[发明专利]基于虚拟仪器的激光雷达三维成像系统

说明书

一、技术领域

本发明是基于虚拟仪器的激光雷达三维成像系统，属于激光雷达探测技术领域。 

二、背景技术

激光雷达探测及测距系统(Light Detection and Ranging,简称Lidar)是一种主动式遥感技术，它突破了传统的被动式遥感成像机理，受天气影响、光照影响小、自动化程度高等特点，具有无可比拟的优势。 

机载成像Lidar通过IMU位置矫正，DGPS获取装置投影中心位置，IMU/DGPS系统是指利用装在飞机上的GPS接收机和设在地面上的一个或多个基站上的GPS接收机同步而连续地观测GPS卫星信号，通过GPS载波相位测量差分定位技术获取航摄仪的位置参数，应用与航摄仪紧密固连的高精度惯性测量单元(IMU，Inertial Measurement Uint)直接测定航摄仪的姿态参数，通过IMU、DGPS数据的联合后处理技术获得测图所需的每张像片高精度外方位元素的航空摄影测量技术，通过点云数据处理及滤波处理，三维重建DEM。 

激光雷达技术结合光学、雷达、信号处理、计算机视觉等多门学科领域于一身，其应用范围横跨海、陆、空，是近年来国内外迅速发展和广泛应用的技术领域。激光雷达最早应用于航空航天领域，后来逐渐用于军事上，诸如激光制导、战场侦察、飞机防撞、地雷遥感等领域。目前，激光雷达技术广泛应用于城市数字模型重建、森林生态监测、海洋环境测绘、地质地貌探测、太空勘测等众多领域。 

全波激光雷达(Full-Waveform Lidar)对脉冲发射波形和各像素点的后向散射波形进行数据采集并记录，在一个时间轴上可以分解出各像素点的飞行时间(TOF)和强度信息。 

激光雷达成像的方法主要分为三种： 

(1)采用单颗探测器，每次只测量一个像素。这种方法是最早的探测技术，将单次测量不同像素的飞行时间和强度信息，逐一恢复各个像素的距离和反射率。 

(2)采用面阵探测器，每次可探测多个像素。通过将发射光同时覆盖整个目标，回波信号涵盖多个像素的信息，接收器通过解调、分离可以得出不同的像素的距离。这种方法用于大光斑成像，单次测量的像素点数较单颗测量明显提高。 

(3)采用APD(雪蹦光电二极管)阵列探测器，独立探测多个像素。通过将光束分为N束分别打在目标的N个点上，通过APD阵列的N个单元接收，从而可以同时准确地分解N个点的信息。通过扫描器扫描目标所有的像素点，最终成像。该方法采用了高灵敏度的APD 传感阵列，较前面两种方法，既能保证高分辨率成图，又能保证高速成图。 

全波形回波信号建模仿真与分析是全波形激光雷达探测技术的一项重要研究内容。一个实测系统的成果往往需要前期仿真建模进行理论验证。关于激光雷达建模仿真方面，国外有过很多成功的技术成果，而国内对此少有系统的研究成果。 

(1)林肯实验室基于OPENGL开发的3D Lidar系统仿真了叶簇隐蔽网下的机载3D ladar试验,通过结果分析，仿真结果与实测试验的结果匹配度在20％以内。 

(2)澳大利亚的Graham基于Matlab对运载平台不同运动轨迹下激光雷达植被穿透试验进行了仿真。 

(3)美国的Kim通过建立激光穿透树木的蒙特卡洛模型，获得Lidar全波仿真信号。这个模型将Lidar系统与自然场景，包括大气，树木和地形，最终得到植被的3D模型和反射特性。 

(4)德国JUTZI通过仿真不同斜度斜坡的全波信号，利用测量与估计波的相关性来确定平面的斜度。 

在已有的技术成果中，没有出现既能一体化控制激光雷达仿真实验场景，又能为应用平台提供硬件模块接口，实现激光雷达实测实验的扩展应用的Lidar三维成像系统。基于LabVIEW的虚拟仪器技术应用到激光雷达成像领域是一种全新的开发实现方式，将很大程度上便捷系统可视化平台的搭建。LabVIEW是一个基于G(Graphic)语言的图形化编程软件。它采用图形化程序设计方法,使用图形符号表达程序行为,使用可视化技术建立人机界面,更加直观、简洁。LabVIEW包含的丰富的函数库和子程序，如数据采集、信号处理、I/O驱动等程序库，同时提供多语言开发接口，使其成为开发测试、测量、数据采集等应用的理想工具。 

三、发明内容

本发明的目的是基于LabVIEW平台，开发一套完整的激光雷达三维成像的仿真试验系统并提供基于虚拟仪器的Lidar实测三维成像系统的扩展。