[发明专利]基于多普勒补偿的三维相干激光雷达推扫成像方法

说明书

一种基于多普勒补偿的三维相干激光雷达推扫成像方法，该方法利用相干激光雷达同时多普勒测速和测距的特点，使用回波信号携带的速度和距离信息，为目标点云的三维坐标进行多普勒补偿，实现推扫状态下多普勒补偿的三维推扫成像。并对该点云进行滤波与增强，提升成像质量，最终将所获三维点云动态显示。本发明使用激光雷达相干探测方法，包含相干探测的所有优点，相对于传统的直接探测方法，拥有更高的信号转换增益，更高的探测灵敏度。本发明相较于传统的侧视推扫技术，可利用多普勒频移完成速度探测。省去额外的速度探测器，易于实现，具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及激光雷达成像和无人驾驶领域，更具体的说，是一种基于多普勒补偿的三维相干激光雷达推扫成像方法。

背景技术

20世纪60年代，激光雷达推扫扫描方式被首次提出，并使用在机载激光深度探测之中[Gary C Guenther,Mark W Brooks,Paul E LaRocque.New Capabilities of the“SHOALS”Airborne Lidar Bathymeter[J].Remote Sensing of Environment,2000,73(2).]，这种扫描方式具有高分辨率、宽视场、快速成像的特点，激光雷达探测的分辨率与成像速率可以大幅提升。在1988年，日本人UCHU KAIHATSU JIGYO提出了用于人造卫星遥感器的推扫扫描的概念[Barry S,Mark G,Dale R,et al.Push-broom scanning remotesensor for aircraft or artificial satellite[C].Proc.of SPIE,1999,3707:421-431.]。2003年美国林肯实验室提出了机载阵列排布三维激光雷达推扫的具体实施方案[Aull B F,Loomis A H,Young D J,et al.Geiger-mode Avalanche Photodiodes forThree-dimensional Imaging[J].Lincoln Laboratory Journal,2002,13(2):335-350.]，在过去的5年内，推扫式扫描方式已经广泛的应用在NASA发射的ICESat-2以及LIDARSURFACE TOPOGRAPHY(LIST)等航天任务中[Dabney,P.,Harding,D.,Abshire,J.,Huss,T.,Jodor,G.,Machan,R.,Marzouk,J.,Rush,K.,Seas,A.,Shuman,C.,Xiaoli Sun,Valett,S.,Vasilyev,A.,Yu,A.,Yunhui Zheng.The Slope Imaging Multi-polarization Photon-counting Lidar:Development and performance results[P].Geoscience and RemoteSensing Symposium(IGARSS),2010IEEE International,2010.]。

目前，激光雷达推扫扫描方式的主要应用场景是机载星载对地扫描或卫星遥感探测。他们的共同特点是激光雷达的探测方向与推动运动方向正交。在对扫描轨迹及目标三维点云成像时，激光雷达的运动速度必不可少，但该物理量只能从额外安装的速度探测器读取。

发明内容

本发明针对现有激光雷达推扫成像方法无法自行探测激光雷达运动速度的不足，提出了一种基于多普勒补偿的三维相干激光雷达推扫成像方法。该方法利用相干激光雷达可以同时进行多普勒测速和测距的特点，实现运动状态下基于多普勒补偿的三维推扫成像。对于光束方向上的相对运动，本发明利用收发激光波长的多普勒频移对其运动速度进行实时探测，进行逐点运动补偿，以去除推动扫描中相对运动产生的图像拉伸与畸变。

相比于其他方式，该方式特别适用于轴向运动推扫成像。基于多普勒补偿的三维相干激光雷达推扫成像技术的优势在于：该方式可以直接利用多普勒频移，无需额外速度探测器，将激光雷达光束方向上的推动速度求解得出，直接补偿由于推动扫描产生的点云图像拉伸与畸变。另外，该方式使用相干探测技术，包含相干探测的所有优点。