CN101408618A - 机载激光雷达的宽光束照明三维选通成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机载激光雷达的宽光束照明三维选通成像系统，属于图像通信领域。其中，飞行数据传送到系统控制机构，该机构自动形成装置各部分的工作时序数据并进行工作时序控制及软硬件控制；激光器根据系统控制机构发出的激光发射指令发射脉冲激光束，通过匀光扩束器对目标物进行照明，同时激光脉冲发射时间检测机构把检测到的发射时间数据传送到系统控制机构；大口径望远镜接收目标物对照明激光的反射光，ICCD相机根据时序及选通成像命令对大口径望远镜接收的光信号进行选通成像，并将数据传送到信号处理机构；信号处理构对成像信息进行处理并生成目标物的三维图像信息；本发明具有成像速度快、探测范围大、测量数据可靠性高、等优点。

Description

机载激光雷达的宽光束照明三维选通成像系统

技术领域

本发明属于图像通信领域，涉及一种机载激光雷达的宽光束照明三维选通成像系统。

技术背景

目前国内外利用机载激光雷达进行三维成像测量，主要是采用激光束扫描三维成像方式。激光扫描成像测量法是一种将地球表面点有效地映射到三维坐标中的直接系统，通过测量激光发射和接收的时间间隔，可测得平台到地球表面点的距离，这样根据激光束的方位角和测得的距离数据即可获得被测点相对于机载平台的三维坐标数据。通过激光束扫描对被测目标进行测量，则可进一步获得被测目标点云的三维坐标数据集，对点云的三维坐标数据进行拼接则可进一步获取被测目标的三维信息，即三维成像。但该技术仍存在一些问题，如扫描激光束要具有很高的指向精度，扫描指向精度会受到机械磨损的影响，要获取高密度的高程点需要发射激光具有很高的激光脉冲重复频率并具有足够的脉冲能量、很小的发散角、窄脉宽等特性，和通过长时间的激光点云扫描的数据获取等。此外，光机扫描还增加了系统的复杂度，使系统小型化、模块化变得比较困难。这些都给激光器的制造及系统集成提出了的挑战。针对上述问题，我们提出了机载激光雷达的宽光束照明三维选通成像系统。该技术能获取被测目标的三维信息，具有成像速度快、探测范围大、抗干扰能力强等优点。并且不需要激光束光机扫描系统，且所需激光脉冲频率也可大大降低。因而可大大降低系统的复杂度，提高易操作性、易维护性及测量数据的可靠性等。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有机载激光束扫描三维成像激光雷达技术方案中的局限性，而提供一种具有成像速度快、探测范围大、测量数据可靠性高、系统复杂度低等优点的机载激光雷达的宽光束照明三维选通成像系统。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的机载激光雷达的宽光束照明三维选通成像系统，包括飞机平台，系统控制机构、激光器、匀光扩束器、激光脉冲发射时间检测机构、大口径望远镜机构、ICCD(Intensified Charge CoupledDevice)相机、信号处理机构，其中：

1)飞行平台为装置飞行测量时的承载平台。

2)系统控制机构包括装置中各部分的工作时序控制和装置各部分的软硬件控制，通过该部分，装置在计算机的控制下将根据指令有序、协调地工作。

3)激光器为装置中的照明激光激光器。

4)匀光扩束器的功能是对激光器发出激光束进行扩束，并使光束截面的光功率分布较为均匀。激光通过匀光扩束器后发出的宽光束激光束对被成像目标进行照明。

5)激光脉冲发射时间检测机构用于检测激光脉冲发射的时间，并能实时获得激光脉冲的发射时间数据，该数据与发射激光脉冲指令时间相比较，能进一步获得激光脉冲发射时间的偏离数据；时间偏离数据将作为时序信号数据的一部分被传送到信号处理机构，用于装置测量数据的三维图像构建。

6)大口径接收望远镜用于接收成像目标的激光照射反射光；大口径接收望远镜中包含一个对应于照明激光波长的滤光器，以使照明激光信号能被大口径接收望远镜高效接收，而其它杂散光和背景光信号被有效抑制。

7)ICCD相机为增强型选通成像CCD相机(无成像镜头)，该相机置于大口径接收望远镜的输出光路上，ICCD相机的光电阴极位于大口径接收望远镜的成像面上，且大口径接收望远镜光轴垂直于ICCD相机的光电阴极平面，并通过其中心位置；并能进行时间选通成像，通过时间选通功能，能获得被成像目标的高度信息。

8)信号处理机构是指对ICCD相机的输出信号进行去噪、回波信号整形等进行初步回波信号处理，并根据时序控制数据和机载平台运动数据，对初步处理完成的ICCD相机输出信号进行三维图像构建、校正；另外，信号处理机构能根据测量数据，给出被成像目标一定范围内的平均高度初步估算值；根据平均高度初步估算值，控制软件能自动调整测量控制时序，选择合理的选通成像垂直探测范围，这样即可使选通成像一直处于合适的垂直探测范围内，并有效地获取成像目标的三维数据。

本发明的机载激光雷达的宽光束照明三维选通成像系统的宽光束照明三维选通成像方法是：将包括速度、航向、高度的飞行数据实时传送到系统控制机构；系统控制机构根据飞行数据、装置成像观测启止时间数据，自动形成装置各部分的工作时序数据，并对装置各部分进行工作时序控制，及装置的软硬件控制；激光器根据系统控制机构发出的激光发射指令发射脉冲激光束，该脉冲激光束通过匀光扩束器对目标物进行照明，同时激光脉冲发射时间检测机构对激光脉冲的发射时间进行检测，并把检测得到的激光脉冲发射时间数据传送到系统控制机构；大口径望远镜接收目标物对照明激光的反射光，ICCD相机根据时序及系统控制机构发出的选通成像命令对大口径望远镜接收的光信号进行选通成像，并把选通成像数据传送到信号处理机构；信号处理机构根据系统控制机构输入包含激光脉冲实际发射时间相对于激光脉冲发射指令时间的偏离数据的时序信号数据、机载平台运动数据对ICCD相机输入的成像信息进行处理并生成目标物的三维图像信息。

其中，照明激光束与大口径望远镜的光轴平行，并且略大于望远镜视场，有较好的激光功率分布均匀性，以使照明激光被有效利用。

有益效果

本发明对比已有技术具有以下显著优点：

1)装置中没有采用用于激光束指向的光机扫描系统，从而避免了因光机扫描转动磨损和扫描镜振动导致的激光束指向误差。光机扫描指向误差会导致很难修正的随机误差；

2)没有采用高精度要求的光机扫描系统，使装置的复杂度减低；

3)采用宽光束照明和选通成像方式，对三维成像激光雷达中的激光器脉冲重复频率要求大大降低，可达三个量级以上，从而降低了对激光器的要求；

4)装置是通过目标等高面测量数据来构建目标三维成像图，而现有光机扫描系统是通过测量目标表面的点坐标来构建目标三维成像图，因而装置获得的测量数据在三维图像的构建上更易实现，并且结果更为可靠。

附图说明

图1为本发明实施例的基本机构示意图；

其中：1-飞行平台、2-系统控制机构、3-激光器、4-匀光扩束器、5-激光通过匀光扩束器后发出的宽光束照明激光束、6-激光脉冲发射时间检测机构、7-为对应于某一选通成像高度层的激光束照明光斑、8-大口径接收望远镜、9-ICCD相机、10-为ICCD相机对应于某一高度的选通成像层、11-为信号处理机构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例

如图1所示，本发明的机载激光雷达的宽光束照明三维选通成像系统，其装置包括飞机平台1、系统控制机构2、激光器3、匀光扩束器4、激光脉冲发射时间检测机构6、大口径接收望远镜8、ICCD相机9和信号处理机构11。飞机平台1为装置飞行测量的承载平台；系统控制2为装置的系统控制机构，用于各部分的工作时序控制和装置各部分的软硬件控制。通过该部分，装置将根据指令有序、协调地工作；激光器3为输出波长为532nm、脉冲能量为300mJ、脉宽为5ns的Nd:YAG激光器；在激光器3的输出光路上设置有匀光扩束器4，激光束通过该部件后发出宽光束照明激光束5，宽光束照明激光束的发散角为4.7°，宽光束照明激光束横截面的光能分布不均匀性优于10％；激光脉冲发射时间检测机构6用于检测激光脉冲的实际发射时间；激光束照明光斑7为对应于某一选通成像高度层的激光束照明光斑；大口径接收望远镜8的光轴与匀光扩束器4的出射光光轴平行，其口径为400mm，视场为4.6°，通光光谱带宽为13nm，焦平面弥散斑直径小于20μm；ICCD相机9为增强型选通成像CCD相机(无成像镜头)，置于大口径接收望远镜8的输出光路上，其中光电阴极位于大口径接收望远镜8的成像面上，大口径接收望远镜8光轴垂直于ICCD相机9的光电阴极平面，并通过其中心位置。该ICCD相机9的像元数是160×128，像元尺寸26μm×26μm，像元的瞬时分视场为0.0287°×0.0287°，光子增益倍数为100，最小选通成像时间间隔为3ns；选通成像高度层10为ICCD相机对应于某一高度的选通成像层；信号处理机构11对装置获得的光电回波信号进行去噪、整形，并进行三维图像构建、校正，输出可靠的三维成像数据。

本发明的机载激光雷达的宽光束照明三维选通成像系统使用时，其装置安装在飞机平台1上，成像方向为垂直向下；飞行测量时，要求飞机的飞行高度、航向、姿态保持不变，并且飞行平台1实时将飞行数据(包括速度、航向、高度)传送到系统控制机构2；系统控制机构2根据飞行数据、装置成像观测启止时间数据，自动形成装置各部分的工作时序数据，并对装置各部分进行工作时序控制，及装置的软硬件控制；激光器3根据系统控制机构2发出的激光发射指令发射脉冲激光束，激光脉冲的波长为532nm、能量为300mJ、脉宽为5ns、重复频率为20Hz，该脉冲激光束通过匀光扩束器4后照射到被成像目标上，照明光束的发散角为4.7°，光束横截面的光能分布不均匀性优于10％。同时，激光脉冲发射时间检测机构6对激光脉冲的发射时间进行检测，检测数据被传送到系统控制机构2，并与发射激光脉冲指令时间相比较，获得激光脉冲发射时间的偏离数据，时间偏离数据作为时序信号数据的一部分将被传送到信号处理机构11；大口径接收望远镜8接收被成像目标反射的照明激光信号，并传送到ICCD相机；大口径望远镜8的光轴与照明激光束光轴平行，并且其视场略小于照明激光束5的发散角，以使照明激光被有效利用；根据系统控制机构2发出的时序控制信号，ICCD相机9对大口径接收望远镜8获取的被测目标的散射回波信号进行选通成像(相当于层析成像)，获取成像视场内某一高度层10(约以接收望远镜为中心的弧面层)中的目标位置信息，其水平和高度分辨率均可达1.5m(3km飞行高度时)，其中高度分辨率主要由选通成像时间间隔和激光脉冲脉宽决定，水平分辨率由像元的瞬时分视场和飞行高度确定，ICCD相机9获取的信号数据被传送到信号处理机构11，再通过飞机飞行时的ICCD相机9面阵成像推扫，即当ICCD相机9的瞬时成像覆盖范围向前推进一个像元所对应的瞬时视场覆盖的目标尺度时(假设像元间的间距可忽略)，再根据系统控制机构2发出的时序控制信号发射激光脉冲，并进行选通成像，若此时选通成像的开启时间不同于前一次选通成像的开启时间(选通成像的起止时间间隔相同)，这样可获取另一高度层中目标的位置信息，如此类推，160×128像元阵列的ICCD相机进行推扫选通成像(飞行方向不变；160为垂直于飞行方向的像元行数)，可对面阵推扫成像覆盖范围内的每个场景进行128个高度的选通(层析)成像。信号处理机构11根据系统控制机构输入的时序信号数据(包含激光脉冲实际发射时间相对于激光脉冲发射指令时间的偏离数据)、机载平台运动数据对面阵推扫选通成像获得的数据进行去噪、整形，并进行三维图像构建、校正集成处理，则可得到成像覆盖范围内的三维目标信息，其水平分辨力为ICCD每个像元的瞬时分视场×飞行高度，成像宽度约为激光雷达的横向视场×飞行高度(相对于地面)，纵向尺度为飞行航测距离，垂直探测范围为128×三维成像的垂直分辨力；装置各部分的运行控制由系统控制机构2完成，并且激光脉冲发射时间和ICCD相机9选通成像时间的时序控制信号需根据飞机的飞行速度和高度确定；飞行平1台与装置的系统控制机构2间有数据传输电缆，确保装置能实时获取飞机的速度、航向、高度信息。

本发明飞行观测时，信号处理机构根据测量数据，将同时给出被成像目标一定范围内的平均高度初步估算值，并实时传送到系统控制机构。根据平均高度初步估算值，控制软件自动调整测量控制时序，选择合理的选通成像垂直探测范围，这样即可使选通成像一直处于合适的垂直探测范围内，并有效地获取成像目标的三维数据。

显然，本领域的技术人员和研究人员可以对本发明的机载激光雷达的宽光束照明三维选通成像系统进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，尚若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1、机载激光雷达的宽光束照明三维选通成像系统，包括飞机平台，系统控制机构、激光器、匀光扩束器、激光脉冲发射时间检测机构、大口径望远镜机构、ICCD相机、信号处理机构，其特征在于：

1)飞行平台为装置飞行测量时的承载平台；

2)系统控制机构包括装置中各部分的工作时序控制和装置各部分的软硬件控制，通过该部分，装置在计算机的控制下将根据指令有序、协调地工作；

3)激光器为装置中的照明激光激光器；

4)匀光扩束器的功能是对激光器发出激光束进行扩束，并使光束截面的光功率分布较为均匀；激光通过匀光扩束器后发出的宽光束激光束对被成像目标进行照明；

5)激光脉冲发射时间检测机构用于检测激光脉冲发射的时间，并能实时获得激光脉冲的发射时间数据，该数据与发射激光脉冲指令时间相比较，能进一步获得激光脉冲发射时间的偏离数据；时间偏离数据将作为时序信号数据的一部分被传送到信号处理机构，用于装置测量数据的三维图像构建；

6)大口径接收望远镜用于接收成像目标的激光照射反射光；大口径接收望远镜中包含一个对应于照明激光波长的滤光器，以使照明激光信号能被大口径接收望远镜高效接收，而其它杂散光和背景光信号被有效抑制；

7)ICCD相机为增强型选通成像CCD相机，该相机置于大口径接收望远镜的输出光路上，ICCD相机的光电阴极位于大口径接收望远镜的成像面上，且大口径接收望远镜光轴垂直于ICCD相机的光电阴极平面，并通过其中心位置；并能进行时间选通成像，通过时间选通功能，能获得被成像目标的高度信息；

8)信号处理机构是指对ICCD相机的输出信号进行去噪、回波信号整形等进行初步回波信号处理，并根据时序控制数据和机载平台运动数据，对初步处理完成的ICCD相机输出信号进行三维图像构建、校正；另外，信号处理机构能根据测量数据，给出被成像目标一定范围内的平均高度初步估算值；根据平均高度初步估算值，控制软件能自动调整测量控制时序，选择合理的选通成像垂直探测范围，这样即可使选通成像一直处于合适的垂直探测范围内，并有效地获取成像目标的三维数据。

2、机载激光雷达的宽光束照明三维选通成像系统，其宽光束照明三维选通成像方法的特征在于：将包括速度、航向、高度的飞行数据实时传送到系统控制机构；系统控制机构根据飞行数据、装置成像观测启止时间数据，自动形成装置各部分的工作时序数据，并对装置各部分进行工作时序控制，及装置的软硬件控制；激光器根据系统控制机构发出的激光发射指令发射脉冲激光束，该脉冲激光束通过匀光扩束器对目标物进行照明，同时激光脉冲发射时间检测机构对激光脉冲的发射时间进行检测，并把检测得到的激光脉冲发射时间数据传送到系统控制机构；大口径望远镜接收目标物对照明激光的反射光，ICCD相机根据时序及系统控制机构发出的选通成像命令对大口径望远镜接收的光信号进行选通成像，并把选通成像数据传送到信号处理机构；信号处理机构根据系统控制机构输入包含激光脉冲实际发射时间相对于激光脉冲发射指令时间的偏离数据的时序信号数据、机载平台运动数据对ICCD相机输入的成像信息进行处理并生成目标物的三维图像信息。

3、根据权利要求2所述的机载激光雷达的宽光束照明三维选通成像系统，其特征在于：照明激光束与大口径望远镜的光轴平行，并且略大于望远镜视场，有较好的激光功率分布均匀性，以使照明激光被有效利用。

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