[發明專利]利用基于距離探測和3D點分析的歧義消解的空中多脈沖激光掃描系統

有效

• 申請號: 201910977437.3
• 申請日: 2019-10-15
• 公開（公告）號: CN111123281B
• 公開（公告）日: 2023-08-11
• 發明（設計）人: 潘志剛;J·C·桑德斯三世;楊全
• 申請（專利權）人: 萊卡地球系統公開股份有限公司
• 主分類號: G01S17/08
• 分類號: G01S17/08;G01S17/88;G01S7/481;G01S7/4865
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司 11127
• 代理人: 李艷芳;王小東

利用基于距離探測和3D點分析的歧義消解的空中多脈沖激光掃描系統。一種空中多脈沖(MPiA)激光掃描系統，其中，解決的MPiA問題在于，激光掃描儀的返回脈沖到發送脈沖的MPiA指派基于在間歇時間點處的距離跟蹤和距離探測。每個距離探測包括被構造成無MPiA問題的飛行時間排布。本發明還涉及一種MPiA激光掃描系統，其中，將返回脈沖的時間序列內的MPiA歧義轉換到3D點云空間，該3D點云空間提供來自所討論的點的空間鄰域的附加信息以使能實現MPiA消歧。

技術領域

本發明涉及一種測量激光掃描儀的激光脈沖的飛行時間的空中多脈沖(multiple-pulses-in-air(MPiA))激光掃描系統。而且，本發明涉及一種用于測量激光掃描儀的激光脈沖的飛行時間的計算機程序產品。

背景技術

脈沖飛行時間測量系統是當今許多不同應用領域中的標準解決方案。這里使用的原理基本上包括將脈沖電磁輻射發射到待測量的目標上并隨后接收由該目標返回的輻射，其中，基于脈沖的飛行時間(即，激光脈沖(發送脈沖)的發送與該激光脈沖從目標表面返回的回波(返回脈沖)的接收之間的時間差)來確定距目標的距離。然后，可以利用光速，使用該測量來計算到所述表面的距離(range)。

舉例來說，機載LiDAR系統(LiDAR：光探測和測距)使用飛行時間(ToF)測量的工作原理來測量飛行器中的LiDAR傳感器與在下面的地形之間的距離。當與飛行器軌跡的知識結合時，這些距離又可以被用于生成包含地形以及位于該地形上的建筑物和植被等特征的3D點云。

使用不同的方法來檢測返回脈沖。在所謂的閾值方法中，如果傳入輻射的強度超過特定閾值，則檢測到光脈沖。該閾值防止將噪聲和其它干擾信號誤檢測為有用信號，即，從目標返回的發射脈沖的光。

另一種方法是基于對檢測到的返回脈沖的時間上非常精確的采樣。通常實時地將由檢測器生成的電信號轉換成數字信號序列，隨后對該數字信號序列進一步處理。該采樣檢測測量信號和實質噪聲信息，這使能實現增加的測量準確度。通過使用多個采樣點和/或通過與發射速率同步地對接收信號進行總計，即使在不利的情況下，也可以識別有用信號，例如，使能實現遠距離測量或者在嘈雜或受干擾的背景條件下的測量。

所謂的波形數字化(WFD)方法通常從由檢測器檢測到的輻射中掃描模擬信號的整個波形。在識別出關聯發送信號到接收信號的編碼(ASK、FSK、PSK，也稱為距離或間隔調制等)之后，例如，借助于傅立葉變換或者根據經采樣、數字化以及重建的信號的定義行進點(例如轉折點、曲線最大值)或者借助于從時間插值已知的最優濾波器整體地來確定信號傳播時間。

減少測量時間(例如，機載LiDAR系統的飛行時間)的經濟動機推動了加快數據采集的工作。實現該目的的一種途徑是增加從LiDAR掃描儀發送發送脈沖的速率，即，增加所謂的脈沖重復頻率(PRF)。然而，除了硬件約束，脈沖重復頻率的增加還帶來了所謂的空中多脈沖(MPiA)問題，也稱為多次回波(multiple-time-around(MTA))問題。當脈沖重復頻率太高以致于發送脈沖之間的時間短于回波返回傳感器所需的時間時，就會出現MPiA問題。在這種情況下，來自特定發送脈沖的返回脈沖可以僅在已經發送了許多其它中間發送脈沖之后到達檢測器。必須將接收到的脈沖指派給所涉及的原始發送時間，以使得能夠進行正確距離測量。這種指派的處理通常被稱為MPiA消歧(disambiguation)或MTA消歧，所述指派本身通常被稱為返回脈沖的MPiA地帶或MTA地帶。例如，如果將返回脈沖指派給恰好在該返回脈沖之前的發送脈沖，則將該返回脈沖指派給MPiA地帶零，從而為二十的MPiA地帶表示有20個中間發送脈沖。

此外，給定一對連續發送脈沖，即使這對連續發送脈沖中的前一發送脈沖已經被更靠近檢測器的目標以允許先前發送的脈沖首先到達的足夠寬裕度反射，該對連續發送脈沖中的后一發送脈沖的回波也仍然可能在前一發送脈沖的回波之前到達接收器。