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基于关键参数先验的车载雷达镜头杂散光抑制模型研究

张丽芝 陆秋萍 段帆琳 戴幸 乔大勇

张丽芝, 陆秋萍, 段帆琳, 戴幸, 乔大勇. 基于关键参数先验的车载雷达镜头杂散光抑制模型研究[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2025-0074
引用本文: 张丽芝, 陆秋萍, 段帆琳, 戴幸, 乔大勇. 基于关键参数先验的车载雷达镜头杂散光抑制模型研究[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2025-0074
ZHANG Li-zhi, LU Qiu-ping, DUAN Fan-lin, DAI Xing, QIAO Da-yong. Research on stray light of vehicle LiDAR lens based on key parameter priors[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2025-0074
Citation: ZHANG Li-zhi, LU Qiu-ping, DUAN Fan-lin, DAI Xing, QIAO Da-yong. Research on stray light of vehicle LiDAR lens based on key parameter priors[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2025-0074

基于关键参数先验的车载雷达镜头杂散光抑制模型研究

cstr: 32171.14.CO.2025-0074
基金项目: 国家自然科学基金(No. U21B2035,No. 62074128)
详细信息
    作者简介:

    张丽芝(1986—),女,山东淄博人,博士研究生,高级工程师,2012于浙江大学获得硕士学位,主要从事成像光学系统设计及开发方面的研究。E-mail:zlz@yxopt.com

    乔大勇(1977—),男,山东青岛人,教授,博士生导师,2007年于西北工业大学获得博士学位,主要从事光学MEMS芯片及其应用、先进MEMS制造工艺等研究。E-mail:dyqiao@nwpu.edu.cn

  • 中图分类号: 0439

Research on stray light of vehicle LiDAR lens based on key parameter priors

Funds: Supported by the National Natural Science Foundation of China (No. U21B2035, No. 62074128)
More Information
  • 摘要:

    车载激光雷达受杂散光干扰会导致信噪比降低和探测效率下降。因此,本文提出了一种基于光谱功率密度函数和总积分散射的表面散射建模方法,拟合了不同材料表面的双向反射分布函数(BRDF)。模型计算结果与实测BRDF数据高度吻合,验证了该方法的有效性。基于此模型,本文系统分析了车载激光雷达长焦接收镜头的杂散光来源及传播路径,包括机盒内壁、镜片边缘、隔圈表面散射等。根据仿真结果,本文提出了多项杂光抑制措施,如采用低散射材料结构件、镜片表面镀增透膜、透镜非工作区涂覆消光油墨等,并且从光学设计、信号处理及工程优化等多维度评估了该激光雷达接收光学系统的杂光抑制水平。实验结果显示,优化后系统杂散辐射水平显著降低:成像视场外的点源透过率(PST)从1e+0降至1e-5,视场内PST从1e+2降至1e-1,杂散光与目标信号对比度控制在10e-4以下。此外,探测回波信号强度提升显著,有效提高了激光雷达的探测性能。本研究为车载激光雷达的杂散光抑制提供了理论模型和实用解决方案,对高灵敏度光学系统的设计与优化具有一定的参考价值。

     

  • 图 1  PSD拟合结果

    Figure 1.  PSD fitting results

    图 2  镜片BRDF测量与拟合

    Figure 2.  Lens BRDF measurement and fitting

    图 3  不同结构件BRDF拟合结果

    Figure 3.  Different structures BRDF fitting results

    图 4  激光雷达整机结构示意图

    Figure 4.  Structure diagram of LiDAR

    图 5  镜头结构示意图

    Figure 5.  Structure diagram of lens

    图 6  机盒内不同表面的光线路径及辐照度

    Figure 6.  Ray path in the box and irradiance map on surfaces

    图 7  镜头内杂光分析

    Figure 7.  Stray light analysis in the lens

    图 8  不同抑制方案的效果

    Figure 8.  Results of different plans

    图 9  镜头信号接收实验

    Figure 9.  Lens signal reception experiment

    表  1  机盒内主要光线路径

    Table  1.   Primary ray propagation paths within housing

    序号光线路径入射光通量与
    光源之比/%
    在其接收面的
    占比/%
    光线数/根
    1光源-反射镜1-视窗94.924098.90119401
    2光源-反射镜1-视窗-目标-视窗0.04260.011129
    3光源-反射镜1-视窗-目标-视窗-反射镜2-G10.003529.75107
    4光源-反射镜1-视窗-反射镜1-光源-反射镜2-G10.002722.541326
    5光源-反射镜1-视窗内部反射-反射镜1-光源-反射镜2-G10.002420.561342
    6光源-反射镜1-视窗-目标-视窗-反射镜2-G1-G2-G3-G4-G5-探测器0.001986.4477
    7光源-反射镜1-视窗-目标-视窗-反射镜2-G1-G2-G3-G4-G5非工作区-探测器0.000313.4712
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    表  2  镜头内主要光线路径

    Table  2.   Dominant optical paths through lens system

    序号光线路径入射光通量与光源之比/%在接收面的占比/%光线数/根
    1目标-G1-G2-G3-G4-G5-探测器11.339568.315317924
    2目标-G1-G2-G3-G4-G5非工作区-探测器3.955223.82826252
    3目标-G1-G2-G3-G4-B5-G5-探测器0.06020.36271910
    4目标-G1-G2非工作区-G3-G4-G5非工作区-探测器0.01120.067318
    5目标-G1-G2非工作区-G3-G4-G5-探测器0.00990.059916
    6目标-G1-G2-G3S1-G2S2-G3-G4-G5-探测器0.00770.046416535
    7目标-G1-G2-G3-G4-G5非工作区-H1-探测器0.00750.0450236
    8目标-G1-G2-G3内部反射一次-G4-G5-探测器0.00740.044815974
    9目标-G1-G2-G3S2-G2S2-G3-G4-G5-探测器0.00690.041715792
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    表  3  分析与抑制方案设计

    Table  3.   Design of analysis and inhibition protocol

    方案
    序号
    结构件表面 光学件表面 其它
    黑漆 黑漆喷涂 普通镀膜 增透膜 镜片非工作区
    涂墨
    消光螺纹
    #1 - - - -
    #2 - - - -
    #3 - - - -
    #4 - - -
    #5 - - -
    #6 - - -
    #7 - - -
    #8 - -
    #9 - -
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  • [1] HE Y X, WANG Q, HAN X, et al. Integrated solid-state lidar employing orthogonal polarizations and counterpropagation [Invited][J]. Chinese Optics Letters, 2024, 22(9): 090011. doi: 10.3788/COL202422.090011
    [2] YANG L, NIU H Q, WU SH X, et al. Single-photon frequency-modulated continuous-wave Lidar based on quantum compressed sensing[J]. Chinese Optics Letters, 2024, 22(7): 072602. doi: 10.3788/COL202422.072602
    [3] 肖鹏益, 刘铭鑫, 闫磊, 等. 鬼像影响下的调制传递函数计算模型[J]. 中国光学(中英文),2024,17(5):1183-1191.

    XIAO P Y, LIU M X, YAN L, et al. An MTF calculation model under the influence of ghost images[J]. Chinese Optics, 2024, 17(5): 1183-1191. (in Chinese).
    [4] 马博伦, 田爱玲, 王红军, 等. 卫星光通信系统中金属结构件的表面散射特性研究[J]. 激光与光电子学进展,2023,60(1):0106006.

    MA B L, TIAN A L, WANG H J, et al. Research of surface scattering characteristics of metal structures in satellite optical communication system[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2023, 60(1): 0106006. (in Chinese).
    [5] 冷荣宽, 王上, 王智, 等. 空间引力波探测前向杂散光测量和抑制[J]. 中国光学(中英文),2023,16(5):1081-1088. doi: 10.37188/CO.2022-0251

    LENG R K, WANG SH, WANG ZH, et al. Measurement and suppression of forward stray light for spaceborne gravitational wave detection[J]. Chinese Optics, 2023, 16(5): 1081-1088. (in Chinese). doi: 10.37188/CO.2022-0251
    [6] 孙红胜, 梁新刚, 马维刚, 等. 空间探测用真空紫外光谱辐射计的校准[J]. 光学 精密工程,2022,30(7):765-772. doi: 10.37188/OPE.20223007.0765

    SUN H SH, LIANG X G, MA W G, et al. Calibration of VUV spectroradiometers for space exploration[J]. Optics and Precision Engineering, 2022, 30(7): 765-772. (in Chinese). doi: 10.37188/OPE.20223007.0765
    [7] 王虎, 陈钦芳, 马占鹏, 等. 杂散光抑制与评估技术发展与展望(特邀)[J]. 光子学报,2022,51(7):0751406. doi: 10.3788/gzxb20225107.0751406

    WANG H, CHEN Q F, MA ZH P, et al. Development and prospect of stray light suppression and evaluation technology (Invited)[J]. Acta Photonica Sinica, 2022, 51(7): 0751406. (in Chinese). doi: 10.3788/gzxb20225107.0751406
    [8] MA ZH P, HANSEN P E, WANG H, et al. Harvey-Shack theory for a converging-diverging Gaussian beam[J]. Journal of the Optical Society of America B, 2023, 40(5): 1162-1169. doi: 10.1364/JOSAB.478801
    [9] 沈正祥, 余俊, 王晓强, 等. 面向激光探测的精密光机系统研制及应用[J]. 光学 精密工程,2022,30(21):2737-2751. doi: 10.37188/OPE.20223021.2737

    SHEN ZH X, YU J, WANG X Q, et al. Development and application of precision optical system for laser detection[J]. Optics and Precision Engineering, 2022, 30(21): 2737-2751. (in Chinese). doi: 10.37188/OPE.20223021.2737
    [10] GÜNÖVEN M, NASSER H, ÜNAL M, et al. Implementation of generalized Harvey-Shack theory in light scattering from rough surfaces[J]. Physical Review A, 2020, 102(6): 063521. doi: 10.1103/PhysRevA.102.063521
    [11] 张丽芝, 陆秋萍, 段帆琳, 等. 长焦镜头光学系统设计及无热化研究[J]. 光学学报,2024,44(8):0822004. doi: 10.3788/AOS231926

    ZHANG L ZH, LU Q P, DUAN F L, et al. Optical system design and athermalization of telephoto lens[J]. Acta Optica Sinica, 2024, 44(8): 0822004. (in Chinese). doi: 10.3788/AOS231926
    [12] FEST E C. Stray Light Analysis and Control[M]. Bellingham: SPIE Press, 2013.
    [13] ZENG CH L, XIA G Q, ZHONG X, et al. Fast stray light performance evaluation based on BSDF and radiative transfer theory[J]. Sensors, 2023, 23(22): 9182. doi: 10.3390/s23229182
    [14] DURY M R, THEOCHAROUS T, HARRISON N, et al. Common black coatings-reflectance and ageing characteristics in the 0.32-14.3 μm wavelength range[J]. Optics Communications, 2007, 270(2): 262-272. doi: 10.1016/j.optcom.2006.08.038
    [15] 徐亮. 大口径光学系统杂散光测试关键技术研究[D]. 西安: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所), 2019.

    XU L. Research on key technologies of stray light measurement for large aperture optical system[D]. Xi’an: University of Chinese Academy of Sciences (Xi’an Institute of Optics & Precision Mechanics, Chinese Academy of Sciences), 2019. (in Chinese).
    [16] BUTLER S D, NAUYOKS S E, MARCINIAK M A. Comparison of microfacet BRDF model to modified Beckmann-Kirchhoff BRDF model for rough and smooth surfaces[J]. Optics Express, 2015, 23(22): 29100-29112. doi: 10.1364/OE.23.029100
    [17] 宋延松, 杨建峰, 李福, 等. 基于杂散光抑制要求的光学表面粗糙度控制方法研究[J]. 物理学报,2017,66(19):194201. doi: 10.7498/aps.66.194201

    SONG Y S, YANG J F, LI F, et al. Method of controlling optical surface roughness based on stray light requirements[J]. Acta Physica Sinica, 2017, 66(19): 194201. (in Chinese). doi: 10.7498/aps.66.194201
    [18] 张运方, 朱飞虎, 郑岩, 等. 小行星地形探测激光雷达接收光学系统设计[J]. 光学 精密工程,2025,33(4):521-531. doi: 10.37188/OPE.20253304.0521

    ZHANG Y F, ZHU F H, ZHENG Y, et al. Design of receiving optical system for asteroid terrain detection LiDAR[J]. Optics and Precision Engineering, 2025, 33(4): 521-531. (in Chinese). doi: 10.37188/OPE.20253304.0521
    [19] 周星宇, 孙亮, 潘俏, 等. 大相对孔径激光测距接收光学系统及杂散光抑制[J]. 激光与光电子学进展,2024,61(5):0528001.

    ZHOU X Y, SUN L, PAN Q, et al. Large relative aperture receiving optical system and stray light suppression for laser ranging[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2024, 61(5): 0528001. (in Chinese).
    [20] 梅超. 大口径多光谱变焦光学系统杂散光分析与抑制技术研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所), 2014.

    MEI CH. The study of stray light analysis and suppressing technology in large pupil mulit-spectal zoom optical system[D]. Xi’an: University of Chinese Academy of Sciences (Xi’an Institute of Optics & Precision Mechanics, Chinese Academy of Sciences), 2014. (in Chinese).
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