[发明专利]一种机载激光雷达激光发射指向扰动的补偿装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种可在线高精度补偿机载平台的滚动角扰动和俯仰角扰动对机载激光雷达激光发射指向不利影响的装置及方法。

背景技术

机载LIDAR(Light Detection and Ranging)或LADAR(Laser Detection and Ranging)，又称机载激光雷达，是机载平台上激光探测及测距系统的简称。机载激光雷达技术是一种新型和高效的地形测绘技术，可实时准确获取被测地面的DEM(Digital Elevation Model)和DSM(Digital Surface Model)等测绘产品，近二十年来，在地形测绘、城市建模、灾害评估、虚拟现实、逆向工程、文物修复等诸多领域得到迅速发展和广泛应用。

机载激光雷达系统主要集成了飞行载荷平台、GPS(Global Positioning System)系统、INS(Inertial Navigation System)系统、激光扫描仪、计算机数据采集和处理系统等。其工作过程为：飞机按照预先设计的飞行航线匀速直线飞行，激光扫描仪发射出高频激光脉冲对被测地形进行扫描，由GPS/INS组合测量装置采用卡尔曼滤波技术实时测量出飞行载荷平台的轨迹和姿态角，根据激光脉冲的飞行时间可计算出激光发射点到地面激光脚点之间的距离，同时由激光扫描镜旋转电机轴上的光电轴角编码器获得各个激光脉冲发射时刻的扫描角，综合以上的测量数据，可解算出每一个地面激光脚点的空间位置。大量的激光脚点形成所谓的激光点云。点云进一步通过粗差点剔除、冗余点清理、滤波等预处理，再经过曲面拟合，可重建被测地形的三维成像产品，即DSM或DEM等。

机载平台姿态角扰动对点云的分布区域和点云密度的影响非常显著，不仅可造成点云分布区域明显变化，还造成点云密度的较大变化。激光点云分布区域的变化会造成目标扫描区域漏扫，导致形成的DSM或DEM与目标地形相比有缺失。点云密度的降低造成被测地面的采样分辨率降低，导致DSM或DEM的精度降低。

姿态角扰动对DSM的影响机理为：理想状态下，飞机按照设计航线匀速直线飞行，此时机载平台的姿态角扰动为零。如果机载激光雷达系统中的各个参数(如扫描频率、激光脉冲重复频率、飞行高度、飞行速度等)设置合理，可保证形成的点云较规则分布，进而能够最优地重建真实地形，使重建的三维表面模型DSM失真最小。但由于机载平台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，机载激光雷达的载荷平台无法保持理想的匀速直线运动状态，产生飞行轨迹扰动和姿态角扰动。其中飞行轨迹扰动对点云分布有一定影响，但对点云密度影响很小，可忽略不计。而由于飞行高度一般在500米以上，姿态角扰动对激光扫描点云的分布和密度影响较大，可造成大部分激光扫描区域的点云密度降低。重建的三维图像精度与激光点云的密度有密切关系，点云密度越高，DSM精度越高。因此，激光点云密度的减小会造成地形三维图像的退化。另外姿态角扰动导致激光点云扫描区域产生横向的偏移，容易造成目标测量地形的漏扫。因此，对平台姿态角扰动进行实时补偿很有现实意义，一方面，可补偿机载平台姿态角扰动造成的点云分布区域的变化，防止漏扫描，并可大大减小相邻扫描带的重叠率，提高扫描效率和设备寿命；另一方面，可消除姿态角扰动造成的点云密度的不均匀分布，有效提高三维重建图像的精度。

机载激光雷达的载荷平台可大体分为两种形式，一种是飞机(主要是固定翼飞机和直升飞机)自身的固定安装平台作为激光雷达等载荷的安装平台，由于阵风、涡流等的影响，其姿态角扰动会较大，可达到±10°以上；另一种是在飞机的固定安装平台上又安装了机载稳定平台，激光雷达和IMU(惯性测量单元)等载荷安装在该机载稳定平台上。机载稳定平台又可大体分为两类，即主动式稳定平台和被动式稳定平台。主动式稳定平台如电动稳定平台和力矩陀螺控制式稳定平台等；被动式稳定平台如重力稳定式、机械阻尼隔振式等。但不管是主动式还是被动式稳定平台，由于要安装激光雷达和IMU等设备，机载稳定平台的体积、质量和惯性较大，故目前机载稳定平台的姿态角扰动仅能控制在±5°以内。因此即使是经过机载稳定平台补偿后的残余姿态角扰动值，对机载激光扫描成像仍有很大的影响，仍需要进一步对残余的姿态角扰动值进行补偿。