[發明專利]一種機載傾斜激光三維測量與復合成像系統及其使用方法

有效

• 申請號: 202011260488.3
• 申請日: 2020-11-12
• 公開（公告）號: CN112558102B
• 公開（公告）日: 2023-09-29
• 發明（設計）人: 潘超;劉宇哲;趙一鳴;梅艷鵬;邊吉;韓曉爽;李柞涵;王麗東;趙艷;于勇;李涼海
• 申請（專利權）人: 北京遙測技術研究所;航天長征火箭技術有限公司
• 主分類號: G01S17/894
• 分類號: G01S17/894;G01S7/481;G01C21/16;G01S19/47
• 代理公司: 北京巨弘知識產權代理事務所(普通合伙) 11673
• 代理人: 趙洋

1.一種機載傾斜激光三維測量與復合成像系統，其特征在于：包括安裝在飛行平臺上的伺服掃描子系統（1），分別安裝在所述伺服掃描子系統（1）上的多波束激光雷達子系統（2）、可見光相機（3），與所述伺服掃描子系統（1）連接的GNSS/IMU組合導航單元（4）；

所述伺服掃描子系統（1）用于沿所述飛行平臺飛行垂直向任一俯仰角為中心實現一維小角度快速擺掃，所述多波束激光雷達子系統（2）用于驅動所述伺服掃描子系統（1）并實現沿軌方向的連續測量以獲取、存儲及輸出目標區域的光電子點云數據，所述可見光相機（3）用于利用所述伺服掃描子系統（1）的運動實現與所述多波束激光雷達子系統（2）的協同測量并獲取及輸出所述目標區域的可見光圖像信息；所述GNSS/IMU組合導航單元（4）用于獲取所述伺服掃描子系統（1）的指向角度以及所述飛行平臺的地理坐標信息輸出，所述光電子點云數據、所述可見光圖像、所述指向角度、所述地理坐標信息用于融合為所述目標區域的三維立體圖像；

伺服掃描子系統（1）包括第一掃描機構（11），第二掃描機構（12）和與所述第一掃描機構（11）、所述第二掃描機構（12）均電連接的機構驅動控制單元（13），所述多波束激光雷達子系統（2）設置在所述第一掃描機構（11）上，所述可見光相機（3）設置在所述第二掃描機構（12）上，所述機構驅動控制單元（13）與所述多波束激光雷達子系統（2）電連接，所述GNSS/IMU組合導航單元（4）與所述第一掃描機構（11）的固定部分和所述第二掃描機構（12）的固定部分一體剛性連接；

所述多波束激光雷達子系統（2）包括多波束激光雷達，所述多波束激光雷達包括依次放置的單波長激光器（21）、激光分束器（22），依次放置的接收望遠鏡（23）、接收光學單元（24）、陣列單光子探測器（25）和與所述單波長激光器（21）、陣列單光子探測器（25）均電連接的綜合管理與數據處理單元（26）；

所述單波長激光器（21）用于發射激光脈沖，所述激光分束器（22）用于接收所述激光脈沖并分束成多波束向所述目標區域發射，所述接收望遠鏡（23）用于接收經所述目標區域散射的所述多波束并輸出，所述接收光學單元（24）用于將接收所述接收望遠鏡（23）輸出的所述多波束進行光學耦合、分束、準直、濾光后轉換為發射光信號的散射光與回波光信號匯聚在所述陣列單光子探測器（25）對應像元上，所述陣列單光子探測器（25）用于接收所述發射光信號的散射光與所述回波光信號進行光電轉換并向所述綜合管理與數據處理單元（26）輸出發射信號電脈沖與回波信號電脈沖；所述綜合管理與數據處理單元（26）用于控制所述單波長激光器（21）發射所述激光脈沖，所述綜合管理與數據處理單元（26）用于測量多通道所述發射信號電脈沖與所述回波信號電脈沖之間的時間差并存儲，所述時間差即為所述光電子點云數據；

所述激光分束器（22）包括用于對所述激光脈沖發散角進行壓縮的擴束鏡和用于對激光多線分束以使激光固定相等間隔角發射的衍射分束器；

所述接收光學單元（24）包括陣列耦合光纖和雙遠心鏡頭，所述陣列耦合光纖用于將不同波束的所述回波光信號耦合并輸出至所述雙遠心鏡頭，所述雙遠心鏡頭接收所述陣列耦合光纖輸出的所述回波光信號并進行準直和窄帶濾光后，將不同光纖通道的所述回波光信號匯聚到所述陣列單光子探測器（25）對應的光敏面上，所述陣列單光子探測器（25）的光敏面像元為多通道矩形排布；

所述綜合管理與數據處理單元（26）與所述機構驅動控制單元（13）電連接，所述綜合管理與數據處理單元（26）用于控制所述機構驅動控制單元（13）；

所述機構驅動控制單元（13）在所述綜合管理與數據處理單元（26）的控制下驅動所述第二掃描機構（12）將所述可見光相機（3）的光軸指向調整至與所述多波束激光雷達子系統（2）的掃描中心角指向一致，所述可見光相機（3）與激光協同測量，獲取目標區域的可見光圖像信息；

機載傾斜激光三維測量與復合成像系統的使用方法包括如下步驟：

S1、獲取光電子點云數據：伺服掃描子系統（1）帶動多波束激光雷達子系統（2）沿飛行平臺飛行垂直向任一俯仰角為中心實現一維小角度快速擺掃，所述多波束激光雷達子系統（2）利用所述飛行平臺的運動實現沿軌方向的連續測量并獲取目標區域的光電子點云數據存儲及輸出；所述光電子點云數據即為所述多波束激光雷達子系統（2）的發射信號電脈沖與回波信號電脈沖之間的時間差△t；所述多波束激光雷達子系統（2）在所述GNSS/IMU組合導航單元（4）輸出的秒脈沖同步下，依據固定時序進行所述激光脈沖發射；

S2、獲取可見光圖像信息：所述伺服掃描子系統（1）帶動可見光相機（3）沿飛行平臺飛行垂直向任一俯仰角為中心實現一維小角度快速擺掃，并與所述多波束激光雷達子系統（2）協同測量及獲取所述目標區域的可見光圖像信息輸出；所述可見光成像相機（3）在所述GNSS/IMU組合導航單元（4）輸出的秒脈沖同步下，依據固定時序進行可見光曝光；

S3、獲取指向角度及飛行平臺的地理坐標信息：GNSS/IMU組合導航單元（4）獲取所述伺服掃描子系統（1）的指向角度以及所述飛行平臺的地理坐標信息輸出；所述指向角度為θ，所述地理坐標信息包括航向角、俯仰角、側滾角、緯度坐標B、經度坐標L和橢球高坐標H；

S4、坐標解算：將所述光電子點云數據、所述可見光圖像、所述指向角度、所述地理坐標信息融合轉換為激光地面點在地心坐標系WGS84下的三維坐標值，輸出掃描軌跡的剖面點云；

S41、獲得雷達測距距離：將所述時間差△t轉換為雷達測距距離ρ：ρ=C*△t/2，其中C為光在大氣中的傳輸速度，即299552816?m/s；

S42、獲得WGS84坐標系下的坐標：將所述緯度坐標B、所述經度坐標L和所述橢球高坐標H轉換為WGS84坐標系下的坐標：

，其中e為WGS84橢球的第一偏心率，即0.08181919092890624；N為卯酉圈曲率半徑，，其中a為WGS84橢球的長半軸，即6378137米；

S43、獲得偏移量和偏移角：測量得到所述多波束激光雷達子系統（2）激光出射點到所述GNSS/IMU組合導航單元（4）天線中心的偏移量，得到所述GNSS/IMU組合導航單元（4）和所述多波束激光雷達子系統（2）的偏移角：；

S44、獲得地心坐標系WGS84下三維坐標值：將所述雷達測距距離ρ、所述指向角度θ、所述WGS84坐標系下的坐標和所述偏移角轉換為所述地心坐標系WGS84下的三維坐標值：

，

其中：；

；

；

S5、復合成像：將所述剖面點云進行點云去噪和濾波獲得線狀數字高程模型，通過多段線狀數字高程模型獲得目標區域的三維激光點云，將所述可見光圖像信息結合所述飛行平臺的所述地理坐標信息轉換為所述可見光相機（3）的航跡文件以及影像外方位元素并與所述可見光相機（3）的原始影像結合生成數字正射影像，將所述三維激光點云與所述數字正射影像進行配準，獲得目標區域的三維立體圖像。