[发明专利]一种用于机载激光雷达俯仰角偏差实时补偿的方法与装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于提高点扫描式机载激光雷达三维成像分辨率的方法与装置，尤其是一种用于机载激光雷达俯仰角偏差实时补偿的方法与装置。

背景技术

机载激光雷达是基于激光测距原理的地形测绘技术，集成了飞机平台、激光扫描仪、差分全球定位系统DGPS(Differential Global Positioning System)、惯性导航系统INS(Initial Navigation System)以及计算机数据采集与处理系统等。

现有激光雷达工作原理如下：由激光器按一定的脉冲重复频率发出高频激光脉冲，一个激光脉冲通过分光片后，一部分激光直接到达距离计数器，获得激光脉冲的发射时刻，另一部分激光束射向扫描镜(扫描镜主要有四种结构形式，如摆镜式、旋转棱镜式、圆锥扫描式和光纤扫描式)，经扫描镜反射后射向被测地面，在地面上投下激光脚点。地面激光脚点漫散射光又通过扫描镜反射回到主接收镜，由主接收镜再到副接收镜，将回波激光汇聚，由雪崩二极管探测到回波信号，产生电脉冲发给距离计数器，记录下回波时刻，在距离接收器中，根据激光脉冲的飞行时间，可计算出激光器到地面激光脚点的距离。由飞机载荷平台上的GPS/INS组合传感器获得载荷平台的实时姿态角，由扫描镜结构上的光电轴角编码器获得扫描角信息，可计算获得激光脉冲空间立体角。根据激光测距和空间立体角，可确定地面激光脚点的三维坐标。现有机载激光雷达的缺陷是缺乏对俯仰角偏差的实时补偿，当有各种内外界干扰存在时，就会造成地面激光脚点分布区域和密度发生变化，使三维成像质量退化。

机载激光雷达在飞行作业前，技术人员要根据现有设备的情况和被测区域地形的特点，对飞行作业和激光雷达的各个参数进行设计规划。理想工作状态下，飞机按照设计航线飞行，飞行载荷平台姿态角恒定(理想的滚动角和俯仰角为零，偏航角为一常数)，飞机保持匀速直线运动状态。如果激光扫描仪的各个参数(如扫描速率、激光发射脉冲重复频率等)设置合理，可保证形成的点云规则分布，能够最优地重建真实地形。但由于受到各种内外界因素的干扰，如阵风、湍流、发动机振动以及控制系统的性能缺陷等，飞行载荷平台无法保持理想匀速直线运动状态和恒定的姿态角，偏离理想姿态角的角度值称为姿态角偏差。载荷平台姿态角的非理想变化，会影响激光点云的分布和密度，其中，激光点云的分布区域的变化会造成目标扫描区域漏扫，被测地形三维成像有缺失；而激光点云密度的变化表现为一部分区域密度会增大，而另一部分区域密度会减小。根据香农采样定理，要想无失真的恢复真实地形，一方面要求地面地形变化空间频率是有限的，另一方面，激光点云的采样密度应至少大于等于被采样地形空间频率的两倍以上。因此，激光点云的密度的减小无法实现无失真地恢复真实地形的三维图像，造成三维图像的退化，空间分辨率下降。

目前机载平台有多种形式，如本身即是飞机的固定安装台，还有靠平台的重力保持平衡的重力稳定式、采用隔振式的机械阻尼式，另外还有力矩陀螺控制式等。不管采用哪种方式，由于载荷平台质量较大，惯性大，控制精度有限，目前的姿态角偏差变化能保持在±5°以内。而这个姿态角偏差的变化范围对激光扫描点云分布和密度的影响很大。其影响如下：单独的滚动角偏差不影响点云密度，但会改变点云分布区域；单独的俯仰角偏差对点云密度影响很大，使大部分区域的密度减小，部分区域的密度会降低3倍以上，增大了三维成像的失真；单独的偏航角偏差对点云密度的影响较大，也会造成大部分区域点云密度的降低，但其影响要小于俯仰角偏差对三维成像的影响。

另外机载激光雷达飞行平台越来越高，目前的飞行高度为1000m-2000m，NASA提出的目标是达到15000m。高度越高，俯仰角偏差对三维成像的影响越大，故对俯仰角偏差的实时补偿十分重要。进行俯仰角偏差实时补偿的优点是可避免或减轻由于俯仰角偏差造成的点云密度的减小，有效提高三维成像分辨率和恢复精度。

目前，现有的各种点扫描式三维成像机载激光雷达及其他相关类型的激光雷达均没有针对机载平台俯仰角偏差的实时补偿功能及装置，关于激光雷达的专利，例如专利号分别为200410064660.2，200810009609.X的中国专利所提及的激光雷达结构均未涉及机载平台俯仰角偏差的实时补偿问题，同时现有文献也没有关于俯仰角偏差补偿技术的研究和描述。

发明内容