[發明專利]一種機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統及其掃描方法

有效

• 申請號: 201611131238.3
• 申請日: 2016-12-09
• 公開（公告）號: CN106772314B
• 公開（公告）日: 2019-04-26
• 發明（設計）人: 樊榮偉;陳德應;葉光超;李旭東;董志偉
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01S7/481
• 分類號: G01S7/481
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 牟永林

1.一種機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統，其特征在于：一種機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統包括激光器(1)、負柱面鏡(2)、第一正柱面鏡(3)、第二正柱面鏡(4)、鍍膜反射鏡(5)、反射鏡安裝架(6)、光柵編碼器(7)、諧波減速器(8)及伺服電機(9)；

激光器(1)射出的激光束依次經過負柱面鏡(2)聚焦、第一正柱面鏡(3)準直及第二正柱面鏡(4)擴束形成發散角為θ_T的扇形激光束，并射到鍍膜反射鏡(5)上，經鍍膜反射鏡(5)反射后在地面形成線型激光腳點(10)，且線型激光腳點(10)的長軸方向與機載平臺飛行方向平行；

所述的鍍膜反射鏡(5)設置在反射鏡安裝架(6)上，反射鏡安裝架(6)連接有光柵編碼器(7)，在光柵編碼器(7)及伺服電機(9)之間設有諧波減速器(8)，諧波減速器(8)在伺服電機(9)的驅動下進行轉動，諧波減速器(8)帶動反射鏡安裝架(6)轉動；設機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統中鍍膜反射鏡(5)的轉動角度為掃描角α，設垂直于機載平臺指向天空方向為Y軸，當線型激光腳點(10)沿Y軸反方向出射時掃描角α為0°，鍍膜反射鏡(5)的轉動角度由光柵編碼器(7)讀出并反饋給伺服電機(9)；

所述的負柱面鏡(2)、第一正柱面鏡(3)及第二正柱面鏡(4)的母線相互平行。

2.根據權利要求1所述的一種機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統，其特征在于所述的激光器(1)單脈沖能量＞5mJ。

3.根據權利要求1所述的一種機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統，其特征在于所述的諧波減速器(8)減速比＞1000:1。

4.根據權利要求1所述的一種機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統，其特征在于所述的鍍膜反射鏡(5)反射率＞95％。

5.根據權利要求1所述的一種機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統，其特征在于所述的θ_T為5°～120°。

6.如權利要求1所述的一種機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統的掃描方法，其特征在于：一種機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統的掃描方法，是按以下步驟進行的：

設機載平臺飛行方向為X軸，垂直于機載平臺指向天空方向為Y軸，飛機右側機翼方向為Z軸，且Z軸與XY平面垂直；

在機載平臺對地面測繪中，機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統在機載平臺沿X軸直線運動的基礎上，激光器(1)射出的激光束依次經過負柱面鏡(2)聚焦、第一正柱面鏡(3)準直及第二正柱面鏡(4)擴束形成發散角為θ_T的扇形激光束，并射到鍍膜反射鏡(5)上，經鍍膜反射鏡(5)反射后在地面形成線型激光腳點(10)，通過鍍膜反射鏡(5)的往復轉動來實現地面上的線型激光腳點(10)沿Z軸方向發生平移，最終實現對地面被測區域的掃帚式掃描；

設機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統中鍍膜反射鏡(5)的轉動角度為掃描角α，單位為°；設線型激光腳點(10)沿Y軸反方向出射時掃描角α為0°；設t₁為機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統的掃描時間，單位為s；設t₂為機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統的復位時間，單位為s；設±α₀為線型激光腳點(10)的偏轉范圍，單位為°；

掃描角α在t₁時間內先由-α₀變化至α₀，隨后在t₂時間內由α₀復位至-α₀，并按此模式往復轉動；

且機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統的掃描速度ω與機載平臺的飛行參數間存在如下關系：

式中V——機載平臺飛行速度，單位為m/s；

H——機載平臺飛行高度，單位為m；

θ_T——激光束發散角，單位為°；

t₁為機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統的掃描時間，單位為s；

t₂為機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統的復位時間，單位為s；

復位時間t₂將由諧波減速器(8)最高轉速ω_max和線型激光腳點(10)的偏轉范圍±α₀共同決定：

式中ω_max——諧波減速器(8)最高轉速，單位為°/s；

將(b)式帶入(a)式可以得到掃描速度ω的設定值為：

式中ω——掃描速度，單位為°/s。