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原文传递降雨环境MEMS LiDAR成像及阵列协同偏转光束远场特性研究

论文题名：	降雨环境MEMS LiDAR成像及阵列协同偏转光束远场特性研究
关键词：	自动驾驶;MEMSLiDAR成像;激光传输;留数定理;镜面反射
摘要：	自动驾驶是人工智能（AI）的重要应用成果，激光雷达（Lidar）是自动驾驶环境感知传感器的重要组成部分。相比机械式Lidar，MEMS扫描式Lidar具有小型化、易集成等优点。但是，MEMSLidar在应用中也显现了一些困难，如扫描角小、分辨率低、降雨环境的成像质量差、测距范围小等。MEMS阵列是解决和改善这些问题的选项之一，相对于单镜，MEMS阵列在控制光束、激光成像等领域的应用效果更佳。因此利用MEMS阵列替换单镜可提升Lidar的扫描角、扫描速度和探测距离等性能参数。　　降雨环境对Lidar扫描点云图和探测距离存在较大影响，主要原因是雨滴粒子衰减了激光强度。计算大尺度粒子影响激光强度的Mie散射理论，由于计算量大而不适合用于车载Lidar实时评估降雨的影响。本文利用Kirchhoff积分结合留数定理的方法，提出了一种计算粒子衰减激光强度的新方法，这种方法不同于Mie散射理论、且适用于不同折射率和不同形状的散射粒子。相对于Mie散射理论，这种方法计算量较小，可用于雨滴影响光强的实时评估。利用这种方法的数值模拟可得，降雨量对光强的衰减呈负指数型衰减，降雨量在2mm/h的范围内对光强衰减最大。从几何光学的角度研究了雨滴对激光发散角、激光方向、照度及光程的影响。　　降雨对环境反射率会产生影响，特别是表面积水引起镜面反射。镜面反射改变Lidar信号的发射和接收传输方向，由此导致Lidar在镜面环境的扫描图中出现倒影，从而影响Lidar的识别能力。对比倒影成像和正常成像，成像光程和功率都不同，根据二者的不同，分别可以利用对称翻转法、功率阈值法和直通滤波法消除倒影，三种方法各有优缺点，且最佳使用环境各不相同。　　利用MEMSLidar在模拟镜面和降雨环境分别进行扫描实验，对于发射光强相同的Lidar在室内的最大探测距离为20m，在大范围降雨且平均降雨量为0.82mm/h的条件下最大探测距离为9.1m。大范围中雨的情况下，利用本文提出的方法计算降雨对Lidar最大探测距离的衰减与实际相差仅为5%。通过模拟镜面环境的实验证明了倒影的成像机理，以及直通滤波法和对称翻转法的滤波适用性。降雨环境下Lidar扫描图中出现离群散点证明了雨滴对Lidar扫描角的改变。最后，通过降雨环境的单点测量实验，说明了降雨对Lidar回波信号的影响。　　针对MEMS单镜Lidar的缺点，提出了利用MEMS阵列镜替代单镜设计Lidar的思路。首先，利用Kirchhoff积分计算了垂直和倾斜入射光束经MEMS阵列扫描的光强大小及分布规律，结果表明协同控制阵列扫描光束的光强最大值始终保持在光轴方向。然后，利用FDTD模拟，对比说明计算所得光强分布公式的合理性和有效性，同时证明了阵列扫描光束有利于提高Lidar的探测距离。最后，利用数值模拟给出了较大尺度微镜单元设计MEMS阵列扫描激光的光强分布及其对比度，并给出了影响阵列扫描光强对比度的因子是填充系数。其次，研究了阵列镜片数对阵列扫描光束的光强分布和光斑大小的影响，并由此分析了MEMS阵列替代单镜后Lidar性能的提升。进而研究和计算了确定尺度微镜设计阵列时，扫描光束远场光强的对比度存在最佳微镜单元间隔。并得到利用1×1mm2的微镜设计6×6mm2和10×10mm2阵列的最优间隔分别为131.5μm和221.9μm。
作者：	张斌
专业：	光学工程
导师：	王春晖
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2022