[发明专利]基于虚拟仪器的激光雷达三维成像系统

权利要求书

1.一种基于虚拟仪器的激光雷达三维成像系统，其特征是包括三维场景建模、Lidar试验系统仿真环境建模、全波信号处理、三维重建四个功能模块； 

(1)三维场景建模模块：载入三维模型元件，设置背景色、视角控制、光照、投影模式、显示模型等基本场景项目，对读入的包括地形、植被、飞机的范围纹理、大小、位置、数目进行控制，其中飞机的位置对应激光源位置，试验中动态变化，最终呈现机载Lidar成像试验动态场景，并输出最终的DSM表面高程数据，以备后续试验； 

(2)Lidar试验系统仿真环境建模模块：包括激光脉冲模型、大气传输模型、目标交互模型、接收单元模型四个子模块建模；激光脉冲模型按照激光的波长、脉宽、能量等性质对激光源进行模拟；大气传输模型对试验的大气环境进行模拟，生成噪声模型对激光进行作用；目标交互模型对激光与探测目标作用模拟，包括镜面反射、漫反射、表面反射、散斑；接收单元模型用以模拟传感后产生的探测器噪声、放大器噪声。通过对四个模型顺序建模，设置高程差、温度、飞行角度等系统参数，最终输出各时间段目标相应像素点的全波信号； 

(3)全波信号处理模块：针对各时间段产生的回波信号进行处理，恢复像素点深度、强度信息。该模块主要包括信号增强、去噪、平滑、分解四个部分； 

(4)三维重建模块：该模块为机载激光雷达试验提供最终的可视化的三维成图；针对全波信号处理模块提供的目标完整的深度及强度信息，生成距离像、强度像；通过分割分类划分为非地面点与地面点两类信息；地面点信息建立网格，对地面点进行三角划分，融合强度信息，最终重建生成数字高程模型(DEM)。 

2.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器的激光雷达三维成像系统，其特征是(1)中的飞机位置动态变化对应不同测量周期，按照APD数目将激光分光，结合光斑覆盖像素点数得到一个周期同时测得的像素点数及其回波信号。 

3.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器的激光雷达三维成像系统，其特征是(3)中可动态地对每个周期的回波信号搜索、采样特征点，针对性处理，实现信号增强、去噪、平滑、波形拟合的一体化功能；为了获得更高的测量精度，波形拟合模块根据激光脉冲的实际波形设置拟合模板。 

4.根据权利要求1或3所述的基于虚拟仪器的激光雷达探测及测距系统三维成像仿真系统，其特征是预留TCP、串口通信接口，通过采集器加载实测数据，完成Lidar实测点云数据三维成像的功能。 

5.根据权利要求1或3所述的基于虚拟仪器的激光雷达探测及测距系统三维成像仿真系统，其特征是成像系统的全波信号处理模块实现过程是：全波信号按指定采样率获取全波 采样数据，对该信号进行信号增强，阈值增强、带通滤波、脉冲积累方法，降噪模块针对地处理各边缘、尖峰等细节信息；平滑算法对去噪信号平滑去毛刺，同时保证信号特征的完整性。峰值、拐点检测确定波形分解的数目及非线性拟合的初始化位置和峰值，基于Levenberg-Marquardt非线性拟合算法，以实际激光脉冲波形作为LM拟合模板，明显提高拟合优度，减少拟合误差。通过波形分解得到相应像素的深度信息、强度信息。 

6.根据权利要求1或3所述的基于虚拟仪器的激光雷达三维成像系统，其特征是基于LabVIEW的主开发平台，利用ActiveX技术的LabWindows/CVI、Matlab、C++的混合开发模式，构建用户交互主功能界面。通过执行主GUI可呈现完整的激光雷达三维成像的可视化仿真试验，最终三维成图。操作流程为： 

第一步：启动软件平台后，对三维场景基本参数进行初始化配置，加载地形、植被、飞机的三维模型，对生成的场景元素进行大小、位置、纹理等控制，全面布局，最终生成并呈现Lidar三维场景； 

第二步：设置激光模型参数、大气模型参数、探测器模型参数，全局参数，针对产生场景触发试验，获取并呈现全波信号； 

第三步：触发全波信号处理，实时解算出每个时间周期的像素深度信息，并刷新显示，可触发数据存档； 

第四步：触发点云三维重建，生成DEM及等高图，设置其呈现窗显示形式，对图像存档。 

7.根据权利要求5所述的基于虚拟仪器的激光雷达探测及测距系统三维成像仿真系统，其特征是成像系统的全波信号处理模块实现过程是：降噪具有良好的时频特性，选基灵活，针对地处理非平稳信号的各边缘、尖峰等细节信息。峰值、拐点检测为了确定波形分解的数目及非线性拟合的初始化位置和峰值，此前需要删除误判错点，并计算阈值作为拟合常量；非线性拟合是波形分解的核心算法采用包括Levenberg-Marquardt非线性拟合，由LabVIEW提供了该功能控件可直接调用；使用高斯拟合，即                                                  对于激光脉冲拟合会存在一定的误差；实际的激光时间分布为：其中T_1/2表示半波；因此，使用   作为LM拟合模板，明显提高拟合优度，减少拟合误差。通过波形分解得到相应像素的TOF(飞行时间)、强度信息。