模擬器的激光器，通道2的信號(hào)經(jīng)O2輸出給激光雷達(dá)接收機(jī)。

圖3 雙通道延時(shí)差分補(bǔ)償原理Fig.3 Principle of dual channel delay differential compensation

雙通道延時(shí)差分方法針對(duì)激光雷達(dá)接收機(jī)可接收外部計(jì)時(shí)開(kāi)始信號(hào)（tstart），即激光雷達(dá)接收機(jī)與發(fā)射機(jī)之間相對(duì)獨(dú)立。實(shí)際進(jìn)行半實(shí)物仿真時(shí)，為了防止發(fā)射機(jī)的大能量激光脈沖損傷目標(biāo)模擬設(shè)備，激光雷達(dá)發(fā)射機(jī)不工作或不發(fā)光只輸出電觸發(fā)信號(hào)tstart。當(dāng)激光雷達(dá)發(fā)射機(jī)不工作時(shí)，可以用標(biāo)準(zhǔn)波形發(fā)生器代替，與激光雷達(dá)發(fā)射機(jī)輸出電觸發(fā)信號(hào)tstart是等價(jià)的。電延時(shí)模塊具備2 個(gè)通道延時(shí)控制功能，能夠通過(guò)通信接口接收來(lái)自仿真機(jī)對(duì)應(yīng)2 個(gè)通道的延時(shí)時(shí)間量Δt1和Δt2，通過(guò)接口I1和I2響應(yīng)來(lái)自激光雷達(dá)發(fā)射機(jī)或波形發(fā)生器的觸發(fā)信號(hào)，2 個(gè)通道分別按照延時(shí)量進(jìn)行延時(shí)Δt1和Δt2后，通道1 的信號(hào)經(jīng)O1輸出給目標(biāo)模擬器的激光器，通道2 的信號(hào)經(jīng)O2輸出給激光雷達(dá)接收機(jī)作為tstart。目標(biāo)模擬器經(jīng)過(guò)系統(tǒng)固有延時(shí)tsys后，光信號(hào)被激光雷達(dá)接收機(jī)接收并觸發(fā)tend。當(dāng)Δt1=Δt，Δt2=tsys時(shí)，雷達(dá)接收機(jī)實(shí)際測(cè)得的延時(shí)是Δtr=tsys+Δt1-Δt2=Δ。其中Δt是所要模擬的距離延時(shí)。因此，雙通道延時(shí)方案能夠有效補(bǔ)償目標(biāo)模擬系統(tǒng)的延時(shí)。

精控延時(shí)采用光纖延時(shí)方法。N個(gè)通道的時(shí)間間隔即時(shí)間（距離）分辨率決定了可模擬目標(biāo)的距離維尺度。例如10 個(gè)通道，時(shí)間分辨率為1 m，則可以模擬的目標(biāo)深度為10 m，在通道數(shù)不變的條件下，如果時(shí)間分辨率進(jìn)一步增加則可模擬的目標(biāo)深度將減小。

2.2 空間匹配方法

目標(biāo)回波信號(hào)的空間匹配主要包括DMD 成像區(qū)域與光軸的精密對(duì)準(zhǔn)、模擬器與被試激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)的匹配。

2.2.1 成像區(qū)域與光軸精密對(duì)準(zhǔn)

回波斷層圖像生成原理如圖4所示，照明微透鏡陣列發(fā)出的平行光照明DMD對(duì)應(yīng)的分割區(qū)域。DMD按照分割區(qū)域?qū)θ肷涔膺M(jìn)行調(diào)制，輸出調(diào)制光信號(hào)，每個(gè)投影微透鏡陣列中的微透鏡將對(duì)應(yīng)分割區(qū)域調(diào)制的光信號(hào)準(zhǔn)直。投影微透鏡輸出的平行光由復(fù)合鏡頭復(fù)合于光闌處并從投影鏡頭平行出射。光源陣列與準(zhǔn)直微透鏡陣列距離是微透鏡的焦距f1。光源陣列中的每個(gè)光源均位于準(zhǔn)直微透鏡陣列中對(duì)應(yīng)微透鏡的焦點(diǎn)上。復(fù)合微透鏡陣列與DMD 的距離是微透鏡的焦距f2。復(fù)合微透鏡陣列輸出的平行光由復(fù)合鏡頭進(jìn)行復(fù)合，并在距離復(fù)合鏡頭的焦距f3位置放置光闌。光闌與投影鏡頭的距離是透鏡鏡頭的焦距f4，且光闌位于投影鏡頭的焦面上。

圖4 基于快門(mén)陣列區(qū)域分割的激光雷達(dá)回波斷層圖像生成原理Fig.4 LiDAR imaging target return signal tomography image generation based on shutter array region segmentation

對(duì)DMD 的1024×768 像素按照256×256 進(jìn)行區(qū)域4×3 分割，獲得二維分割區(qū)域布局，如圖5所示。將目標(biāo)的第三維信息進(jìn)行圖像切片處理，并根據(jù)分割區(qū)域排序后驅(qū)動(dòng)DMD。對(duì)應(yīng)的光源陣列同樣由4×3 個(gè)光源組成，發(fā)射的特征光含有距離維度信息。被照明微透鏡陣列準(zhǔn)直成平行光，照亮對(duì)應(yīng)的圓形區(qū)域。為了保證中間64×64 的分辨率，該圓形區(qū)域的直徑應(yīng)當(dāng)大于64×64，同時(shí)為了避免串?dāng)_，該圓形區(qū)域的直徑應(yīng)當(dāng)小于256×256。同時(shí)調(diào)制器按照預(yù)置的64×64 調(diào)制圖案對(duì)入射光進(jìn)行調(diào)制，生成一個(gè)64×64的圖像切片。

圖5 DMD“切片”分區(qū)示意圖Fig.5 Schematic diagram of DMD＂slice＂partition

每個(gè)圖像切片就含有了特征光具備的一維信息。圖像切片被對(duì)應(yīng)的投影微透鏡陣列準(zhǔn)直。聚焦透鏡將所有的圖像切片進(jìn)行復(fù)合，在光闌處生成一幅64×64×12 的三維信息圖，投影鏡頭將該圖進(jìn)行投影給被測(cè)傳感器，被測(cè)傳感器就可以感知到該裝置模擬目標(biāo)的三維圖像信息。

由于圖像復(fù)合模塊中各個(gè)微透鏡陣列實(shí)際加工位置與理論存在誤差，導(dǎo)致DMD 各成像區(qū)域與相對(duì)應(yīng)的微透鏡陣列不同軸，圖像的空間復(fù)合精度低。為保證12 幅圖像切片在光闌處可完全重合，DMD 各成像區(qū)域中心與相應(yīng)的投影微透鏡陣列光軸就必須完全重合。

但投影微透鏡陣列存在加工誤差，該誤差不可避免地受加工精度影響，無(wú)法保證各微透鏡光軸與分割區(qū)域中心對(duì)準(zhǔn)，進(jìn)而影響復(fù)合精度。但照明區(qū)域?yàn)橹睆綖?56 像素的圓形區(qū)域，大于64×64 成像區(qū)域，因此，可采用DMD 成像中心平移，成像區(qū)域仍位于照明區(qū)域內(nèi)的方法進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償精度為像素級(jí)，如圖6所示。

圖6 DMD成像中心調(diào)整示意圖Fig.6 Schematic diagram of DMD imaging center adjustment

2.2.2 光學(xué)系統(tǒng)匹配

光學(xué)系統(tǒng)匹配需要根據(jù)被試激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)及轉(zhuǎn)臺(tái)參數(shù)設(shè)計(jì)，假設(shè)投影光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)為1.5°×1.5°，出瞳距離l為500 mm，出瞳直徑dpupil為100 mm。由于光學(xué)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)，因此，其視角所覆蓋范圍，應(yīng)至少為方形視場(chǎng)1.5°×1.5°的外接圓，投影物鏡視場(chǎng)應(yīng)＞2.121°，即半視場(chǎng)θ=±1.0605°。

據(jù)此可以估算出投影物鏡透鏡直徑至少應(yīng)為

式（1）中，Dprj為投影物鏡透鏡直徑，l為出瞳距，θ為視場(chǎng)角，dpupil為出瞳直徑。

根據(jù)以上公式可以求出，透鏡有效通光孔徑應(yīng)為118.51 mm。中間像面圖像覆蓋范圍為8.97 mm×8.97 mm的方形范圍，即像面高度h=±6.342 mm。

據(jù)此可以計(jì)算投影鏡頭焦距為342.6 mm。

根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)空間分辨率原理，光路最終需在8.97 mm×8.97 mm 范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)64×64 像素的分辨率，則光路光斑RMS半徑應(yīng)小于70微米，MTF@14.5lp應(yīng)大于0.3。據(jù)此設(shè)計(jì)了如圖7所示的投影物鏡，實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)匹配。

圖7 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.7 Design of optical system

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在如圖8所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行了時(shí)間與空間匹配實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖8 激光雷達(dá)回波信號(hào)模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.8 LiDAR imaging target return signal simulation experiment system

3.1 時(shí)間匹配測(cè)試

設(shè)定通道1 和通道2 延時(shí)量均為0（即不進(jìn)行系統(tǒng)延時(shí)誤差補(bǔ)償）時(shí)，使用示波器（型號(hào)為T(mén)ektronix TDS3012C，采樣率100 MHz）測(cè)量系統(tǒng)的延時(shí)量，激光雷達(dá)接收機(jī)接收的tstart電信號(hào)（白色曲線）與通過(guò)激光回波模擬器接收到的tend光信號(hào)（灰色曲線）的時(shí)間差為907.8 ns，表明系統(tǒng)延時(shí)為907.8 ns，如圖9（a）所示。通過(guò)給定通道2 延時(shí)量907.8 ns 進(jìn)行系統(tǒng)延時(shí)對(duì)齊，調(diào)整后延時(shí)量如圖9（b）所示，此時(shí)延時(shí)誤差僅為755.5 ps。

圖9 時(shí)間匹配測(cè)試結(jié)果Fig.9 Results of time matching test

3.2 空間匹配測(cè)試

為測(cè)試系統(tǒng)的空間匹配效果，設(shè)計(jì)了“十字”測(cè)試圖像，12 個(gè)分割區(qū)域均為完全相同的“十字”，DMD 模塊載入該“十字”圖像，并使用相機(jī)采集相應(yīng)圖像數(shù)據(jù)。若空間匹配則探測(cè)器中觀測(cè)到12 個(gè)“十字”完全重合，若空間不匹配則不完全重合。

實(shí)驗(yàn)選用型號(hào)為DH-IPC-HF5221E、分辨率1920×1080 的相機(jī)。通過(guò)軟件調(diào)整DMD 各分割區(qū)域的成像中心位置，使得各成像中心與各微透鏡光軸重合，成像中心調(diào)整前的驅(qū)動(dòng)圖像及12 路切片圖像復(fù)合成像效果如圖10（a）所示，成像中心調(diào)整后的驅(qū)動(dòng)圖像及12路切片圖像復(fù)合成像效果如圖10（b）所示，調(diào)整后圖像復(fù)合誤差優(yōu)于1個(gè)像素。

圖10 空間匹配測(cè)試結(jié)果Fig.10 Results of spatial matching test

4 結(jié) 論

本文提出了一種激光雷達(dá)成像目標(biāo)回波模擬系統(tǒng)的時(shí)空匹配方法?？臻g維通過(guò)光軸精密對(duì)準(zhǔn)、光學(xué)系統(tǒng)匹配等方法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)回波模擬系統(tǒng)與激光雷達(dá)的空間配準(zhǔn)。時(shí)間維采用粗控與精控延時(shí)分離、雙通道系統(tǒng)差分補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ行Ы档土讼到y(tǒng)復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)的延時(shí)范圍，提升了時(shí)間匹配精度。對(duì)本方法進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明激光雷達(dá)成像目標(biāo)回波信號(hào)的時(shí)空匹配精度明顯提高，能夠滿足所提出的指標(biāo)要求，可用于指導(dǎo)激光雷達(dá)回波目標(biāo)模擬器的研制與集成。