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机载激光雷达的知识

机载激光雷达的知识
发布日期:2009-09-04 我也要投稿! 作者:网络阅读:309	[ 字体选择：大中小 ]

机载激光雷达特点、分类及其发展
激光雷达可以按照所用激光器、探测技术及雷达功能等来分类。目前激光雷达中使用的激光器有二氧化碳激光器，Er:YAG激光器，Nd：YAG激光器，喇曼频移信号采集系统Nd：YAG激光器、GaAiAs半导体激光器、氦-氖激光器和倍频Nd：YAG激光器等。其中掺铒YAG激光波长为2微米左右，而GaAiAs激光波长则在0.8-0.904微米之间。

根据探测技术的不同，激光雷达可以分为直接探测型和相干探测型两种。其中直接探测型激光雷达采用脉冲振幅调制技术（滚筒造粒机AM），且不需要干涉仪。相干探测型激光雷达可用外差干涉，零拍干涉或失调零拍干涉，相应的调谐技术分别为脉冲振幅调制，脉冲频率调制（FM）或混合调制。

按照不同功能，激光雷达可分为跟踪雷达，运动目标指示雷达，流速测量雷达，风剪切探测雷达，目标识别雷达，成像雷达及振动传感雷达。

激光雷达最基本的工作原理与无线电雷达没有区别，即由雷达发射系统发送一个信号，经目标反射后被接收系统收集，通过测量反射光的运行时间而确定目标的距离。至于目标的径向速度，可以由反射光的多普勒频移来确定，也可以测量两个或多个距离，并计算其变化率而求得速度，这是、也是直接探测型雷达的基本工作原理。由此可以看出，直接探测型激光雷达的基本结构与激光测距机颇为相近，相干探测型激光雷达又有单稳与双稳之分，在所谓单稳系统中，发送与接收信号共同在所谓单稳态系统中，发送与接收信号共用一个光学孔径。并由发射/接收（T/R）开头隔离。T/R开关将发射信号送往输出望远镜和发射扫描系统进行发射，信号经目标反射后进入光学扫描系统和望远镜，这时，它们起光学接收的作用。T/R开关将接收到的辐射送入光学混频器，所得拍频信号由成像系统聚焦到光敏探测器，后者将光信号变成电信号，并由高通滤波器将来自背景源的低频成分及本机振荡器所诱导的直流信号统统滤除。最后高频成分中所包含的测量信息由信号和数据处理系统检出。双稳系统的区别在于包含两套望远镜和光学扫描部件，T/R开关自然不再需要，其余部分与单稳系统的相同。

一、机载激光雷达测量系统的组成
机载激光扫描系统由空中测量平台、激光系统、姿态测量和导航系统、数码相机、计算机及软件等组成。
1. 空中测量平台
空中测量平台是航空激光扫描测量系统进行作业的空间载体和操作平台，主要为直升飞机或其它飞机，用来装载航空激光扫描测量系统所需要的各种仪器仪表和操作人员。
2. 姿态测量和导航系统
GPS接收机、IMU惯性制导仪、导航计算机构成了姿态测量和导航系统。GPS接收机采用差分定位技术确定平台的坐标。IMU惯性制导仪测量航飞平台的姿态，用于对发射激光束角度的校正以及地面图像的纠正。
GPS接收机可为飞机提供导航，应能用图文方式向飞行员和系统操作员提供飞机现在的状态，即飞机现在离任务航线起点终点的距离、航线横向偏差、飞行速度、航线偏离方向、航线在测区中的位置。系统应能处理区域测量也能处理带状测量。
3. 数字化激光扫描仪
数字化激光扫描仪是本系统的核心部分，它主要用来测量地物地貌的三维空间坐标信息。
4. 数码相机
数码相机拍摄的航片宽度应该调节到与激光扫描宽度相匹配。航片经过纠正、镶嵌可形成彩正射数字影像。
5. 数据处理软件
激光扫描系统获取的数据量非常庞大，由特殊的专业软件来处理。

二、机载激光雷达测量系统的的数据采集和处理过程

（一）航飞采集激光扫描数据及数码影像
1．在航飞前要制订飞行计划。航飞计划应包括航带划分，确定飞行高度、速度、激光脉冲频率、航带宽度、激光反射镜转动速度、数码相机方位元素及定位、相机拍摄时间间隔等，并将各航带的首尾坐标及其他导航坐标输入导航计算机内，在飞行导航控制软件的辅助下进行飞行作业。
2．安置GPS接收机。为保证飞机飞行各时刻的三维坐标数据的精度，需要在地面沿航线布设一定数量的GPS基准站，同时将GPS流动站安置在飞机上。
3．激光扫描测量。预先设置好扫描镜的摆动方向和摆动角度，当飞机飞行时，红外激光发生器向扫描镜上不停地发射激光，通过飞机的运动和扫描镜的运动反射，使激光束打到地面并覆盖测区，当激光束到达地面或遇到其它障碍物时被反射回来，被一光电接收感应器接收并将其转换成电信号。根据激光发射至接收的时间间隔即可精确测出传感器至地面的距离。
4．惯性测量。当飞机飞行时，惯性测量装置同时也将飞机的飞行姿态测出来，并和激光的有关数据、扫描镜的扫描角度一起记录在磁带上。
5．数码相机拍摄。利用数码相机进行拍摄时，需要对其拍摄时间间隔和拍摄位置进行控制。通常是用GPS系统进行时间和位置控制。
6．数据传输。航飞数据采集结束后，将所有的激光扫描测量数据、数码影像数据、GPS数据及惯性测量数据都传输到计算机中，为后续数据处理作准备。
（二）内业数据处理
机载激光雷达测量系统在野外采集得到的数据需要进行一定的处理才能得到需要的信息。数据处理的内容包括：
1．确定航迹。将地面的GPS基准站和飞机上的GPS流动站的测量数据进行联合差分解算，即可精确确定飞行轨迹。
2．激光扫描测量数据处理。利用仪器厂家提供的随机软件，对飞机GPS轨迹数据、飞行姿态数据、激光测量数据及激光扫描镜的摆动角度数据进行联合处理，最后得到各测点的（X、Y、Z）三维坐标数据。这样得到的是大量悬浮在空中没有属性的离散的点阵数据，形象地称之为“点云”。
3．数据分类处理。在对点云数据进行分类处理前，首先应当对数据进行检验，剔除错误的点和高程异常的点，如特别低的点（地面以下的点）或特别高的点（云或飞行中的鸟）。然后建立地面数据类型，分离非地面数据。再根据顾客要求，对非地面数据进行分类，如建筑物类数据、送电线路数据、铁路类数据等等。另外，可以根据高出地面的高度对非地面点数据进行分类，如可以对不同的植被进行分类。然后把输出分类的数据。
4．坐标匹配。在一幅点云图中，扫描点间的相对位置关系是正确的，而不同点云图间点的相对位置关系的正确与否，则取决于它们是否处于同一坐标系下。大多数情况下，一幅点云图无法建立物体的整个模型，因此，需要将多幅点云图精确地“装配”在一起，使点处于同一个坐标系下。
6．影像数据的定向和镶嵌。数字影像先进行解压处理，再结合航片的内外方位元素进行空中三角测量，然后结合激光扫描测量的DTM数据进行定向镶嵌，形成正射影像图。
7．建立三维地形模型。

从功能上讲,LIDAR是一种集激光,全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术与一身的系统,用于获得数据并生成精确的DEM。这三种技术的结合,可以高度准确地定位激光束打在物体上的光斑。它又分为目前日臻成熟的用于获得地面数字高程模型(DEM)的地形LIDAR系统和已经成熟应用的用于获得水下DEM的水文LIDAR系统,这两种系统的共同特点都是利用激光进行探测和测量,这也正是LIDAR一词的英文原译,inu-006即:LIght Detection And Ranging - LIDAR。快速插头
激光本身具有非常精确的测距能力,其测距精度可达几个厘米，而LIDAR系统的精确度除了激光本身因素外,还取决于激光、GPS及惯性测量单元(IMU)三者同步等内在因素。随着商用GPS翠鸟靶机及IMU的发展,通过LIDAR从移动平台上（如在飞机上）获得高精度的数据已经成为可能并被广泛应用。

LIDAR系统包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。激光器产生并发射一束光脉冲,打在物体上并反射回来,最终被接收器所接收。接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间。因为光脉冲以光速传播,所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到收到前一个被反射回的脉冲。鉴于光速是已知的,传播时间即可被转换为对距离的测量。结合激光器的高度,激光扫描角度,从GPS得到的激光器的位置和从INS得到的激光发射方向,就可以准确地计算出每一个地面光斑的座标mjpgX,Y,Z。激光束发射的频率可以从每秒几个脉冲到每秒几万个脉冲。举例而言,一个频率为每秒一万次脉冲的系统,接收器将会在一分钟内记录六十万个点。一般而言,LIDAR系统的地面光斑间距在2-4米不等。

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