[发明专利]利用基于距离探测和3D点分析的歧义消解的空中多脉冲激光扫描系统

说明书

利用基于距离探测和3D点分析的歧义消解的空中多脉冲激光扫描系统。一种空中多脉冲(MPiA)激光扫描系统，其中，解决的MPiA问题在于，激光扫描仪的返回脉冲到发送脉冲的MPiA指派基于在间歇时间点处的距离跟踪和距离探测。每个距离探测包括被构造成无MPiA问题的飞行时间排布。本发明还涉及一种MPiA激光扫描系统，其中，将返回脉冲的时间序列内的MPiA歧义转换到3D点云空间，该3D点云空间提供来自所讨论的点的空间邻域的附加信息以使能实现MPiA消歧。

技术领域

本发明涉及一种测量激光扫描仪的激光脉冲的飞行时间的空中多脉冲(multiple-pulses-in-air(MPiA))激光扫描系统。而且，本发明涉及一种用于测量激光扫描仪的激光脉冲的飞行时间的计算机程序产品。

背景技术

脉冲飞行时间测量系统是当今许多不同应用领域中的标准解决方案。这里使用的原理基本上包括将脉冲电磁辐射发射到待测量的目标上并随后接收由该目标返回的辐射，其中，基于脉冲的飞行时间(即，激光脉冲(发送脉冲)的发送与该激光脉冲从目标表面返回的回波(返回脉冲)的接收之间的时间差)来确定距目标的距离。然后，可以利用光速，使用该测量来计算到所述表面的距离(range)。

举例来说，机载LiDAR系统(LiDAR：光探测和测距)使用飞行时间(ToF)测量的工作原理来测量飞行器中的LiDAR传感器与在下面的地形之间的距离。当与飞行器轨迹的知识结合时，这些距离又可以被用于生成包含地形以及位于该地形上的建筑物和植被等特征的3D点云。

使用不同的方法来检测返回脉冲。在所谓的阈值方法中，如果传入辐射的强度超过特定阈值，则检测到光脉冲。该阈值防止将噪声和其它干扰信号误检测为有用信号，即，从目标返回的发射脉冲的光。

另一种方法是基于对检测到的返回脉冲的时间上非常精确的采样。通常实时地将由检测器生成的电信号转换成数字信号序列，随后对该数字信号序列进一步处理。该采样检测测量信号和实质噪声信息，这使能实现增加的测量准确度。通过使用多个采样点和/或通过与发射速率同步地对接收信号进行总计，即使在不利的情况下，也可以识别有用信号，例如，使能实现远距离测量或者在嘈杂或受干扰的背景条件下的测量。

所谓的波形数字化(WFD)方法通常从由检测器检测到的辐射中扫描模拟信号的整个波形。在识别出关联发送信号到接收信号的编码(ASK、FSK、PSK，也称为距离或间隔调制等)之后，例如，借助于傅立叶变换或者根据经采样、数字化以及重建的信号的定义行进点(例如转折点、曲线最大值)或者借助于从时间插值已知的最优滤波器整体地来确定信号传播时间。

减少测量时间(例如，机载LiDAR系统的飞行时间)的经济动机推动了加快数据采集的工作。实现该目的的一种途径是增加从LiDAR扫描仪发送发送脉冲的速率，即，增加所谓的脉冲重复频率(PRF)。然而，除了硬件约束，脉冲重复频率的增加还带来了所谓的空中多脉冲(MPiA)问题，也称为多次回波(multiple-time-around(MTA))问题。当脉冲重复频率太高以致于发送脉冲之间的时间短于回波返回传感器所需的时间时，就会出现MPiA问题。在这种情况下，来自特定发送脉冲的返回脉冲可以仅在已经发送了许多其它中间发送脉冲之后到达检测器。必须将接收到的脉冲指派给所涉及的原始发送时间，以使得能够进行正确距离测量。这种指派的处理通常被称为MPiA消歧(disambiguation)或MTA消歧，所述指派本身通常被称为返回脉冲的MPiA地带或MTA地带。例如，如果将返回脉冲指派给恰好在该返回脉冲之前的发送脉冲，则将该返回脉冲指派给MPiA地带零，从而为二十的MPiA地带表示有20个中间发送脉冲。

此外，给定一对连续发送脉冲，即使这对连续发送脉冲中的前一发送脉冲已经被更靠近检测器的目标以允许先前发送的脉冲首先到达的足够宽裕度反射，该对连续发送脉冲中的后一发送脉冲的回波也仍然可能在前一发送脉冲的回波之前到达接收器。