CN103033806A - 一种用于机载激光扫描飞行高度变化实时补偿的方法与装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于机载激光扫描飞行高度变化实时补偿的方法与装置，可消除飞行高度的变化对激光扫描点云分布区域和密度的不利影响。当机载平台飞行高度发生变化时，由GPS/INS集成测量装置实时获得飞行高度变化值，在飞行高度补偿控制器中计算此飞行高度下可使扫描带宽保持不变的扫描视场角大小，以及可使扫描点云密度保持不变的激光脉冲频率大小。由旋转棱镜光电轴角编码器测得旋转棱镜的实时转动角度，提供给飞行高度补偿控制器，只在要求的扫描视场角范围内输出与期望激光脉冲频率值相同的方波信号，提供给激光脉冲发射器，使激光发射器发射出相应频率的激光脉冲。采用该补偿方法，则机载平台飞行高度的变化始终不会影响激光扫描点云的分布区域和密度。
Description
技术领域
本发明涉及点扫描式三维成像机载激光雷达飞行高度变化的补偿问题。
背景技术
机载激光雷达是基于激光测距原理的地形测绘技术，集成了飞机平台、激光扫描仪、差分全球定位系统DGPS (Differential Global Positioning System)、惯性导航系统INS (Initial Navigation System)以及计算机数据采集与处理系统等。
机载激光雷达工作过程如下：飞机以预先设定的飞行航线匀速直线飞行，飞行高度是事先规划好的，在当地水平面参考坐标系中，理想的飞行高度是不变的。由DGPS/INS组合测量系统通过卡尔曼滤波技术实时测出激光扫描仪载荷平台的航迹和姿态角，根据激光脉冲的飞行时间计算出激光扫描仪扫描镜光学中心到地面激光脚点的距离，由光电轴角编码器获得该激光脉冲发射时刻的扫描角，根据以上数据可计算出地面激光脚点的三维坐标。大量的激光脚点形成激光点云，经过后续点云处理，获得被测地形的三维成像，即数字高程模型DEM (Digital Elevation Model)和数字表面模型DSM（Digital Surface Model）等。DEM和DSM精度取决于激光点云的密度、分布和激光脚点定位精度。
机载激光雷达在实际操作过程中，飞机载体会受到多方面的干扰影响，如阵风、湍流、发动机振动及控制系统的性能缺陷等，使机载平台无法保持理想的匀速直线运动状态，飞行高度会发生变化。另外，设计规划时没有预测到的高楼或山顶、高的树木等也会迫使飞行高度发生变化。尤其是采用直升飞机作为载荷平台，飞行高度的变化更大，可达几十米、甚至100米以上。载荷平台飞行高度的非理想运动导致地面激光点云的扫描带宽度发生变化，而每行的扫描点数是不变的，故扫描带宽度的变化会造成激光扫描点云的密度发生变化。一方面，当飞行高度增大时，激光点云的扫描带宽度增加，使每行中的激光点间距增大，点云密度降低，使被测地形的激光采集数据空间分辨率下降，造成重建三维模型的退化。另一方面，当飞行高度减小时，激光点云的扫描带宽度减小，虽然每行中的激光点间距减小，点云密度增大，会有利于后续三维成像的精度提高，但也可能由于密度太大而造成后续处理的困难；另外，激光点云扫描带宽度的减小会导致重要被测地形的漏扫，尤其是对狭长地形区域的扫描，如电力线、高速公路、海岸线、铁路线等，扫描带宽度的减小非常有害，漏扫会导致有时不得不返工重扫，影响工作效率。因此，对于机载激光雷达测量过程，不管是飞行高度的增大还是减小，都会造成测绘产品的质量下降，带来不利的影响。因此，针对机载激光雷达飞行高度变化的实时补偿非常有必要，具有重要的现实意义。
目前，现有的各种点扫描式三维成像机载激光雷达及其他相关类型的激光雷达，如推扫式线扫描机载激光雷达等，均没有针对机载平台飞行高度变化的实时补偿功能及装置，同时现有文献中也没有关于机载激光雷达飞行高度变化的实时补偿技术的研究、描述和报道。
发明内容
针对上述机载激光雷达系统现有测量技术中不能补偿飞行高度变化的缺陷，本发明提供了一种用于机载激光扫描飞行高度变化实时补偿的方法与装置，其实现目的是，当飞行高度实时变化时，机载激光雷达的地面扫描激光点云的扫描带宽和激光点密度始终保持不变。而为了实现这一目的，当飞行高度变化时，需要实时监测出飞行高度的变化，然后根据飞行高度的变化值（与设定飞行高度相比），一方面，相应调整激光扫描视场角的大小，使扫描点云带宽不变；另一方面，由于扫描镜的转速不变，扫描视场角变化了，相应的激光有效发射时间与扫描视场角大小成正比，因此若要保持激光扫描点密度不变、而每行扫描点数不变的情况下，只要相应地调整激光脉冲发射频率即可。即要实现飞行高度变化时仍保持地面激光扫描点云的带宽和点密度不变，只要相应调整扫描视场角大小和激光脉冲发射频率即可实现。
本发明提供的一种用于机载激光扫描飞行高度变化实时补偿的方法与装置，其特征在于包括激光扫描仪装置（1）、飞行高度补偿控制器（2）、机载平台飞行高度测量装置（3）、机载平台（4）；所述激光扫描仪装置（1），其特征在于包括激光脉冲发射器（11）、反射镜（12）、旋转棱镜（13）、旋转棱镜电机（14）、旋转棱镜光电轴角编码器（15）；所述机载平台飞行高度测量装置（3），其特征在于包括GPS/INS集成测量装置（31）、卡尔曼滤波器（32）；所述机载平台（4）是飞行器的载荷安装平台，所述激光扫描仪装置（1）、所述飞行高度补偿控制器（2）、所述机载平台飞行高度测量装置（3）均固定在所述机载平台（4）上；当所述机载平台（4）的飞行高度发生变化时，由所述GPS/INS集成测量装置（31）测量获得实时飞行高度变化值，在所述飞行高度补偿控制器（2）中通过编程计算获得在此飞行高度下符合要求的扫描视场角值和激光脉冲频率值；由所述旋转棱镜光电轴角编码器（15）获得所述旋转棱镜（13）的实时转动角度，反馈给所述飞行高度补偿控制器（2），只在要求的扫描视场角范围内产生要求频率的方波信号，提供给所述激光脉冲发射器（11），使所述激光脉冲发射器（11）发出要求频率的激光脉冲，则可实现只在要求的扫描视场角内产生要求频率的激光脉冲，从而使地面扫描激光点云的扫描带宽和密度始终保持不变，不受飞行高度变化的影响。
其中，所述飞行高度补偿控制器（2）采用ARM控制器，通过D/A输出口可产生频率可调的方波信号。
其中，所述激光脉冲发射器（11）可采用外部触发控制激光脉冲的输出，即每输入一个方波信号，则可发出一个窄带激光脉冲。
其中，所述旋转棱镜（13）具有多个反射面。
其中，所述旋转棱镜电机（14）带动所述旋转棱镜（13）匀速转动，由所述旋转棱镜光电轴角编码器（15）测量获得所述旋转棱镜（13）的实时转动角度。
其中，所述GPS/INS组合测量系统（31）测量获得所述机载平台（4）的飞行高度实时测量数据，通过所述卡尔曼滤波器（32）处理后，获得高精度的飞行高度实时变化值，提供给所述飞行高度补偿控制器（2）中，飞行高度的测量频率可达256 Hz。
其中，当所述旋转棱镜光电轴角编码器（15）获得所述旋转棱镜（13）的实时转动角度为-90o时，触发所述飞行高度补偿控制器（2）的外部触发中断1执行程序，由所述飞行高度补偿控制器（2）根据所述GPS/INS组合测量系统（31）测量获得的飞行高度实测值，计算补偿飞行高度变化后的扫描视场角 
和激光扫描频率
。当所述旋转棱镜（13）的实时转动角度为时，由所述飞行高度补偿控制器（2）通过D/A开始输出频率为
的方波信号，提供给所述激光脉冲发射器（11）产生相应频率的脉冲激光；当所述旋转棱镜（13）的实时转动角度为
时，所述飞行高度补偿控制器（2）停止输出频率为
的方波信号。
由于所述旋转棱镜（13）匀速转动，通过同时改变扫描视场角大小和激光脉冲发射频率大小两种措施，可实现地面激光扫描点云的扫描带宽和密度不随飞行高度的变化而变化，从而可实现高精度实时补偿机载平台飞行高度变化对机载激光扫描点云分布密度的不利影响，解决了现有机载激光雷达不能对飞行高度变化实时补偿的问题，可有效提高机载激光雷达测量产品的质量。
本发明提供的一种用于机载激光扫描飞行高度变化实时补偿的方法与装置，可实时补偿所述机载平台（4）的飞行高度变化，其优点是：目前飞机载荷平台的飞行高度变化较大，对激光扫描点云带宽和点云密度影响很大，在不改变机载激光扫描系统主体硬件结构的情况下，只增加一个飞行高度补偿控制器，通过同时改变扫描视场角大小和激光脉冲发射频率大小，即可实现对机载激光雷达飞行高度变化的高精度实时补偿。由于采用电信号控制，没有机械控制，故可实现高精度、快速的实时补偿。
飞行高度变化的补偿技术适用于低空、低速的小型滑翔翼飞机或直升飞机、气艇、小型固定翼飞机等机载平台的激光扫描系统，可有效消除机载平台飞行高度变化的不利影响，使激光点云密度始终保持不变，有效保证三维重建图像的质量。
附图说明
图1是飞行高度变化图。
图2是飞行高度变化对地面激光扫描点云的分布带宽和密度的影响图。
图3是可实现飞行高度变化实时补偿的机载激光扫描系统结构图。
图4是激光扫描仪装置（1）组成结构图。
图5是机载激光扫描飞行高度变化补偿方法示意图。
图6是飞行高度变化补偿控制系统软件流程图。
图7是飞行高度变化补偿控制系统的硬件结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明专利实施例作进一步详细描述。
图1是飞行高度变化图。飞行高度的变化为幅值为20米、周期为2秒的正弦变化。
图2是飞行高度变化对地面激光扫描点云的分布带宽和密度的影响图。飞行高度变化的补偿技术适用于低空、低速的小型滑翔翼飞机或直升飞机、气艇、小型固定翼飞机等机载平台的激光扫描系统，可有效消除机载平台飞行高度变化对扫描点云的不利影响，使点云扫描带宽和密度始终保持不变，保证了三维重建模型（如DSM和DEM）的质量。如图2所示为当飞行高度保持不变和飞行高度有幅值为20米的正弦变化时,地面激光扫描点云的分布变化。设理想的飞行高度为100米，飞机的飞行速度是60米/秒，扫描视场角为
。由图中2所示，理想激光点是当飞行高度始终保持不变的激光扫描点,其扫描激光点云的带宽始终不变，激光点云的分布密度均匀一致。实际激光点是当飞行高度按照正弦变化了一个周期时，地面激光点云分布的变化特点。当t=0时刻，X=0，扫描带宽为
米，每条扫描线的激光点数为20个；当t=0.5 s时刻，X=30 m，每条扫描线的激光点数仍为20个，扫描带宽为
米；当t=1.5 s时刻，x=90 m，每条扫描线的激光点数仍为20个，扫描带宽为
米。可见，飞行高度低时，扫描带宽减小，容易造成重要扫描区域漏扫。飞行高度高时，激光点云密度降低，使采样密度降低，三维成像分辨率降低、失真增大。飞行高度越高，扫描带宽越大，而由于每行扫描点数不变，则激光扫描点的密度越低。
图3是可实现飞行高度变化实时补偿的机载激光扫描系统结构图。本发明提供的一种用于机载激光扫描飞行高度变化实时补偿的装置，其特征在于包括激光扫描仪装置（1）、飞行高度补偿控制器（2）、机载平台飞行高度测量装置（3）、机载平台（4）；所述激光扫描仪装置（1），其特征在于包括激光脉冲发射器（11）、反射镜（12）、旋转棱镜（13）、旋转棱镜电机（14）、旋转棱镜光电轴角编码器（15）；所述机载平台飞行高度测量装置（3），其特征在于包括GPS/INS集成测量装置（31）、卡尔曼滤波器（32）；所述机载平台（4）是飞行器的载荷安装平台，所述激光扫描仪装置（1）、所述飞行高度补偿控制器（2）、所述机载平台飞行高度测量装置（3）均固定在所述机载平台（4）上；当所述机载平台（4）的飞行高度发生变化时，由所述GPS/INS集成测量装置（31）测量获得实时飞行高度变化值，在所述飞行高度补偿控制器（2）中通过编程计算获得在此飞行高度下符合要求的扫描视场角值和激光脉冲频率值；由所述旋转棱镜光电轴角编码器（15）获得所述旋转棱镜（13）的实时转动角度，反馈给所述飞行高度补偿控制器（2），只在要求的扫描视场角范围内产生要求频率的方波信号，提供给所述激光脉冲发射器（11），使所述激光脉冲发射器（11）发出要求频率的激光脉冲，则可实现只在要求的扫描视场角内产生要求频率的激光脉冲，从而使地面扫描激光点云的扫描带宽和密度始终保持不变，不受飞行高度变化的影响。另外，所述激光脉冲发射器（11）是频率可调激光器。频率可调激光器分为外调制和内调制两大类。外调制式激光器留有专用的信号接口，由用户接入方波信号，调制频率可高达10MHz。内调制式激光器不需要外接信号，加上工作电压后，激光器即以脉冲方式工作，其工作频率根据用户要求预先设定。在本专利中，采用的是外调制式激光器，由所述飞行高度补偿控制器（2）产生要求频率的方波信号，从外部输入触发所述激光脉冲发射器（11），产生相应频率的脉冲激光。
图4是激光扫描仪装置（1）组成结构图。所述激光脉冲发射器（11）发出激光脉冲（粗点划线），经所述反射镜（12）反射后到达所述旋转棱镜（13），经所述旋转棱镜（13）反射后射向地面。所述旋转棱镜电机（14）带动所述旋转棱镜（13）匀速转动。所述旋转棱镜光电轴角编码器（15）测量所述旋转棱镜（13）的实时转动角度。
图5是机载激光扫描飞行高度变化补偿方法示意图。设理想飞行高度为
,理想扫描视场角为
（o），则当实际飞行高度为时，要求扫描带宽不变，则有
，可由此求出补偿后的扫描视场角为
。另外，设所述旋转棱镜（13）的角速度为（o/s）始终不变，同时，每条扫描线的扫描点数m也是常数，则在理想飞行高度
、扫描视场角为
（o）时，获得一条激光扫描线的扫描时间为
，则理想飞行高度下的激光扫描脉冲频率为
(Hz)。同理，当实际飞行高度
、扫描视场角为
（o）时，此时的激光扫描脉冲频率为(Hz)。由飞行高度变化与扫描视场角和激光发射频率的映射关系可知，通过实时获得机载平台的飞行高度值，可通过相应改变扫描视场角和激光发射频率的大小来实时补偿飞行高度变化对激光扫描的不利影响，使地面激光点云的带宽和密度始终不变，从而有效保证机载激光雷达三维成像产品的质量。
图6是飞行高度变化补偿控制系统软件流程图。在所述飞行高度补偿控制器（2）中，编制控制软件。在主程序中主要设置好外部中断1，即当所述旋转棱镜（13）的旋转角度为-90o时，开启外部中断子程序1使能。外部中断1子程序的控制流程图如图6（a）所示，即当所述旋转棱镜（13）的旋转角度为-90o时，触发中断1子程序，首先采集飞行高度和光电轴角编码器的测量值，计算此飞行高度下的扫描视场角和方波频率值；然后，对一条扫描线进行飞行高度的补偿控制，即通过设置外部中断子程序入口2和3，实现只在扫描视场角范围内输出要求频率的方波信号。其中，外部中断子程序2的流程图如图6（b）所示，即当所述旋转棱镜光电轴角编码器（15）测量所述旋转棱镜（13）的实际转动角度为
时，启动外触发中断2，由所述飞行高度补偿控制器（2）开始输出频率为
的方波信号，提供给所述激光脉冲发射器（11）发出激光脉冲。外部中断子程序3的流程图如图6（c）所示，即当所述旋转棱镜光电轴角编码器（15）测量所述旋转棱镜（13）的实际转动角度为时，启动外触发中断3，由所述飞行高度补偿控制器（2）停止输出频率为的方波信号，使所述激光脉冲发射器（11）停止发出激光脉冲。
图7是飞行高度变化补偿控制系统的硬件结构示意图。飞行高度变化补偿控制系统由ARM(LPC2138)嵌入式系统作为控制器。由所述GPS/INS集成测量装置（31）和卡尔曼滤波器（32）采集的飞行高度信号通过串口1提供给ARM(LPC2138) 控制器；由所述旋转棱镜光电轴角编码器（15）测量的所述旋转棱镜（13）的旋转角度通过串口2提供给ARM(LPC2138) 控制器。ARM(LPC2138)形成频率可调的方波。在ARM(LPC2138) 控制器内，采用数值计算合成和D/A转换模块，输出频率范围1 Hz-50 kHz的方波信号。方波的产生，由大小不同的两个信号数据交替输出形成，每个信号数据输出的时间长短根据所要求的信号频率决定。在某一飞行高度下，设要求的扫描视场角为
（o）、激光脉冲频率为
(Hz)，则所述旋转棱镜光电轴角编码器（15）测量的所述旋转棱镜（13）的旋转角度为时，ARM(LPC2138) 输出频率
的方波信号，提供给所述激光脉冲发射器（11），发出
频率的激光脉冲。当所述旋转棱镜光电轴角编码器（15）测量的所述旋转棱镜（13）的旋转角度为
时， ARM(LPC2138)停止输出方波信号，所述激光脉冲发射器（11）停止脉冲输出。
以上对本发明及其实施方式的描述，并不局限于此，附图中所示仅是本发明的实施方式之一。在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造地设计出与该技术方案类似的结构或实施例，均属本发明保护范围。
Claims (6)
1.一种用于机载激光扫描飞行高度变化实时补偿的装置，其特征在于包括激光扫描仪装置（1）、飞行高度补偿控制器（2）、机载平台飞行高度测量装置（3）、机载平台（4）；所述激光扫描仪装置（1），其特征在于包括激光脉冲发射器（11）、反射镜（12）、旋转棱镜（13）、旋转棱镜电机（14）、旋转棱镜光电轴角编码器（15）；所述机载平台飞行高度测量装置（3），其特征在于包括GPS/INS集成测量装置（31）、卡尔曼滤波器（32）；所述机载平台（4）是飞行器的载荷安装平台，所述激光扫描仪装置（1）、所述飞行高度补偿控制器（2）、所述机载平台飞行高度测量装置（3）均固定在所述机载平台（4）上；当所述机载平台（4）的飞行高度发生变化时，由所述GPS/INS集成测量装置（31）测量获得实时飞行高度变化值，在所述飞行高度补偿控制器（2）中通过编程计算获得在此飞行高度下符合要求的扫描视场角值和激光脉冲频率值；由所述旋转棱镜光电轴角编码器（15）获得所述旋转棱镜（13）的实时转动角度，反馈给所述飞行高度补偿控制器（2），只在要求的扫描视场角范围内产生要求频率的方波信号，提供给所述激光脉冲发射器（11），使所述激光脉冲发射器（11）发出要求频率的激光脉冲，则可实现只在要求的扫描视场角内产生要求频率的激光脉冲，从而使地面扫描激光点云的扫描带宽和密度始终保持不变，不受飞行高度变化的影响。
2.按照权利要求1所述的一种用于机载激光扫描飞行高度变化实时补偿的装置，其特征在于所述飞行高度补偿控制器（2）采用ARM控制器，通过D/A输出口可产生频率可调的方波信号。
3.按照权利要求1所述的一种用于机载激光扫描飞行高度变化实时补偿的装置，其特征在于所述激光脉冲发射器（11）可采用外部触发控制激光脉冲的输出，即每输入一个方波信号，则可发出一个窄带激光脉冲；其中，所述旋转棱镜（13）具有多个反射面；所述旋转棱镜电机（14）带动所述旋转棱镜（13）匀速转动，由所述旋转棱镜光电轴角编码器（15）测量获得所述旋转棱镜（13）的实时转动角度。
4.按照权利要求1所述的一种用于机载激光扫描飞行高度变化实时补偿的装置，其特征在于所述GPS/INS组合测量系统（31）测量获得所述机载平台（4）的飞行高度实时测量数据，通过所述卡尔曼滤波器（32）处理后，获得高精度的飞行高度实时变化值，提供给所述飞行高度补偿控制器（2）中，飞行高度的测量频率可达256 Hz。
5.按照权利要求1所述的一种用于机载激光扫描飞行高度变化实时补偿的装置，其特征在于当所述旋转棱镜光电轴角编码器（15）获得所述旋转棱镜（13）的实时转动角度为-90o时，触发所述飞行高度补偿控制器（2）的外部触发中断1执行程序，由所述飞行高度补偿控制器（2）根据所述GPS/INS组合测量系统（31）测量获得的飞行高度实测值，计算补偿飞行高度变化后的扫描视场角 
和激光扫描频率
；当所述旋转棱镜（13）的实时转动角度为
时，由所述飞行高度补偿控制器（2）通过D/A开始输出频率为的方波信号，提供给所述激光脉冲发射器（11）产生相应频率的脉冲激光；当所述旋转棱镜（13）的实时转动角度为
时，所述飞行高度补偿控制器（2）停止输出频率为
的方波信号。
6.按照权利要求1所述的一种用于机载激光扫描飞行高度变化实时补偿的装置，其特征在于所述旋转棱镜（13）匀速转动，通过同时改变扫描视场角大小和激光脉冲发射频率大小两种措施，可实现地面激光扫描点云的扫描带宽和密度不随飞行高度的变化而变化，从而可实现高精度实时补偿机载平台飞行高度变化对机载激光扫描点云分布密度的不利影响，解决了现有机载激光雷达不能对飞行高度变化实时补偿的问题，可有效提高机载激光雷达测量产品的质量。
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