复杂天气环境中Lidar信号的传输特性研究

成果名称：复杂天气环境中Lidar信号的传输特性研究

成果完成单位：兰州交通大学

成果完成人：张斌

所属行业：制造业

成果登记号：9622025J0179

成果简介：

一、课题来源与背景
Lidar是以激光测距为基础进行目标探测和成像的传感器，Lidar在自动驾驶和机器自主导航领域具有不可替代的作用。目前，技术和市场成熟度比较高的是机械式Lidar，机械式Lidar在自动驾驶领域的应用过程中出现了一些缺点，如磨损大、难集成等，这些缺点阻碍了Lidar和自动驾驶的广泛应用。降雨环境大气中充斥的雨滴粒子对Lidar探测具有很大影响，对Lidar的影响参数包括扫描角、探测距离、激光照度等。激光传输过程中，由于折射效应，雨滴改变光束的传播方向。由于水气界面的反射和水的吸收等作用，透射雨滴导致光束能量的衰减，由此降低Lidar探测器的接收功率，从而降低了Lidar脉冲信号的回波信噪比，进而导致Lidar探测距离的下降。通过研究复杂粒子对Lidar信号的影响机理，优化信号时间甄别方法，提高复杂环境中的Lidar性能是自动驾驶普及及推广的重要前提。
二、研究目的与意义
降雨环境大气中充斥的雨滴粒子对Lidar探测具有很大影响，对Lidar的影响参数包括扫描角、探测距离、激光照度等。激光传输过程中，由于折射效应，雨滴改变光束的传播方向。由于水气界面的反射和水的吸收等作用，透射雨滴导致光束能量的衰减，由此降低Lidar探测器的接收功率，从而降低了Lidar脉冲信号的回波信噪比，进而导致Lidar探测距离的下降。以MEMSLidar在室内环境和室外降雨环境的扫描点云图为基础，对比研究降雨对Lidar探测距离、目标识别力和成像质量的影响。首先对MEMSLidar的构成和各元器件的规格参数进行简单介绍，然后利用Lidar进行室内扫描，研究Lidar室内的最大探测距离，最后利用Lidar在室外降雨环境进行扫描成像。由此研究降雨对Lidar扫描点云图和最大探测距离的影响，此外，利用Lidar在降雨环境可探测距离外的单点测距实验研究降雨对Lidar回波信号的影响。
脉冲式Lidar是以激光飞行时间为基础探测目标方位、距离等参数，脉冲信号的时间甄别方法是激光飞行时间（TimeofFlight，TOF）精确测量的决定性因素。ToF的测量需要确定脉冲信号的发射和回波接收时刻，时间甄别便是根据发射脉冲和接收脉冲的特征，选择合理的方法确定信号发射和接收的时刻，然后通过二者时刻之差得到脉冲ToF。脉冲式Lidar数据处理过程中，首先根据ToF求取目标反射点与Lidar之间的距离，然后通过脉冲发射时刻激光的指向可得目标点的方位信息，由此可得目标点的三维坐标信息，再次，通过一个周期的多点测距和定位便得到一帧点云图，最后由点云图的变化规律识别目标的具体参数。因此，时间甄别方法是Lidar精确识别和探测的基础。
通过理论研究提出提高Lidar在复杂天气环境中的性能的方法，即根据外界环境天气参数，根据外界环境的衰减特性动态调整Lidar光源发射功率以保持探测性能，为自动驾驶及环境感知提供数据保证。对比研究现阶段各类时间甄别方法的定时原理、定时硬件等条件，给出目前性价比和精度均较好的Lidar定时方法，为Lidar的设计和应用给出指导性建议。
三、主要论点与论据
通过MEMSLidar在室内和降雨环境中的扫描对比实验，研究了降雨环境对MEMSLidar扫描探测的影响。通过扫描对比实验可得，降雨降低了Lidar的成像点云密度、探测距离和对低反射率目标的识别能力，目标点云图周围出现离群噪点。通过理论对比和实验数据的对比处理，研究了六类Lidar脉冲信号时间甄别方法的原理、精度和适用优势。通过理论对比和应用效果对比的方法研究了六类时间甄别方法的精度，并给出了各类方法的优缺点和应用条件。
（1）对于1064nm光源的Lidar，降雨量约为0.82mm/h天气导致Lidar的探测距离下降超过50%，以点云密度为对比条件，则相同点云密度的探测距离相差70%。此外，降雨环境下目标点云图周围出现离群散点证明了雨滴通过改变激光的传播方向而改变Lidar的扫描角。通过单点测量实验表明，虽然降雨严重影响了回波的强度和信噪比，但回波信号依然清晰可辨。
（2）对于目前常用的六类脉冲信号的时间甄别方法通过理论对比、实验数据处理、误差分析等方法研究表明双尺形心法的精度最高，恒比定时法和高通阻容法次之、前沿上升法的精度较差。然而，在实际应用中，由于采样率和成本等客观因素的限制，恒比定时法仍是目前最有效的方法。高速A/D的成本问题是限制形心法发挥效能的最大障碍。
四、主要创新
通过不同场景的实验对比、理论对比研究给出了特定降雨对Lidar探测距离、识别能力、点云图、点云密度等性能的影响，研究和验证了离群散点的机理，给出了最佳时间甄别方法的精度和适用条件。
五、社会效益和存在的问题
本项目研究的激光雷达（Lidar）在降雨环境中的性能表现和不同脉冲时间甄别方法对Lidar测距精度的影响，对Lidar后续发展中时间甄别方法的选择和复杂降雨环境的应用提供了建议。虽然已建立了激光透射雨滴后在两个界面处的光电场关系和雨滴等效奇点的Kirchhoff积分域模型，并通过几何光学光路辐射空间和雨滴空间密度结合的方式研究了基尔霍夫积分域内影响激光传输的奇点数量，但是由于时间限制，关于雨滴影响激光传输的基尔霍夫积分公式虽然已经完成了雨滴奇点的计算方法和奇点处积分公式，整体的积分公式尚未完全建立，积分公式的建立是项目进一步开展的主要研究内容。