[發明專利]一種機載激光雷達激光發射指向擾動的補償裝置及方法

有效

• 申請號: 201110271745.8
• 申請日: 2011-09-14
• 公開（公告）號: CN102426355A
• 公開（公告）日: 2012-04-25
• 發明（設計）人: 徐立軍;王建軍;李小路;張超曾
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01S7/48
• 分類號: G01S7/48;G01S17/89
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種可在線高精度補償機載平臺的滾動角擾動和俯仰角擾動對機載激光雷達激光發射指向不利影響的裝置及方法。

背景技術

機載LIDAR(Light?Detection?and?Ranging)或LADAR(Laser?Detection?and?Ranging)，又稱機載激光雷達，是機載平臺上激光探測及測距系統的簡稱。機載激光雷達技術是一種新型和高效的地形測繪技術，可實時準確獲取被測地面的DEM(Digital?Elevation?Model)和DSM(Digital?Surface?Model)等測繪產品，近二十年來，在地形測繪、城市建模、災害評估、虛擬現實、逆向工程、文物修復等諸多領域得到迅速發展和廣泛應用。

機載激光雷達系統主要集成了飛行載荷平臺、GPS(Global?Positioning?System)系統、INS(Inertial?Navigation?System)系統、激光掃描儀、計算機數據采集和處理系統等。其工作過程為：飛機按照預先設計的飛行航線勻速直線飛行，激光掃描儀發射出高頻激光脈沖對被測地形進行掃描，由GPS/INS組合測量裝置采用卡爾曼濾波技術實時測量出飛行載荷平臺的軌跡和姿態角，根據激光脈沖的飛行時間可計算出激光發射點到地面激光腳點之間的距離，同時由激光掃描鏡旋轉電機軸上的光電軸角編碼器獲得各個激光脈沖發射時刻的掃描角，綜合以上的測量數據，可解算出每一個地面激光腳點的空間位置。大量的激光腳點形成所謂的激光點云。點云進一步通過粗差點剔除、冗余點清理、濾波等預處理，再經過曲面擬合，可重建被測地形的三維成像產品，即DSM或DEM等。

機載平臺姿態角擾動對點云的分布區域和點云密度的影響非常顯著，不僅可造成點云分布區域明顯變化，還造成點云密度的較大變化。激光點云分布區域的變化會造成目標掃描區域漏掃，導致形成的DSM或DEM與目標地形相比有缺失。點云密度的降低造成被測地面的采樣分辨率降低，導致DSM或DEM的精度降低。

姿態角擾動對DSM的影響機理為：理想狀態下，飛機按照設計航線勻速直線飛行，此時機載平臺的姿態角擾動為零。如果機載激光雷達系統中的各個參數(如掃描頻率、激光脈沖重復頻率、飛行高度、飛行速度等)設置合理，可保證形成的點云較規則分布，進而能夠最優地重建真實地形，使重建的三維表面模型DSM失真最小。但由于機載平臺受到各種內外界因素的干擾，如陣風、湍流、發動機振動以及控制系統的性能缺陷等，機載激光雷達的載荷平臺無法保持理想的勻速直線運動狀態，產生飛行軌跡擾動和姿態角擾動。其中飛行軌跡擾動對點云分布有一定影響，但對點云密度影響很小，可忽略不計。而由于飛行高度一般在500米以上，姿態角擾動對激光掃描點云的分布和密度影響較大，可造成大部分激光掃描區域的點云密度降低。重建的三維圖像精度與激光點云的密度有密切關系，點云密度越高，DSM精度越高。因此，激光點云密度的減小會造成地形三維圖像的退化。另外姿態角擾動導致激光點云掃描區域產生橫向的偏移，容易造成目標測量地形的漏掃。因此，對平臺姿態角擾動進行實時補償很有現實意義，一方面，可補償機載平臺姿態角擾動造成的點云分布區域的變化，防止漏掃描，并可大大減小相鄰掃描帶的重疊率，提高掃描效率和設備壽命；另一方面，可消除姿態角擾動造成的點云密度的不均勻分布，有效提高三維重建圖像的精度。

機載激光雷達的載荷平臺可大體分為兩種形式，一種是飛機(主要是固定翼飛機和直升飛機)自身的固定安裝平臺作為激光雷達等載荷的安裝平臺，由于陣風、渦流等的影響，其姿態角擾動會較大，可達到±10°以上；另一種是在飛機的固定安裝平臺上又安裝了機載穩定平臺，激光雷達和IMU(慣性測量單元)等載荷安裝在該機載穩定平臺上。機載穩定平臺又可大體分為兩類，即主動式穩定平臺和被動式穩定平臺。主動式穩定平臺如電動穩定平臺和力矩陀螺控制式穩定平臺等；被動式穩定平臺如重力穩定式、機械阻尼隔振式等。但不管是主動式還是被動式穩定平臺，由于要安裝激光雷達和IMU等設備，機載穩定平臺的體積、質量和慣性較大，故目前機載穩定平臺的姿態角擾動僅能控制在±5°以內。因此即使是經過機載穩定平臺補償后的殘余姿態角擾動值，對機載激光掃描成像仍有很大的影響，仍需要進一步對殘余的姿態角擾動值進行補償。