林 昊, 桂 林, 王煉棟, 邢昊楠, 曹明玉

(上海第二工業(yè)大學(xué)a. 資源與環(huán)境工程學(xué)院;b. 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院;c. 智能制造與控制工程學(xué)院,上海 201209)

0 引言

二維成像技術(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)療臨床診斷、物體無(wú)損檢測(cè)等方面。自動(dòng)駕駛技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于能否在短距離內(nèi)以高分辨率查看到障礙物的精確距離和速度,二維成像無(wú)法滿(mǎn)足上述需求,必須結(jié)合場(chǎng)景深度方向上的距離信息,才能有效地還原整個(gè)三維場(chǎng)景[1]。目前應(yīng)用較為廣泛的三維成像技術(shù)主要包括三角測(cè)量法和飛行時(shí)間法(time of flight,TOF)兩大類(lèi)。與三角測(cè)量法相比,TOF 測(cè)距技術(shù)具有原理簡(jiǎn)單、測(cè)量快速等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí), 自動(dòng)駕駛技術(shù)對(duì)激光雷達(dá)技術(shù)也提出了更高的要求,低成本、小型化、高精確度都是目前激光雷達(dá)技術(shù)的主要研究方向。伴隨著電子技術(shù)和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)工藝水平的飛速發(fā)展,TOF 測(cè)距技術(shù)受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注?；赥OF 技術(shù)的激光雷達(dá)具有算法簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、可集成化、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn);且由于采用了主動(dòng)近紅外光照明的方案,TOF 測(cè)距系統(tǒng)不受周?chē)h(huán)境限制,可在無(wú)光照環(huán)境下工作;此外,對(duì)紅外光進(jìn)行調(diào)制解調(diào)能夠有效地抑制白光的干擾。

由于受自身成像和測(cè)量特點(diǎn)影響以及外界環(huán)境因素的干擾,TOF 激光雷達(dá)的測(cè)量數(shù)據(jù)存在著各種誤差, 可分為系統(tǒng)和非系統(tǒng)誤差[2]。系統(tǒng)誤差主要是由TOF 激光雷達(dá)自身硬件系統(tǒng)產(chǎn)生的實(shí)測(cè)深度距離高于實(shí)際距離的情況, 包括諧波相關(guān)誤差、相位纏繞等[2-3]; 非系統(tǒng)誤差一般是使用環(huán)境的差異導(dǎo)致的,包括像素飽和、積分時(shí)間等[2,4]。

提升TOF 激光雷達(dá)測(cè)距精度是保證低成本TOF 激光雷達(dá)精確還原實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的前提,因此研究TOF 激光雷達(dá)測(cè)距誤差的問(wèn)題,消除各種測(cè)距誤差對(duì)其廣泛應(yīng)用的影響是非常有必要的。影響測(cè)距誤差的因素有很多,本文主要研究積分時(shí)間對(duì)TOF 激光雷達(dá)測(cè)距誤差的影響。積分時(shí)間是指照明調(diào)制和傳感器解調(diào)都有效的時(shí)間, 又稱(chēng)曝光時(shí)間。對(duì)于TOF 激光雷達(dá)來(lái)說(shuō),影響其成像陣列接收環(huán)境光的參數(shù)只有積分時(shí)間[5]。積分時(shí)間的長(zhǎng)短會(huì)影響到TOF 激光雷達(dá)接收到的環(huán)境光的強(qiáng)度,從而影響測(cè)距過(guò)程的信噪比[6]。

Kahlmann 等[7]對(duì)深度數(shù)據(jù)建立1 個(gè)查找表來(lái)校正積分時(shí)間對(duì)于測(cè)距誤差的影響。Radmer 等[8]提出了1 種校正方法, 使用1 個(gè)各處具有相同反射屬性的物體, 測(cè)量不同積分時(shí)間下距離的誤差,通過(guò)建立查找表, 對(duì)距離進(jìn)行標(biāo)定, 并結(jié)合線(xiàn)性插值對(duì)于查找表中不存在的距離和積分時(shí)間進(jìn)行標(biāo)定。Lindner 等[9]分析了接收光的強(qiáng)度對(duì)深度誤差的影響, 通過(guò)建立誤差查找表(look-up-table,LUT),對(duì)光強(qiáng)和距離影響的深度圖像提出了校準(zhǔn)方法。Steiger 等[10]研究了溫度、距離、積分時(shí)間、反射率等多種因素對(duì)TOF 激光雷達(dá)深度誤差的影響,提出了設(shè)置最佳全局積分時(shí)間的方法。

本文采用基于脈沖調(diào)制法的TOF 激光雷達(dá),首先采集不同積分時(shí)間下的原始數(shù)據(jù); 然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行先行處理;再根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)計(jì)算距離;最后基于計(jì)算結(jié)果詳細(xì)分析不同積分時(shí)間對(duì)測(cè)距誤差的影響。最終得出TOF 激光雷達(dá)在最佳積分時(shí)間下測(cè)距平均絕對(duì)誤差下降為22 mm,誤差下降率為97.23%,均方根誤差為0.8 mm,測(cè)距準(zhǔn)確度大大增加。

1 TOF 激光雷達(dá)相關(guān)原理

1.1 TOF 技術(shù)原理

TOF(飛行時(shí)間法), 顧名思義就是通過(guò)測(cè)量光的飛行時(shí)間來(lái)求取距離,它通過(guò)采用CCD/CMOS 成像陣列結(jié)合主動(dòng)紅外激光調(diào)制技術(shù)來(lái)獲取距離信息, 通過(guò)給被測(cè)目標(biāo)連續(xù)發(fā)送紅外激光脈沖, 然后傳感器成像陣列接收被反射的紅外激光脈沖,通過(guò)計(jì)算發(fā)射光脈沖與接收光脈沖的相位差或時(shí)間差,能夠進(jìn)一步獲得系統(tǒng)與被測(cè)目標(biāo)之間的距離[11]。根據(jù)測(cè)量傳播時(shí)間方式的不同, TOF 技術(shù)又可分為直接測(cè)量法(direct-TOF, d-TOF) 和間接測(cè)量法(indirect-TOF,i-TOF)。本文主要介紹了i-TOF 技術(shù)。

TOF 激光雷達(dá)利用間接測(cè)量法測(cè)量距離是通過(guò)解調(diào)發(fā)射光與接收光的相位差實(shí)現(xiàn)的。即:

由式(1)、(2)可得:

根據(jù)式(1),式(3)也可改寫(xiě)為

式中:d為T(mén)OF 激光雷達(dá)到被測(cè)目標(biāo)的測(cè)量距離;調(diào)制頻率為f;調(diào)制波長(zhǎng)為λ;周期為T(mén);發(fā)射光與接收光的相位差為?φ; 光速c= 3×108m/s;n為發(fā)射光與反射光之間的周期數(shù)。

1.2 脈沖調(diào)制法

TOF 激光雷達(dá)能夠同時(shí)獲得幅值圖(強(qiáng)度圖)和深度圖,幅值圖表示每個(gè)像素接收到光子的數(shù)量,用以表征光的強(qiáng)度;深度圖上的每個(gè)像素則編碼了到目標(biāo)物中對(duì)應(yīng)位置的深度信息。根據(jù)調(diào)制方法的不同, i-TOF 又可分為脈沖調(diào)制法和連續(xù)波調(diào)制法[12]。本文主要介紹脈沖調(diào)制法。

脈沖調(diào)制法發(fā)射光脈沖能量較高, 抗環(huán)境干擾能力較強(qiáng), 信噪比較高。發(fā)射的光脈沖通常使用方波脈沖調(diào)制,因?yàn)樗鄬?duì)容易用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。接收端CMOS 成像陣列中的每個(gè)像素都是由將入射光轉(zhuǎn)換成電荷的光電二極管、高頻轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、充電電容組成。該結(jié)構(gòu)可以把電荷導(dǎo)入不同的電容中。

系統(tǒng)在工作時(shí),控制單元打開(kāi)照明單元,發(fā)出1個(gè)光脈沖,同一時(shí)間,控制單元打開(kāi)1 個(gè)接收端的電子快門(mén),此時(shí)接收端接收到的電荷q0被存儲(chǔ)到電容中,記為S0。然后控制單元關(guān)閉光源,打開(kāi)第2 個(gè)接收端的電子快門(mén),同時(shí)關(guān)閉第1 個(gè)電子快門(mén),即在光源關(guān)閉的時(shí)間點(diǎn)打開(kāi)。此時(shí)接收到的電荷q1也被存儲(chǔ)到電容中,記為S1,如圖1 所示[13]。

圖1 光脈沖發(fā)射與接收示意圖Fig.1 Schematic diagram of optical pulse transmission and reception

假設(shè)tp為光脈沖持續(xù)時(shí)間,td為光脈沖的飛行時(shí)間,c為光速,理想情況下,由脈沖調(diào)制法可推導(dǎo)出距離d的計(jì)算公式如下:

1.3 TOF 激光雷達(dá)測(cè)距原理

TOF 激光雷達(dá)測(cè)距原理如圖2 所示,α是激光器半發(fā)射角, 其數(shù)值為45?, 視場(chǎng)角(field of view,FOV)是CMOS 傳感器水平視場(chǎng)角,其數(shù)值為90?。

圖2 TOF 激光雷達(dá)測(cè)距原理圖Fig.2 TOF LiDAR ranging principle diagram

TOF 激光雷達(dá)系統(tǒng)主要由光源發(fā)射模塊和感光接收模塊兩部分組成[14]。光源發(fā)射模塊主要由發(fā)光單元、衍射光學(xué)元件(diffractive optical elements,DOE)等構(gòu)成。發(fā)光單元為能發(fā)出波長(zhǎng)940 nm 的邊發(fā)射激光器(edge-emitting laser, EEL); 擴(kuò)散板(diffuser)是DOE 衍射光學(xué)元件的一種,也屬于波束整形器, 主要是提供1 個(gè)均勻的面光源。感光接收模塊主要由窄帶濾光片和光學(xué)鏡頭、CMOS 傳感器等構(gòu)成。鏡頭的焦距為8 mm。CMOS 傳感器為矩形成像陣列,其成像像素為32×1024。

本實(shí)驗(yàn)所用TOF 激光雷達(dá)可以采用垂直腔面發(fā)射激光器(vertical-cavity surface-emitting laser,VCSEL),但是由于EEL 功率密度、脈沖峰值功率更高,整體實(shí)驗(yàn)效果更好,故本文采用EEL,平均功率滿(mǎn)足人眼安全標(biāo)準(zhǔn)。

CMOS 傳感器通過(guò)驅(qū)動(dòng)時(shí)序?qū)崿F(xiàn)開(kāi)窗讀出功能, 又稱(chēng)感興趣區(qū)域讀出功能, 可以讀出CMOS 傳感器成像陣列中感興趣的區(qū)域。CMOS 傳感器每個(gè)像素點(diǎn)都可以接收光脈沖,并且按照Ambient 窗、A窗、B 窗的時(shí)序接收光信號(hào),如圖3 所示。

圖3 各個(gè)像素點(diǎn)光脈沖接收時(shí)序圖Fig.3 Timing diagram of light pulse reception at each pixel

Ambient 窗是在激光器發(fā)射光脈沖之前接收環(huán)境光,接收到的環(huán)境光強(qiáng)度如圖4 所示。

圖4 CMOS 傳感器接收環(huán)境光強(qiáng)度圖Fig.4 CMOS sensor receives ambient light intensity map

為了保證能在第一時(shí)間接收到反射光脈沖,通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)時(shí)序在脈沖發(fā)射之前打開(kāi)A 窗開(kāi)始接收電荷。脈沖發(fā)射完畢之后,關(guān)閉A 窗,打開(kāi)B 窗接收反射光脈沖。為了保證3 個(gè)窗接收到的環(huán)境光的一致性,Ambient 窗、A 窗、B 窗3 個(gè)窗持續(xù)時(shí)間一致,且為了保證A 窗、B 窗能夠接收到1 個(gè)完整的反射光脈沖,窗口的持續(xù)時(shí)間不短于2 倍的光脈沖持續(xù)時(shí)間。

TOF 激光雷達(dá)測(cè)距時(shí),EEL 激光器發(fā)射波長(zhǎng)為940 nm 的脈沖激光,經(jīng)過(guò)擴(kuò)散板之后擴(kuò)散為發(fā)射角為90?的均勻面光源,照射到表面光滑的白墻上。經(jīng)白墻反射回來(lái)的光脈沖經(jīng)小孔成像,最終被CMOS傳感器收集?；谝陨显? TOF 激光雷達(dá)每個(gè)像素點(diǎn)的距離計(jì)算公式為

式中:α為比例系數(shù)假設(shè)為1;c為光速(m/s);Tw為激光的脈沖寬度25 ns;SA(x,y)、SB(x,y)、SM(x,y)分別為A、B 窗和Ambient 窗接收的光脈沖的強(qiáng)度數(shù)值;(x,y)表示像素點(diǎn)在傳感器上的位置坐標(biāo);Toffset為系統(tǒng)補(bǔ)償?shù)恼`差時(shí)間,通常設(shè)置為5.5 ns。

2 TOF 激光雷達(dá)測(cè)距實(shí)驗(yàn)方案

2.1 實(shí)驗(yàn)流程

基于上述原理所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)流程如圖5 所示。首先, 通過(guò)USB 接口將TOF 激光雷達(dá)與上位機(jī)互連。然后調(diào)整鏡頭的焦距,在上位機(jī)上設(shè)置TOF 激光雷達(dá)系統(tǒng)增益、積分時(shí)間、幀率等相關(guān)參數(shù)。接著利用上位機(jī)軟件觀(guān)察實(shí)驗(yàn)情況, 采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。最后利用matlab 軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

圖5 實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.5 Experimental flow chart

2.2 數(shù)據(jù)處理流程

實(shí)驗(yàn)采用的是基于自主設(shè)計(jì)的TOF 激光雷達(dá),采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中存在各種誤差,為了更好的分析積分時(shí)間對(duì)TOF 激光雷達(dá)測(cè)距誤差的影響,針對(duì)原始數(shù)據(jù)先行處理。數(shù)據(jù)處理流程圖如圖6 所示。①利用TOF 激光雷達(dá)進(jìn)行待測(cè)距離的測(cè)量,利用上位機(jī)軟件采集不同積分時(shí)間下的原始數(shù)據(jù);②采用均值濾波算法對(duì)采集得到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,降低噪聲導(dǎo)致的誤差;③根據(jù)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)和信號(hào)相對(duì)強(qiáng)度進(jìn)一步濾除低幅值的像素區(qū)域,選取有效區(qū)域的數(shù)據(jù);④將選取的有效區(qū)域的強(qiáng)度數(shù)值代入式(8)中計(jì)算測(cè)量的距離。

圖6 TOF 激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.6 TOF LiDAR data processing flow chart

2.2.1 均值濾波

均值濾波是一種的線(xiàn)性濾波算法, 用當(dāng)前像素點(diǎn)某鄰域窗口內(nèi)所有像素值的均值來(lái)代替當(dāng)前像素值。計(jì)算公式如下:

式中:G(x,y) 為數(shù)字濾波后當(dāng)前像素點(diǎn)的像素值;S(x,y)為窗口內(nèi)像素點(diǎn)的像素值,即接收到的反射光脈沖的強(qiáng)度值;n為窗口內(nèi)像素點(diǎn)總個(gè)數(shù);k為窗口內(nèi)像素點(diǎn)的集合。

使用該方法遍歷處理圖像內(nèi)的每一個(gè)像素點(diǎn),可完成整幅圖像的均值濾波。本實(shí)驗(yàn)采用的是5×5個(gè)像素的窗口對(duì)采集得到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。以積分時(shí)間為600μs 為例,經(jīng)過(guò)預(yù)處理之后的數(shù)據(jù)對(duì)比圖如圖7 所示。

圖7 均值濾波預(yù)處理前后對(duì)比圖Fig.7 Comparison of before and after mean filtering pre-processing

2.2.2 選取有效區(qū)域

當(dāng)主動(dòng)光對(duì)場(chǎng)景照明的強(qiáng)度降低時(shí),將導(dǎo)致信噪比降低,從而引起測(cè)距誤差,這種情況導(dǎo)致的誤差和像素幅值的不一致性有關(guān)[15]。同時(shí)由于受到制造工藝的限制, 對(duì)于CMOS 傳感器而言, 所有的像素點(diǎn)都是好的情況幾乎不可能,會(huì)存在一定數(shù)量的壞點(diǎn),導(dǎo)致不能有效成像或相應(yīng)不一致性大于參數(shù)允許范圍。壞點(diǎn)接收反射光的光子數(shù)量較少, 信號(hào)強(qiáng)度較弱, 從而增大測(cè)距的誤差。這就導(dǎo)致傳感器會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)無(wú)效的區(qū)域。因此在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理時(shí)需要濾除數(shù)據(jù)無(wú)效的區(qū)域,即濾除相對(duì)強(qiáng)度較低的像素區(qū)域,選取數(shù)據(jù)有效的區(qū)域,來(lái)解決相對(duì)強(qiáng)度過(guò)小的問(wèn)題。本文選取20×100 個(gè)像素的有效區(qū)域,并將有效區(qū)域中的強(qiáng)度數(shù)值代入式(8), 計(jì)算得到測(cè)量的距離。

3 積分時(shí)間對(duì)測(cè)距誤差影響的分析

在環(huán)境光強(qiáng)一定的情況下, 接收到的反射光量與積分時(shí)間呈正相關(guān)。但CMOS 傳感器具有飽和值,其值與器件的物理結(jié)構(gòu)、材料和積分時(shí)間等因素相關(guān)。飽和值代表了最大可檢測(cè)的信號(hào)強(qiáng)度。光電二極管接收到反射光而產(chǎn)生的電子,需要臨時(shí)存儲(chǔ)在電容里,等待被讀取。電容不斷累積光電子,隨著積分時(shí)間的增加,光子數(shù)量不斷增加,電容逐漸飽和,無(wú)法再接收更多的光。CMOS 傳感器成像陣列每個(gè)像素點(diǎn)存在閾值為1024,即:

積分時(shí)間在150～900μs 之間,每隔50μs 進(jìn)行調(diào)整。TOF 激光雷達(dá)到光滑墻面距離為0.6 m。通過(guò)對(duì)不同積分時(shí)間下測(cè)量均值、平均絕對(duì)誤差、均方根誤差、誤差率的比較, 分析積分時(shí)間對(duì)誤差的影響,如表1 所示。

表1 不同積分時(shí)間下測(cè)量均值、平均絕對(duì)誤差、均方根誤差和誤差下降率Tab.1 Measurement mean, mean absolute error, root mean square error and error decline rate at different integration times

TOF 激光雷達(dá)的測(cè)量均值是選取區(qū)域內(nèi)所有像素點(diǎn)計(jì)算得到的距離的平均值,計(jì)算公式為:

式中:P為選取區(qū)域的行數(shù),取10;L為選取區(qū)域的列數(shù), 取200;P·L為選取區(qū)域內(nèi)像素點(diǎn)總個(gè)數(shù)為2000。

由三角函數(shù)關(guān)系可得,理想狀態(tài)下的距離如下式所示:

式中:dideal表示水平方向第N個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的理想距離,N(1 ≤N≤1024,N ∈Z)表示水平方向第N個(gè)像素點(diǎn);dreal是TOF 激光雷達(dá)與白墻之間的真實(shí)距離。

CMOS 傳感器每個(gè)像素點(diǎn)計(jì)算得到的距離與理想距離之間的誤差值derror計(jì)算公式如下:

CMOS 傳感器的平均絕對(duì)誤差是選取區(qū)域所有像素點(diǎn)誤差絕對(duì)值的平均值,計(jì)算公式為:

式中:P為選取區(qū)域的行數(shù),取10;L為選取區(qū)域的列數(shù),取200;P·L為選取區(qū)域內(nèi)像素點(diǎn)總個(gè)數(shù),取2000。

均方根誤差表示1 組數(shù)據(jù)的離散程度,能夠很好地反映出測(cè)量的精密度。均方根誤差可以評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的變化程度,dR值越小, 說(shuō)明預(yù)測(cè)模型描述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有更好的精確度。計(jì)算公式為:

式中:P為選取區(qū)域的行數(shù),取10;L為選取區(qū)域的列數(shù),取200;P·L為選取區(qū)域內(nèi)像素點(diǎn)總個(gè)數(shù),取2000。

誤差下降率為

式中:β是原始數(shù)據(jù)計(jì)算得到的平均絕對(duì)誤差;θ是校正后得到的平均絕對(duì)誤差; 誤差率ξ表示平均絕對(duì)誤差與理想距離之間的比值,即

通過(guò)折線(xiàn)圖可以直觀(guān)地看出不同的積分時(shí)間與平均絕對(duì)誤差、均方根誤差、誤差率之間的關(guān)系。由圖8 可見(jiàn), 積分時(shí)間在600 μs 處, TOF 激光雷達(dá)測(cè)距的平均絕對(duì)誤差達(dá)到最小,且在600μs 附近的積分時(shí)間誤差均有效可靠。因此積分時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短,均會(huì)導(dǎo)致測(cè)距誤差的增大;由圖9 可見(jiàn),TOF 激光雷達(dá)測(cè)距的均方根誤差在600μs 處達(dá)到最低點(diǎn),即TOF 激光雷達(dá)在此積分時(shí)間600μs 下測(cè)距最為穩(wěn)定, 積分時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短, 都會(huì)對(duì)測(cè)距的穩(wěn)定性產(chǎn)生降低的影響;由圖10 可見(jiàn),不同積分時(shí)間與誤差率的關(guān)系折線(xiàn)圖與平均絕對(duì)誤差折線(xiàn)圖基本一致,這也從側(cè)面證明了圖8 所展現(xiàn)的規(guī)律:積分時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短, 均會(huì)導(dǎo)致測(cè)距誤差的增大。故在利用TOF 激光雷達(dá)進(jìn)行距離測(cè)量時(shí),需將積分時(shí)間設(shè)置為600μs 及其附近,以最大程度的減少積分時(shí)間帶來(lái)的誤差。

圖8 不同的積分時(shí)間與平均絕對(duì)誤差的關(guān)系Fig.8 Relationship between different integration times and mean absolute error

圖9 不同的積分時(shí)間與均方根誤差的關(guān)系Fig.9 Relationship between different integration times and root mean square error

圖10 不同的積分時(shí)間與誤差率的關(guān)系Fig.10 Relationship between different integration times and root mean square error

當(dāng)積分時(shí)間設(shè)置為600μs 時(shí),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示,其中圖11(a)是TOF 激光雷達(dá)在0.6 m 處的測(cè)量距離,并與理想距離作對(duì)比,圖11(b)是測(cè)量距離與理想距離的誤差值。根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系和式(12),選取的有效區(qū)域內(nèi)理想距離與真實(shí)距離最大誤差為7 mm,可以忽略不計(jì),故采用真實(shí)距離0.6 m 代替有效區(qū)域內(nèi)的理想距離,因此計(jì)算得到的平均絕對(duì)誤差為22 mm,均方根誤差為0.8 mm。

圖11 TOF 激光雷達(dá)測(cè)距圖Fig.11 TOF LiDAR distance measurement chart

當(dāng)積分時(shí)間設(shè)置為600 時(shí), 根據(jù)原始數(shù)據(jù)計(jì)算得到的平均絕對(duì)誤差為0.7955 m, 均方根誤差為0.6457 m,可知誤差下降率為97.23%。

4 不同距離實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將上述方法應(yīng)用到其他不同的距離上,驗(yàn)證方法的普適性,得到如表2 所示的結(jié)果。

表2 不同距離測(cè)距校正前后對(duì)比Tab.2 Before and after comparison of different distance ranging correction

由表2 中的數(shù)據(jù)可見(jiàn),真實(shí)距離在0.3～1.0 m 之間,TOF 激光雷達(dá)測(cè)距的誤差下降率能達(dá)到97%以上, 取得了較為理想的效果。同時(shí)可以看出距離的不同對(duì)TOF 激光雷達(dá)測(cè)距誤差幾乎沒(méi)有影響。

5 結(jié)論

本文分析了飛行時(shí)間法的測(cè)距原理,介紹了實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的TOF 激光雷達(dá)系統(tǒng)的脈沖調(diào)制方案以及測(cè)距計(jì)算方法;通過(guò)采集TOF 激光雷達(dá)在不同積分時(shí)間下的原始數(shù)據(jù),并對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,然后根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)計(jì)算測(cè)量的距離,最后根據(jù)計(jì)算結(jié)果詳細(xì)著重分析了不同積分時(shí)間對(duì)測(cè)距誤差的影響。TOF 激光雷達(dá)系統(tǒng)在最佳積分時(shí)間下誤差下降率達(dá)到97%以上,TOF 激光雷達(dá)的測(cè)距精確度大大增加。為了追求更高的精確度,后續(xù)還有很多工作需要進(jìn)一步研究,如針對(duì)不同材質(zhì)不同反射率的物體進(jìn)行校正; 針對(duì)不同大氣環(huán)境如煙霧等的影響進(jìn)行研究。