● 摘要
激光雷达(Lidar, Light detection and ranging)主动向目标发射激光束并接收目标回波信号，再经信号处理实现对目标高精度测距及三维成像。近年来，激光雷达技术得到了快速发展，通过星载、机载、车载、地基和船载等多种平台，该技术已经在航空航天、军事侦察与制导、环境监测、数字城市、文物复原以及自动驾驶等领域发挥出巨大经济和社会价值。根据国家973项目“复杂低空飞行的自主避险理论与方法研究”的研究要求，本论文主要研究激光雷达的高精度测距和三维成像。
根据测距原理不同，激光雷达分为采用脉冲激光的脉冲式激光雷达和采用连续激光的相位式激光雷达。由于脉冲激光峰值功率高，具有测量距离远的优点，因此脉冲式激光雷达的应用价值更高，得到了世界主要发达国家的重视。本文重点研究脉冲式激光雷达，设计了一套亚厘米级测距精度的激光雷达测距及三维成像实验装置，并进行了测距及三维成像实验。本论文取得的主要创新研究成果有：
1. 提出了利用正弦波参考信号实现飞行时间测量的方法，具有原理简单、测量范围大和测量精度高的优点。首先阐述了利用正弦波参考信号实现飞行时间测量的原理，其次定量分析了影响飞行时间测量精度的因素，最后设计并搭建了一个基于皮秒脉冲激光器、高速光电探测器及示波器的飞行时间测量实验装置，验证了正弦波参考信号中噪声对时间间隔测量精度的影响。
2. 提出了一种控制电压比较器输出信号脉宽的方法，解决了激光脉宽太窄导致飞行时间测量仪无法工作的问题。首先详细说明了基于双阈值前沿时刻鉴别法的激光测距原理，然后借助电压比较器的滞回比较特性，实现了电压比较器输出信号脉宽控制。设计并搭建了皮秒级脉冲激光的测距实验，评估了双阈值前沿时刻鉴别法的测距精度。
3. 提出了一种基于隐函数模型的全波分析型激光雷达波形分析方法，解决了现有函数模型无法准确拟合波形的问题。首先详细阐述了该波形分析方法的原理，然后设计并搭建了一个基于约10ns脉宽脉冲激光器的全波形激光测距实验系统。实验结果表明，使用本文波形分析方法波形拟合效果理想，测距精度最高可以达到2.3mm。
4. 设计并建造了激光成像雷达的光机系统。光机系统采用发射-接收共光轴的透射式接收望远镜，配合二维机械扫描方式(45°扫描镜+水平转台)，实现240°×360°大空间扫描成像。详细给出了光机结构中各个元件参数以及成像装置工程设计图，并完成了加工、组装和调试工作。
5. 提出了基于有限元分解法和三维空间光线追迹法的激光成像雷达光学性能评估方法。详细阐述了激光发射光束和回波光束的有限元分解过程，以及利用三维空间光线追迹法分析激光从发射、入射到目标表面以及回波汇聚到探测器光敏面的整个传播路径，推导了重叠因子的计算过程。在Matlab中建立了重叠因子计算模型，直观展示了激光传播过程，并定量分析了45°扫描镜转速、探测器位置与重叠因子的关系。
6. 设计并建造了激光成像雷达控制系统。角度采集与控制部分提出了Nios II嵌入式处理器+用户自定义模块的FPGA架构模式，实现激光器触发、电机控制以及角度数据的采集和传输。波形采集部分利用安捷伦MSO9254A示波器采集信号，并使用生产者与消费者多线程模型编程完成波形采集与传输。上位机实现角度数据和波形数据的采集、保存与分析。最后利用搭建的激光成像雷达实验装置对目标进行了三维扫描成像实验，实验结果表明光机电软各部分之间工作协调，目标三维点云细节丰富，取得了预期研究目标。