雷达成像技术_激光雷达与3D成像技术

结合激光雷达的实现方式，描述激光雷达的扫描方式。讲述主流的探测手段和分析其优缺点。本专题一共4章，分别1-TOF探测，2-扫描方式，3-LiDAR应用，4-3D成像，请尊重原创，转载请说明。
成像激光雷达可采用多种工作体制：
1.单元探测器扫描成像，作用距离远，成像速率低；
2.阵列探测器非扫描成像，成像速率高，但距离不够远。
当前激光雷达的扫描器可以分三种：力学、电学、二元光学扫描器。
点扫描分类：
1、摆动扫描：通过电机控制棱镜做轴向摆动，呈现Z字形扫描；
2、多边形转镜扫描：利用多边形镜柱反射实现扫描，呈现平行扫描；
3、Palmer扫描：通过中轴作旋转的阵形棱镜形成椭圆形扫描；
4、光纤扫描：通过机械转动将激光投射到光纤上，形成平行扫描。

采用APD探测器，使用单一转镜实现二维扫描，成像帧率30fps，分辨率16x101像素。
该激光雷达的扫描区域近似为一个长方形，具有一定的弧度，左右对称，旋转面镜拥有 16个不同角度的镜面，在每个镜面旋转过程中出发101 次有效激光脉冲，16个镜面101个扫描点构成一个16x101的扫描面。

线扫描：
多线束激光雷达：4线束、8线束、16线束、32线束、64线束等。
2.5D，垂直视野不超过10°；
3D，垂直视野在30°-40°。

多条扫描线组成的平面叫扫描面，所有扫描点叫扫描层，本例为四线构成扫描面，角度覆盖
(1.6°~-1.6°)
举例2：
图像空间的取样是等角度均匀的，通常使用极坐标系来与笛卡尔坐标系进行换算，获得不等距扫描点。

美国VELODYNE公司设计的HDL-64E激光雷达，主要应用与汽车、船只障碍物探测、路径导航等，1级人眼安全激光，波长905nm，水平扫描视场360°，垂直视场26.8°，
画面更新频率5-15Hz，测距精度小于2cm，探测范围50m-120m。
光学相控阵：
光学相控阵(OPA)的概念来源于传统的微波相控阵。一束光经过分束器分为多路光信号，不存在相位差，波束向前传播，通过电，热等手段在各路附加相位后，光束指向垂直于等相位面，光束传播发生偏转。

传统光学相控阵实现方式：基于液晶(LC)和锆钛酸铅镧陶瓷(PLZT)材料。PLZT材料需要的调制电压较高，达到10V以上，扫描角度受限，液晶的电光效应来自于液晶分子在电场作用下的重新取向，但液晶分子的重新取向过程是一个非常缓慢的过程。

光波导光学相控阵：
根据移相器不同分为电光控制，热光控制等方式。
电光移相器是根据光的电光效应，即通过外加电压的方式，改变波导的折射率，引入相位差，完成调制功能。
光波导芯层和其两侧的包层构成，芯层高折射率，包层低折射率兼做电极，通过电光效应实现相位调制。
MEMS扫描镜：
MEMS扫描镜与传统光学扫描镜相比优势明显：尺寸小，成本低，扫描频率高，响应
速度快，功耗低，已经在条形扫描，光通信，激光投影显示，内窥镜等领域得到了广泛的应用。

非扫描方式：
1、采用焦平面阵列器件，成像速率都非常高；
2、去掉了复杂笨重的扫描装置，同样的成像帧率条件下，曝光时间可以更长，灵敏度更高；
3、可以满足更长作用距离的需求，例如增大到10 公里，在军事上使之可以满足一般战术需要 。
非扫描式盖革模式的APD激光雷达系统结构简单、易于大规模集成、灵敏度高、成像速度快、无扫描、作用距离远，广泛的应用于军事和民用领域,尤其是高速移动载体、大范围场景信息获取应用中。