CN102176003B - 一种机载激光雷达航测参数的优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种机载激光雷达航测参数的优化设计方法；该方法以激光器参数、飞行参数、扫描系统参数与激光脚点分布之间的映射关系为约束条件，在满足航测作业要求的激光脚点分布密度及各个参数的实际范围的情况下，以扫描航带数为自变量，以所需扫描时间最少为目标，确定出最佳的航测参数。

Description

一种机载激光雷达航测参数的优化设计方法

技术领域

本发明涉及航空遥感及对地观测领域，主要为一种实现机载激光雷达航测参数优化设计的方法。

背景技术

机载激光雷达(Li DAR)是一种新兴的主动对地观测手段，可以高效、准确地测量地形信息，从而获得高分辨率的地球空间信息，因此广泛应用于地形测绘、海洋测深、三维城市建模、军事国防等领域。但机载激光雷达是一种集飞行平台、激光测量系统为一体的高成本航测手段，民用方面目前国内仅有几家公司拥有机载激光雷达航测系统，其租用成本较高。因此，在满足航测要求的情况下，快速地完成航测任务无论对降低用户成本还是帮助厂家开拓市场都势在必行。除此之外，在一些特殊应用领域，如军事侦查，快速地完成测量任务，不仅关系到自身的安全还影响到对作战时机的把握。因此，在航测任务开始之前，必须对航线位置、飞行速度、飞行高度等航测参数进行优化设计，在满足航测要求的情况下，快速、低成本、高效地完成航测任务。

目前，较为成熟的遥感领域的飞行管理软件都是适用于航空摄影的软件系统，比如北京大学遥感与地理信息系统研究所开发的航空遥感任务规划系统(Airborne Remote Sensing Mission Planning System，简称ARSMPS)用于无人机航测；国家基础地理信息中心和武汉大学联合开发研制一套″基于DEM的航空摄影技术设计系统″，适用于复杂地形条件下的测区规划、航线敷设。而机载激光雷达方面，由于国产LiDAR硬件的开发研制刚刚起步，还没有成熟的飞行作业软件。

发明内容

本发明以激光器参数、飞行参数、扫描系统参数与激光脚点分布的映射关系为约束，在满足激光脚点分布密度及各个参数的实际范围的情况下，以扫描带条数为自变量，以所需扫描时间最少为目标，确定出最佳的航测参数及飞行航线位置。

本发明提出的一种机载激光雷达航测参数优化设计方法采用以下技术方案：

在机载激光遥感系统位置测量精度、姿态测量精度、距离测量精度一定的情况下，影响三维形貌重建精度的主要因素就是激光脚点的分布情况，通过分析激光器参数、飞行参数、扫描系统参数与激光脚点分布的映射关系，在满足激光脚点分布密度要求及各个参数的实际范围的情况下，以扫描航带数为自变量，以所需扫描时间最少为目标，确定出最佳的航测参数。其特征在于，建立激光器参数、飞行参数、扫描系统参数与激光脚点分布的映射关系；以满足激光脚点分布密度要求为前提条件，以扫描带条数为自变量，以对扫描区域完成扫描用时最少为优化目标，以各个参数与激光脚点分布的映射关系为约束条件，求得最佳的扫描带条数、激光器参数、飞行参数、扫描系统参数以及扫描时间。该方法在航测开始之前进行航测参数设计，并在航测过程中对飞行航线位置进行监测和校正。其中，所述激光器参数包括激光脉冲重复频率、激光束发散角；所述飞行参数包括飞行平台的飞行速度、相对被测地面区域的飞行高度和在被测区域平面内的飞行航线位置；所述扫描系统参数包括扫描角、扫描频率；其他参数还包括扫描带重叠度。本发明按照三维重建精度对激光脚点分布密度的要求，根据扫描区域、飞行平台、激光雷达系统的特点，设计出航测用时最少的航测参数，适用于激光雷达扫描成像的航空遥感领域。

其中，以满足激光点云分布密度要求为前提，具体就是激光脚点的航向间距和旁向间距。在机载激光雷达系统中，当位置测量精度、姿态测量精度、距离测量精度一定的情况下，影响目标三维重建精度的主要影响因素就是采样点密度，即激光点云密度，点云密度的评价参数就是航向间距和旁向间距。

其中，以激光脚点分布与激光器参数、飞行参数、扫描系统参数之间的关系为约束条件。

其中，所述激光器参数包括激光脉冲重复频率、激光光束发散角；所述飞行参数是指飞行平台的飞行速度和相对航测区域地面的飞行高度和在被测区域平面内的飞行航线位置；所述扫描系统参数是指扫描机构的扫描频率。

其中，所述激光脚点分布与激光器参数、飞行参数、扫描系统参数之间的映射关系为：理想情况下，机载平台做匀速直线运动，飞行高度和扫描角决定了扫描带宽，飞行速度和扫描频率决定了扫描点的航向间距，重复频率影响每一条扫描线上的扫描点数的多少，重复频率、扫描带宽和扫描频率共同决定了激光脚点旁向间距，其中以最大旁向间距作为整体旁向间距的衡量标准。

其中，所述约束关系中的参数除了激光器参数、飞行参数和扫描系统参数外，还包括扫描带重叠度，即相邻两条扫描带的重叠程度，一定的扫描带重叠度确保航测过程中漏扫现象不会发生。

其中，所述优化目标是以完成扫描区域的航测时间最少。在满足激光脚点分布要求下，能以最短的时间完成扫描任务，则在实际应用中能够降低航测成本，高效地完成航测任务。

其中，所述航测飞行平台指机动灵活、低空飞行的机载平台。

其中，所述以扫描航带数为自变量，以因变量所需扫描时间最少为目标，确定出最佳的航测参数及飞行航线位置的方法为：当激光器的脉冲重复频率、扫描机构的扫描角度、扫描带的重叠度确定时，根据约束关系可以得到各个参数随扫描带条数不断变化的对应值，航测参数包括航测主参数(飞行高度、飞行速度、飞行航线位置、扫描频率)和航测延伸参数(扫描带宽、航向间距、扫描行点数、飞行时间)，然后根据平台的飞行速度范围、飞行高度范围、扫描频率范围，确定出满足条件的最佳参数取值。

本发明的有益效果：在航测区域确定后，航测任务执行前，对航测参数进行优化设计，确定出最佳的航测参数，并以此为基准，对航测任务执行中的实际参数值进行校正，从而按照对激光脚点分布密度的要求高效地完成航测任务。本发明中航测参数的设计也可以作为飞行平台选择、扫描系统设计的参考。本发明适用于机载激光雷达扫描成像系统的航测参数设计和飞行规划与管理，在航空遥感领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为航测参数优化设计流程示意图；

图2为机载激光雷达航测激光脚点分布示意图；

图3为航测区域及航线规划示意图；

图4为航测扫描时间随扫描带条数变化示意图。

具体实施方式

下面结合附图来详细说明本发明的具体实施方式。航测参数的优化设计流程如图1所示，以满足激光脚点分布101为前提条件，以扫描带条数102为自变量，以104对扫描区域完成扫描用时最少为优化目的，以各个参数与激光脚点分布的映射关系为约束条件103，求得最佳的航测参数值，再根据实际情况对参数进行调整107。其中航测参数包括航测主参数105和航测延伸参数106，航测主参数包括飞行高度、飞行速度、飞行航线位置和扫描频率等，航测延伸参数包括扫描带宽、航线间距、扫描行点数和扫描时间等。

机载LiDA扫描测距系统主要包括激光测距单元、光学机械扫描单元，上述两个单元的参数和机载平台的飞行参数共同决定了激光脚点的分布。图2是当扫描机构为多面转镜时的激光脚点分布206，图中，201为飞行平台，202为激光器光束，209为扫描方向，210为飞行方向。图3是航测区域及航线规划示意图。理想情况下，机载平台做匀速直线运动，主要考虑的飞行参数包括205飞行高度h和飞行速度v，激光发射系统的参数主要包括激光器的重复频率F和发散角ω，扫描机构的参数主要包括204扫描角θ、扫描频率f_sc。飞行高度205和扫描角204决定了304扫描带宽L，飞行速度和扫描频率决定了208扫描点的航向分布间距d_alg，重复频率影响每一条扫描线上的扫描点数N的大小，重复频率、扫描带宽304和扫描频率共同决定了207激光脚点的旁向间距d_acs(以最大旁向间距作为整体旁向间距的衡量标准)。根据以上各类参数和激光脚点分布关系，可以得出如下关系式：

L＝2htan(θ/2)                        (1)

N＝F/f_sc                              (2)

d_alg＝v/f_sc                        (3)

而每行相邻激光脚点的角间距203为：

Δθ＝θ/(N-1)                     (4)

则旁向间距207可表示为：

d_acs＝h(tan(θ/2)-tan(θ/2-Δθ))  (5)

当机载激光雷达系统的位置测量精度、姿态测量精度、距离测量精度一定的情况下，影响三维形貌重建精度的主要因素就是206激光脚点的分布情况，即参数d_alg208、d_acs207。

假设需要扫描成像的区域为一个标准的矩形区域301，长度303为a米，宽度302为b米，如图3所示。航测设计的最优化设计就是在满足脚点分布密度要求的情况下，以最短的时间完成测量。假设飞机沿着扫描区域长度方向飞行，则302扫描区域宽度b、304扫描带宽度L、306扫描带重叠度δ、扫描带个数n之间满足如下关系：

b＝(n-1)L(1-δ)+L-2δL            (6)

在不考虑飞机转换扫描带所需时间的情况下，扫描整片区域所需时间为：

t＝na/v                           (7)

由式(1)-(7)得：

$t=\frac{\mathrm{na}}{d_{\mathrm{alg}}F}(\frac{\mathrm{\θ}}{a\tan \left(\frac{{2d}_{\mathrm{acs}}\tan (\mathrm{\θ}/2)(n-\mathrm{n\δ}-\mathrm{\δ})}{b(1+{\tan }^2(\mathrm{\θ}/2))+{2d}_{\mathrm{acs}}{\tan }^2(\mathrm{\θ}/2)(n-\mathrm{n\δ}-\mathrm{\δ})}\right)}+1)---\left(8\right)$

每条扫描带对应的飞机航线位置305即b_i为：

$b_i=L[(\frac{1}{2}-\mathrm{\δ})+(1-\mathrm{\δ})(i-1)],i=\mathrm{1,2,3},\·\·\·,n---\left(9\right)$

304航线间距B为：

B＝(1-δ)L                        (10)

由公式(8)得，当激光器的脉冲重复频率F、扫描角θ、扫描带重叠度δ确定，扫描区域的长度a、宽度已知，航向间距d_alg、旁向间距d_acs的要求确定之后，扫描时间t就是随扫描带条数n变化的一个变量。有公式(8)求得t取最小值时的扫描带条数n，由公式(1)-(6)及公式(9)、(10)，便可得到航测主参数及航测延伸参数的值。

下面以一个例子再进一步说明本发明的具体实施。假设当扫描区域301的长度303为10000m，宽度302为1000m，激光器重复频率F＝100KHz，扫描角204 θ＝60°，306扫描带重叠度δ＝30％时，要求航向间距208和旁向间距207都不大于0.5米，则扫描带条数n从1到200变化时，可以得到n与扫描时间t之间的关系，如图4所示。

当取n＝1，即一条扫描带，只要一次飞行完成扫描。一条扫描带带宽必须大于矩形区域的宽度b(1000米)，在扫描带重叠度δ取30％情况下，带宽L为2500米，因此航高h要达到2165米；要满足航向间距d_alg和旁向间距d_acs都不大于0.5米，则飞行速度v和扫描频率f_sc都必须非常小，分别为8.2m/s和16.5Hz，因此所需的扫描时间t也非常大。当n不断增加，则扫描带宽和飞行高度都不断下降，飞行速度和扫描频率不断增加，总的扫描时间也迅速下降，直到扫描时间取极小值，然后又随扫描带条数的增加而不断增加。

当扫描时间取极值时，n＝31，如图4中401所示，此时，t＝711s，h＝40m，L＝47m，N＝114，f_sc＝880Hz，v＝440m/s，从参数上看，飞行高度太低，飞行速度太大，扫描频率太高。当取耗时最小时的参数时，实际情况一般不能满足，因此，要在满足实际情况的参数范围内寻找最佳的参数设置。此外，为了避免相邻两个光脉冲产生混叠，重复频率F和飞行高速h还有一个约束关系：

$\frac{c\cos \left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)}{2h}\≥F---\left(11\right)$

其中，c为光在大气中的传播速度。

从满足飞行高度、飞行速度、扫描频率等参数的实际范围内的参数组合中寻找用时最少的参数组合，既是最佳的参数组合方式。如当飞行高度、飞行速度、扫描频率满足100m≤h≤1000m、20m/s≤v≤200m/s、f_sc≤500Hz时，满足要求的参数组合有9种，分别是扫描带条数为2、3、4、5、6、7、8、9、10，其中用时最少的是10个扫描带，用时725秒，此时的最佳参数设计取值为航高h129m，飞行速度v为138m/s，扫描频率f_sc为276Hz，航测延伸参数带宽L为149m，航带间距为104m，每行扫描点N为363个。

而在实际飞行测量中，由于受各种因素的影响h、v、f_sc不可能完全与设定值相符。飞行速度不大于计算出的速度就能够保证航向间距不大于预设值，飞行速度的变化只影响总的用时和航向间距外不影响其他参数。扫描频率不大于设定值就能够保证旁向间距不大于预设值，但从式(3)可以看出，扫描频率的变化会影响到航向间距，因此当扫描频率变化时，为保证航向间距满足预设要求，飞行速度的变化幅度要等于或大于扫描频率的变化幅度。飞行高度h的变化对其他参数的影响较为复杂，当h增加时，扫描带的重叠度会增加，扫描带宽度增大，激光脚点的旁向间距增大，为保证旁向间距满足要求，因此扫描频率要减小，同时为保证航向间距不受影响，飞行速度也要同幅度的变化；当h减小时，扫描带宽度减小，扫描带的重叠度减小，旁向间距减小，航向间距不变，此时对扫描带重叠度δ的要求是不出现漏扫情况，因此，扫描带重叠度也要有一定的裕量。

综上所述，本发明提出了一种机载激光雷达航测参数的优化设计方法：以激光器参数、飞行参数、扫描系统参数对激光脚点分布的映射关系为约束，在满足激光脚点分布及各个参数的实际范围的情况下，以扫描航带数为自变量，以所需扫描时间最少为目标，确定出最佳的航测参数及飞行航线位置。

以上所述，仅为本发明具体实施方法的基本方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的人员在本发明公开的技术范围内，可想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。所有落入权利要求的等同的含义和范围内的变化都将包括在权利要求的范围之内。

Claims (7)

1.一种机载激光雷达航测参数优化设计方法；所述方法建立激光器参数、飞行参数、扫描系统参数与激光脚点分布的映射关系：飞行高度h和扫描角θ决定了扫描带宽L，飞行速度v和扫描频率f_sc决定了扫描点的航向分布间距d_alg，激光器重复频率F影响每一条扫描线上的扫描点数的大小N，重复频率、扫描带宽和扫描频率共同决定了激光脚点旁向间距d_acs；所述方法以扫描航带条数n为自变量，以所需扫描时间t为因变量，确定出航测参数；其特征在于，建立激光器参数、飞行参数、扫描系统参数与激光脚点分布的映射关系，如式(1)-(5)所示；以满足激光脚点分布为前提条件，以扫描带条数n为自变量，以对扫描区域完成扫描用时t最少为优化目标；以激光器参数、飞行参数、扫描系统参数与激光脚点分布的映射关系为约束条件，求得最佳的扫描带条数、激光器参数、飞行参数、扫描系统参数以及扫描时间；所述激光器参数包括激光脉冲重复频率F、激光束发散角ω；所述飞行参数包括飞行平台的飞行速度v、相对被测地面区域的飞行高度h和在被测区域平面内的飞行航线位置b_i；所述扫描系统参数包括扫描角θ、扫描频率f_sc；其他参数还包括扫描带重叠度δ、每行相邻激光脚点的角间距Δθ、航线间距B；所述被测地面区域长为a、宽为b；所述航线位置b_i及航线间距B的求解公式如式(7)、式(8)所示；所述以满足激光脚点分布为前提条件、以扫描带条数n为自变量、以对扫描区域完成扫描用时t最少为优化目标的优化公式如式(6)所示；所述方法在航测开始之前进行航测参数设计，并在航测过程中对实际航测参数进行监测与校正；本方法按照三维重建精度对激光脚点分布密度要求，根据扫描区域、飞行平台、激光雷达系统参数的特点，设计出航测用时最少的航测参数；

L＝2htan(θ/2)                        (1)

N＝F/f_sc                              (2)

d_alg＝v/f_sc                           (3)

Δθ＝θ/(N-1)                        (4)

d_acs＝h(tan(θ/2)-tan(θ/2-Δθ))     (5)

B＝(1-δ)L                            (8)。

2.按照权利要求1所述的一种机载激光雷达航测参数优化设计方法，其特征在于，以满足激光点云分布密度为前提；所述点云分布密度的评价参数是点云分布的航向间距和旁向间距，是影响三维图像重建精度的重要因素之一。

3.按照权利要求1所述的一种机载激光雷达航测参数优化设计方法，其特征在于，所述约束关系中的参数除了激光器参数、飞行参数和扫描系统参数外，还包括扫描带重叠度，所述重叠度为相邻两条扫描带的重叠程度，一定的扫描带重叠度确保不会发生漏扫现象。

4.按照权利要求1所述的一种机载激光雷达航测参数优化设计方法，其特征在于，所述航测参数包括航测主参数和航测延伸参数；所述航测主参数包括飞行高度、飞行速度、飞行航线位置、扫描频率；所述航测延伸参数包括扫描带宽、航向间距、扫描行点数、飞行时间。

5.按照权利要求1所述的一种机载激光雷达航测参数优化设计方法，其特征在于，所述优化设计是以完成扫描区域的航测时间最少为目的；在满足激光脚点分布要求的情况下，能以最短的时间完成扫描任务。

6.按照权利要求1所述的一种机载激光雷达航测参数优化设计方法，其特征在于，所述航测飞行平台为机动灵活、低空飞行的机载平台。

7.按照权利要求1所述的一种机载激光雷达航测参数优化设计方法，其特征在于，在航测前完成所述航测参数优化设计，确定最佳的航测参数；在航测 飞行过程中以最佳航测参数为基准校正实际的航测参数。 

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