[發(fā)明專利]一種用于機(jī)載激光雷達(dá)俯仰角偏差實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄅc裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010183492.4
• 申請(qǐng)日: 2010-05-19
• 公開（公告）號(hào): CN101865996A
• 公開（公告）日: 2010-10-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐立軍;王建軍;李小路;郜蕾
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G01S7/481
• 分類號(hào): G01S7/481;G01S17/89
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種用于提高點(diǎn)掃描式機(jī)載激光雷達(dá)三維成像分辨率的方法與裝置，尤其是一種用于機(jī)載激光雷達(dá)俯仰角偏差實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄅc裝置。

背景技術(shù)

機(jī)載激光雷達(dá)是基于激光測(cè)距原理的地形測(cè)繪技術(shù)，集成了飛機(jī)平臺(tái)、激光掃描儀、差分全球定位系統(tǒng)DGPS(Differential?Global?Positioning?System)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS(Initial?Navigation?System)以及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)等。

現(xiàn)有激光雷達(dá)工作原理如下：由激光器按一定的脈沖重復(fù)頻率發(fā)出高頻激光脈沖，一個(gè)激光脈沖通過(guò)分光片后，一部分激光直接到達(dá)距離計(jì)數(shù)器，獲得激光脈沖的發(fā)射時(shí)刻，另一部分激光束射向掃描鏡(掃描鏡主要有四種結(jié)構(gòu)形式，如擺鏡式、旋轉(zhuǎn)棱鏡式、圓錐掃描式和光纖掃描式)，經(jīng)掃描鏡反射后射向被測(cè)地面，在地面上投下激光腳點(diǎn)。地面激光腳點(diǎn)漫散射光又通過(guò)掃描鏡反射回到主接收鏡，由主接收鏡再到副接收鏡，將回波激光匯聚，由雪崩二極管探測(cè)到回波信號(hào)，產(chǎn)生電脈沖發(fā)給距離計(jì)數(shù)器，記錄下回波時(shí)刻，在距離接收器中，根據(jù)激光脈沖的飛行時(shí)間，可計(jì)算出激光器到地面激光腳點(diǎn)的距離。由飛機(jī)載荷平臺(tái)上的GPS/INS組合傳感器獲得載荷平臺(tái)的實(shí)時(shí)姿態(tài)角，由掃描鏡結(jié)構(gòu)上的光電軸角編碼器獲得掃描角信息，可計(jì)算獲得激光脈沖空間立體角。根據(jù)激光測(cè)距和空間立體角，可確定地面激光腳點(diǎn)的三維坐標(biāo)。現(xiàn)有機(jī)載激光雷達(dá)的缺陷是缺乏對(duì)俯仰角偏差的實(shí)時(shí)補(bǔ)償，當(dāng)有各種內(nèi)外界干擾存在時(shí)，就會(huì)造成地面激光腳點(diǎn)分布區(qū)域和密度發(fā)生變化，使三維成像質(zhì)量退化。

機(jī)載激光雷達(dá)在飛行作業(yè)前，技術(shù)人員要根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備的情況和被測(cè)區(qū)域地形的特點(diǎn)，對(duì)飛行作業(yè)和激光雷達(dá)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃。理想工作狀態(tài)下，飛機(jī)按照設(shè)計(jì)航線飛行，飛行載荷平臺(tái)姿態(tài)角恒定(理想的滾動(dòng)角和俯仰角為零，偏航角為一常數(shù))，飛機(jī)保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。如果激光掃描儀的各個(gè)參數(shù)(如掃描速率、激光發(fā)射脈沖重復(fù)頻率等)設(shè)置合理，可保證形成的點(diǎn)云規(guī)則分布，能夠最優(yōu)地重建真實(shí)地形。但由于受到各種內(nèi)外界因素的干擾，如陣風(fēng)、湍流、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)以及控制系統(tǒng)的性能缺陷等，飛行載荷平臺(tái)無(wú)法保持理想勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和恒定的姿態(tài)角，偏離理想姿態(tài)角的角度值稱為姿態(tài)角偏差。載荷平臺(tái)姿態(tài)角的非理想變化，會(huì)影響激光點(diǎn)云的分布和密度，其中，激光點(diǎn)云的分布區(qū)域的變化會(huì)造成目標(biāo)掃描區(qū)域漏掃，被測(cè)地形三維成像有缺失；而激光點(diǎn)云密度的變化表現(xiàn)為一部分區(qū)域密度會(huì)增大，而另一部分區(qū)域密度會(huì)減小。根據(jù)香農(nóng)采樣定理，要想無(wú)失真的恢復(fù)真實(shí)地形，一方面要求地面地形變化空間頻率是有限的，另一方面，激光點(diǎn)云的采樣密度應(yīng)至少大于等于被采樣地形空間頻率的兩倍以上。因此，激光點(diǎn)云的密度的減小無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)失真地恢復(fù)真實(shí)地形的三維圖像，造成三維圖像的退化，空間分辨率下降。

目前機(jī)載平臺(tái)有多種形式，如本身即是飛機(jī)的固定安裝臺(tái)，還有靠平臺(tái)的重力保持平衡的重力穩(wěn)定式、采用隔振式的機(jī)械阻尼式，另外還有力矩陀螺控制式等。不管采用哪種方式，由于載荷平臺(tái)質(zhì)量較大，慣性大，控制精度有限，目前的姿態(tài)角偏差變化能保持在±5°以內(nèi)。而這個(gè)姿態(tài)角偏差的變化范圍對(duì)激光掃描點(diǎn)云分布和密度的影響很大。其影響如下：?jiǎn)为?dú)的滾動(dòng)角偏差不影響點(diǎn)云密度，但會(huì)改變點(diǎn)云分布區(qū)域；單獨(dú)的俯仰角偏差對(duì)點(diǎn)云密度影響很大，使大部分區(qū)域的密度減小，部分區(qū)域的密度會(huì)降低3倍以上，增大了三維成像的失真；單獨(dú)的偏航角偏差對(duì)點(diǎn)云密度的影響較大，也會(huì)造成大部分區(qū)域點(diǎn)云密度的降低，但其影響要小于俯仰角偏差對(duì)三維成像的影響。

另外機(jī)載激光雷達(dá)飛行平臺(tái)越來(lái)越高，目前的飛行高度為1000m-2000m，NASA提出的目標(biāo)是達(dá)到15000m。高度越高，俯仰角偏差對(duì)三維成像的影響越大，故對(duì)俯仰角偏差的實(shí)時(shí)補(bǔ)償十分重要。進(jìn)行俯仰角偏差實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是可避免或減輕由于俯仰角偏差造成的點(diǎn)云密度的減小，有效提高三維成像分辨率和恢復(fù)精度。

目前，現(xiàn)有的各種點(diǎn)掃描式三維成像機(jī)載激光雷達(dá)及其他相關(guān)類型的激光雷達(dá)均沒有針對(duì)機(jī)載平臺(tái)俯仰角偏差的實(shí)時(shí)補(bǔ)償功能及裝置，關(guān)于激光雷達(dá)的專利，例如專利號(hào)分別為200410064660.2，200810009609.X的中國(guó)專利所提及的激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)均未涉及機(jī)載平臺(tái)俯仰角偏差的實(shí)時(shí)補(bǔ)償問(wèn)題，同時(shí)現(xiàn)有文獻(xiàn)也沒有關(guān)于俯仰角偏差補(bǔ)償技術(shù)的研究和描述。

發(fā)明內(nèi)容