CN104297743B - 消除高重频机载激光雷达系统的测距歧义的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种消除高重频机载LiDAR的测距歧义的方法和装置。该方法主要包括：利用机载LiDAR系统的原始脉冲数据，选取机载LiDAR系统的测区对应时间范围的POS数据子集和对应空间范围的DEM数据子集；遍历机载LiDAR系统发射的原始激光脉冲信号，按照设定的测距歧义算法利用POS数据子集、DEM数据对每个原始激光脉冲信号进行测距歧义解算，获取正确测距的每个原始激光脉冲信号对应的回波信号。本发明实施例通过基于已有DEM数据和POS数据直接对机载LiDAR系统的原始脉冲数据进行模糊距离解算，消除测距歧义，获取正确测距的每个原始激光脉冲信号对应的回波信号，可以使现有机载LiDAR系统在不针对其硬件体制进行任何改造的情况下，有效消除高重频导致的测距歧义问题。

Description

消除高重频机载激光雷达系统的测距歧义的方法和装置

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种消除高重频机载LiDAR(LightDetection And Ranging，激光雷达系统)的测距歧义的方法和装置。

背景技术

机载LiDAR系统是一种通过主动传感器发射激光脉冲，并探测返回激光脉冲信号来测定传感器与目标物之间距离及目标物反射特性的遥感技术。机载LiDAR系统以一定的PRR(Pulse Repetition Rate，脉冲重频)向地面发射激光脉冲，LiDAR重频越高，对地物的空间采样率越高，从而表现出更好的三维结构描述能力。

机载LiDAR系统运行时发射激光脉冲信号，并接收地物反射形成的回波，实时将全部回波信号采样和数字化，并将回波信号按照GPS(Global Positioning System，全球定位系统)时间顺序序列化记录存储，这种设计方式称为同步收发机制。在同步收发机制下，假定激光雷达工作时AGL(Above Ground Level，飞行高度)＝h

激光雷达脉冲重频

PRR＝f

激光脉冲群速度为v，扫描视场角为θ，则脉冲打击地表返回接收机的最长时间为

t＝2h/v·cos(θ/2)

则当t＜1/f，即f＜v·cos(θ/2)/2h时，一次激光脉冲会在前一次激光脉冲返回到达后再发出。如h＝1500m，v≈3×10⁸m/s，θ＝60°，f_max≈87KHz，当激光雷达重频小于f_max时，一次激光测距的脉冲发射时间和信号返回时间构成的PRI(Pulse Repetition IntervaI，脉冲重复间隔)并不与下一次PRI发生时间重叠。

随着机载LiDAR硬件技术的发展，激光发射重频提高到f_max以上，激光测距将出现歧义现象：即前一次发射脉冲造成的回波信号的返回时刻滞后于后一次发射脉冲发射时刻，从而无法判断该回波信号由哪一个发射脉冲造成，这种带有歧义的测距结果称为模糊距离，即出现了测距歧义。

目前，现有的消除测距歧义的方法都需在硬件系统进行适应性的改造或增加特殊硬件模块，从而增加系统成本。因此，如何开发出一种适用、经济的消除高重频机载LiDAR系统的测距歧义的方法是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明实施例提供了一种消除高重频机载LiDAR的测距歧义的方法和装置，以实现获取正确测距的每个原始激光脉冲信号对应的回波信号。

一种消除高重频机载激光雷达系统的测距歧义的方法，包括：

利用机载LiDAR系统的原始脉冲数据，选取所述机载LiDAR系统的测区对应时间范围的POS数据子集和对应空间范围的DEM数据子集；

统计得到所述POS数据子集的最大和最小高程、所述DEM数据子集的最大和最小高程，设置所述DEM数据子集的距离误差限因子，计算所述测区内激光脉冲传播的初始距离区间和地物空间分布的上下容忍度阈值；

遍历所述机载LiDAR系统发射的原始激光脉冲信号，按照设定的测距歧义算法利用所述POS数据子集的最大最小高程、所述DEM数据子集最大最小高程，所述距离误差限因子、所述初始距离区间和所述上下容忍度阈值，对每个原始激光脉冲信号进行测距歧义解算，获取正确测距的每个原始激光脉冲信号对应的回波信号；

对所述机载LiDAR系统的正确测距的所有原始激光脉冲信号和每个原始激光脉冲信号对应的回波信号进行重排序，生成所述机载LiDAR系统的正确测距的测量数据集。

所述的利用机载LiDAR系统的原始脉冲数据，选取所述机载LiDAR系统的测区对应时间范围的POS数据子集和对应空间范围的DEM数据子集，包括：

以航线为单位获取机载LiDAR系统的原始脉冲数据采集的起始和结束GPS时刻，根据所述起始和结束GPS时刻截取相同时间范围内机载LiDAR系统的POS数据子集，根据所述POS数据子集获取航线POS数据坐标的东、南、西、北四个方向的最大边界，利用上述四个方向的最大边界组成的拓展范围截取所述机载LiDAR系统的测区的已有DEM数据子集。

所述的统计得到所述POS数据子集的最大最小高程、所述DEM数据子集的最大最小高程，设置所述DEM数据子集的距离误差限因子，计算所述测区内激光脉冲传播的初始距离区间和地物空间分布的上下容忍度阈值，包括：

统计所述POS数据子集中航迹的最大高程值H_Max、最小高程值H_Min及所述DEM数据子集的最大高程值A_Max、最小高程值A_Min，设DEM高程精度造成的距离误差限因子为T，所述机载LiDAR系统的激光雷达扫描视场角为θ，脉冲重频为PRR，得到所述测区内激光脉冲传播的初始距离区间的两个极值R_Max、R_Min为：

$R_{\mathrm{Max}}=\frac{H_{\mathrm{Max}}-A_{\mathrm{Min}}+T}{\cos \frac{\mathrm{\θ}}{2}}$

R_Min＝H_Min-A_Max-T

同时得到所述测区地物的地表高度范围造成的向上容忍度阈值uH和向下容忍度阈值dH

uH＝ν/6·PRR

dH＝T

所述的遍历所述机载LiDAR系统发射的原始激光脉冲信号，按照设定的测距歧义算法利用所述POS数据子集的最大最小高程、所述DEM数据子集最大最小高程，所述距离误差限因子、所述初始距离区间和所述上下容忍度阈值，对每个原始激光脉冲信号进行测距歧义解算，获取正确测距的脉冲反射信号，包括：

步骤1、选取所述机载LiDAR系统发射的第一个原始激光脉冲信号，计算所述第一个原始激光脉冲信号的起始点坐标P₀与空间方向矢量D

P₀＝(X₀，Y₀，Z₀)

D＝(dX，dY，dZ)

步骤2、从所述第一个原始激光脉冲信号的发射时刻开始向前移动逐个搜索无标记的回波信号采样，设采样到的一个回波信号到所述发射时刻之间的时间间隔为dt，则计算出一个虚拟“伪回波”点P_f(X_f，Y_fZ_f)

P_f＝P₀+D·dt

并得到一个虚拟的激光脉冲传播距离R_f＝ν·dt/2，若R_Min≤R_f≤R_Max，进入步骤3；否则进入步骤4；

步骤3、将所述虚拟“伪回波”点P_f与所述DEM数据子集进行空间求交，根据垂直投影处DEM高程与所述虚拟“伪回波”点P_f的高程差值进行回波距离的正确性判别，将判别为正确的回波距离对应的回波信号标记为所述第一个原始激光脉冲信号对应的回波信号；

步骤4、选取所述机载LiDAR系统发射的下一个原始激光脉冲信号，按照所述第一个原始激光脉冲信号对应的回波信号的判别过程，判别出所述下一个原始激光脉冲信号对应的回波信号；重复执行上述处理过程，依次判别出所述机载LiDAR系统发射的所有原始激光脉冲信号对应的回波信号。

所述的将所述虚拟“伪回波”点P_f与所述DEM数据子集进行空间求交，根据垂直投影处DEM高程与所述虚拟“伪回波”点P_f高程差值进行回波距离的正确性判别，将判别为正确的回波距离对应的回波信号标记为所述第一个原始激光脉冲信号对应的回波信号，包括：

若Z_f-DEM(X_f，Y_f)＞uH，则判别为不正确的回波距离，进入步骤2；

若-dH≤Z_f-DEM(X_f，Y_f)≤uH，则判别为正确的回波距离，将该回波距离对应的回波信号标记为有效回波，将该有效回波确定为所述第一个原始激光脉冲信号对应的回波信号，进入步骤2；

若Z_f-DEM(X_f，Y_f)＜-dH，则判别为不正确的回波距离，所述第一个原始激光脉冲信号的回波距离的正确性判别结束，进入步骤4。

一种消除高重频机载激光雷达系统的测距歧义的装置，包括：

POS数据子集和DEM数据子集获取模块，用于利用机载LiDAR系统的原始脉冲数据，选取所述机载LiDAR系统的测区对应时间范围的POS数据子集和对应空间范围的DEM数据子集；

参数值获取模块，用于统计得到所述POS数据子集的最大和最小高程、所述DEM数据子集的最大和最小高程，设置所述DEM数据子集的距离误差限因子，计算所述测区内激光脉冲传播的初始距离区间和地物空间分布的上下容忍度阈值；

测距歧义解算模块，用于遍历所述机载LiDAR系统发射的原始激光脉冲信号，按照设定的测距歧义算法利用所述POS数据子集的最大最小高程、所述DEM数据子集最大最小高程，所述距离误差限因子、所述初始距离区间和所述上下容忍度阈值，对每个原始激光脉冲信号进行测距歧义解算，获取正确测距的每个原始激光脉冲信号对应的回波信号；

正确测量数据集获取模块，用于对所述机载LiDAR系统的正确测距的所有原始激光脉冲信号和每个原始激光脉冲信号对应的回波信号进行重排序，生成所述机载LiDAR系统的正确测距的测量数据集。

所述的POS数据子集和DEM数据子集获取模块，具体用于以航线为单位获取机载LiDAR系统的原始脉冲数据采集的起始和结束GPS时刻，根据所述起始和结束GPS时刻截取相同时间范围内机载LiDAR系统的POS数据子集，根据所述POS数据子集获取航线POS数据坐标的东、南、西、北四个方向的最大边界，利用上述四个方向的最大边界组成的拓展范围截取所述机载LiDAR系统的测区的已有DEM数据子集。

所述的参数值获取模块，具体用于统计所述POS数据子集中航迹的最大高程值H_Max、最小高程值H_Min及所述DEM数据子集的最大高程值A_Max、最小高程值A_Min，设DEM高程精度造成的距离误差限因子为T，所述机载LiDAR系统的激光雷达扫描视场角为θ，脉冲重频为PRR，得到所述测区内激光脉冲传播的初始距离区间的两个极值R_Max、R_Min为：

$R_{\mathrm{Max}}=\frac{H_{\mathrm{Max}}-A_{\mathrm{Min}}+T}{\cos \frac{\mathrm{\θ}}{2}}$

R_Min＝H_Min-A_Max-T

同时得到所述测区地物的地表高度范围造成的向上容忍度阈值uH和向下容忍度阈值dH

uH＝ν/6·PRR

dH＝T

所述的测距歧义解算模块，具体用于执行下述步骤：

步骤1、选取所述机载LiDAR系统发射的第一个原始激光脉冲信号，计算所述第一个原始激光脉冲信号的起始点坐标P₀与空间方向矢量D

P₀＝(X₀，Y₀，Z₀)

D＝(dX，dY，dZ)

步骤2、从所述第一个原始激光脉冲信号的发射时刻开始向前移动逐个搜索无标记的回波信号采样，设采样到的一个回波信号到所述发射时刻之间的时间间隔为dt，则计算出一个虚拟“伪回波”点P_f(X_f，Y_fZ_f)

P_f＝P₀+D·dt

并得到一个虚拟的激光脉冲传播距离R_f＝ν·dt/2，若R_Min≤R_f≤R_Max，进入步骤3；否则进入步骤4；

步骤3、将所述虚拟“伪回波”点P_f与所述DEM数据子集进行空间求交，根据垂直投影处DEM高程与所述虚拟“伪回波”点P_f的高程差值进行回波距离的正确性判别，将判别为正确的回波距离对应的回波信号标记为所述第一个原始激光脉冲信号对应的回波信号；

步骤4、选取所述机载LiDAR系统发射的下一个原始激光脉冲信号，按照所述第一个原始激光脉冲信号对应的回波信号的判别过程，判别出所述下一个原始激光脉冲信号对应的回波信号；重复执行上述处理过程，依次判别出所述机载LiDAR系统发射的所有原始激光脉冲信号对应的回波信号。

所述的测距歧义解算模块，具体用于若Z_f-DEM(X_f，Y_f)＞uH，则判别为不正确的回波距离，进入步骤2；

若-dH≤Z_f-DEM(X_f，Y_f)≤uH，则判别为正确的回波距离，将该回波距离对应的回波信号标记为有效回波，将该有效回波确定为所述第一个原始激光脉冲信号对应的回波信号，进入步骤2；

若Z_f-DEM(X_f，Y_f)＜-dH，则判别为不正确的回波距离，所述第一个原始激光脉冲信号的回波距离的正确性判别结束，进入步骤4。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过基于已有DEM数据和机载LiDAR系统的POS数据直接对机载LiDAR系统的原始脉冲数据进行模糊距离解算，消除测距歧义，获取正确测距的每个原始激光脉冲信号对应的回波信号，可以使现有机载LiDAR系统在不针对其硬件体制进行任何改造的情况下，有效消除高重频导致的测距歧义问题，从而节约系统成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的一种消除高重频机载LiDAR的测距歧义的方法的处理流程图；

图2为本发明实施例二提供的一种消除高重频机载LiDAR系统的测距歧义的装置的具体实现结构图，图中，POS数据子集和DEM数据子集获取模块21，参数值获取模块22，测距歧义解算模块23和正确测量数据集获取模块24。

具体实施方式

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例一

根据IEEE标准RADAR定义，Second Time Around回波是指在超过一个PRI但少于PRI的时间范围内接收的回波信号。类似的，Multiple Time Around (MTA)回波是指回波信号在经过若干次PRI后被接收。MTA概念最初的实用化出现在地面RADAR系统中，这种系统采用Multiple PRF(Multiple Pulse Repetition Frequency，多脉冲重频)的发射方式，并在实时信号处理器中使用中国剩余定理或移位寄存器技术等进行解算得到目标的无歧义测距距离。

POS(Position and Orientation System，位置姿态系统)系统，又称为IMU/DGPS系统，由动态差分GPS(DGPS)、惯性测量装置(IMU)、主控计算机系统(PCS)以及相应的后处理软件四部分组成，可以在传感器成像过程中实时测量其位置和姿态，不用地面控制点进行空三加密就可以获得较高精度的影像外方位元素。POS系统可用于多光谱及高光谱扫描仪、激光雷达、胶片和数字相机等。

该实施例提供了一种消除高重频机载LiDAR的测距歧义的方法的处理流程如图1所示，包括如下的处理步骤：

步骤S110、利用待解算的机载LiDAR系统的原始脉冲数据的GPS时间标签截取机载LiDAR系统的POS数据子集，利用所述POS数据子集的坐标范围截取所述机载LiDAR系统的测区的已有DEM(数字高程模型，Digital Elevation Model)数据子集。

以航线为单位获取机载LiDAR系统的原始脉冲数据采集的起始和结束GPS时刻，根据所述起始和结束GPS时刻截取相同时间范围内机载LiDAR系统的POS数据子集。根据所述POS数据子集获取航线POS数据坐标的东、南、西、北四个方向的最大边界，利用上述四个方向的最大边界组成的拓展范围截取所述机载LiDAR系统的测区的已有DEM数据子集。POS数据子集包含传感器几何中心的空间坐标和空间姿态信息(Roll、Pitch、Yaw，即侧滚、俯仰、航偏)，DEM数据子集包含了测区地面格网化的地理坐标和高程信息。

上述机载LiDAR系统的测区的已有DEM数据子集为易于获得的DEM数据源，如SRTM、GDEM、地形图数字化的DEM、摄影测量手段提取的DEM等不同来源和空间分辨率的DEM数据。

步骤S120、统计得到POS数据子集的最大最小高程及DEM数据子集最大最小高程，设置DEM高程精度决定的距离误差限因子，计算测区内激光脉冲传播初始距离区间。

统计POS数据子集中航迹的最大高程值H_Max、最小高程值H_Min及所述DEM数据子集的最大高程值A_Max、最小高程值A_Min，

设DEM高程精度造成的距离误差限因子为T，激光雷达扫描视场角为θ，脉冲重频为PRR，得到测区内激光脉冲传播的初始距离区间的两个极值R_Max、R_Min为：

$R_{\mathrm{Max}}=\frac{H_{\mathrm{Max}}-A_{\mathrm{Min}}+T}{\cos \frac{\mathrm{\θ}}{2}}$

R_Min＝H_Min-A_Max-T

[R_Min，R_Max]即激光脉冲传播的最大范围区间，是测距歧义解算的初始判别阈值。

同时得到测区地物的地表高度范围造成的向上容忍度阈值uH和向下容忍度阈值dH

uH＝ν/6·PRR

dH＝T

uH，dH即激光脉冲回波位置分布在DEM趋势面的上下范围区间，是测距歧义解算的准确判别阈值。

步骤S130、遍历所述机载LiDAR系统发射的原始激光脉冲信号，按照设定的测距歧义算法(用Move-Touch方法)利用H_Max、H_Min及A_Max、A_Min，T、R_Max、R_Min及uH、dH，对每个原始激光脉冲信号进行测距歧义解算，消除测距歧义，获取正确测距的每个原始激光脉冲信号对应的回波信号。

上述Move-Touch方法的实现方式由步骤1～4所述。

步骤S140、对所述机载LiDAR系统的正确测距的所有原始激光脉冲信号和每个原始激光脉冲信号对应的回波信号进行重排序，生成所述机载LiDAR系统的正确测距的测量数据集。

步骤1、选取所述机载LiDAR系统发射的第一个原始激光脉冲信号，计算所述第一个原始激光脉冲信号的起始点坐标P₀与空间方向矢量D

P₀＝(X₀，Y₀，Z₀)

D＝(dX，dY，dZ)

步骤2、从所述第一个原始激光脉冲信号的发射时刻开始向前移动逐个搜索无标记的回波信号采样，设采样到的一个回波信号到所述发射时刻之间的时间间隔为dt，则计算出一个虚拟“伪回波”点P_f(X_f，Y_f，Z_f)

P_f＝P₀+D·dt

并得到一个虚拟的激光脉冲传播距离R_f＝ν·dt/2，若R_Min≤R_f≤R_Max，进入步骤3；否则进入步骤4；

步骤3、将所述虚拟“伪回波”点P_f与所述DEM数据子集进行空间求交，根据垂直投影处DEM高程与所述虚拟“伪回波”点P_f的高程差值进行回波距离的正确性判别，将判别为正确的回波距离对应的回波信号标记为所述第一个原始激光脉冲信号对应的回波信号。

上述回波距离的正确性判别过程如下：

虚拟“伪回波”的Z坐标为Z_f，DEM格网在该“伪回波”处的高程值DEM(X_f，Y_f)由空间三维坐标向栅格平面投影得到，若Z_f-DEM(X_f，Y_f)＞uH，则判别为不正确的回波距离，进入步骤2；

若-dH≤Z_f-DEM(X_f，Y_f)≤uH，则判别为正确的回波距离，将该回波距离对应的回波信号标记为有效回波，将该有效回波确定为所述第一个原始激光脉冲信号对应的回波信号，进入步骤2；

若Z_f-DEM(X_f，Y_f)＜-dH，则判别为不正确的回波距离，所述第一个原始激光脉冲信号的回波距离的正确性判别结束，进入步骤4。

步骤4、选取所述机载LiDAR系统发射的下一个原始激光脉冲信号，按照上述第一个原始激光脉冲信号对应的回波信号的判别过程，判别出所述下一个原始激光脉冲信号对应的回波信号；重复执行上述处理过程，依次判别出所述机载LiDAR系统发射的所有原始激光脉冲信号对应的回波信号。

实施例二

该实施例提供的一种消除高重频机载LiDAR系统的测距歧义的装置，其具体实现结构如图2所示，具体可以包括如下的模块：

POS数据子集和DEM数据子集获取模块21，用于利用机载LiDAR系统的原始脉冲数据，选取所述机载LiDAR系统的测区对应时间范围的POS数据子集和对应空间范围的DEM数据子集；

参数值获取模块22，用于统计得到所述POS数据子集的最大和最小高程、所述DEM数据子集的最大和最小高程，设置所述DEM数据子集的距离误差限因子，计算所述测区内激光脉冲传播的初始距离区间和地物空间分布的上下容忍度阈值；

测距歧义解算模块23，用于遍历所述机载LiDAR系统发射的原始激光脉冲信号，按照设定的测距歧义算法利用所述POS数据子集的最大最小高程、所述DEM数据子集最大最小高程，所述距离误差限因子、所述初始距离区间和所述上下容忍度阈值，对每个原始激光脉冲信号进行测距歧义解算，获取正确测距的每个原始激光脉冲信号对应的回波信号；

正确测量数据集获取模块24，用于对所述机载LiDAR系统的正确测距的所有原始激光脉冲信号和每个原始激光脉冲信号对应的回波信号进行重排序，生成所述机载LiDAR系统的正确测距的测量数据集。

进一步地，所述的POS数据子集和DEM数据子集获取模块21，具体用于以航线为单位获取机载LiDAR系统的原始脉冲数据采集的起始和结束GPS时刻，根据所述起始和结束GPS时刻截取相同时间范围内机载LiDAR系统的POS数据子集，根据所述POS数据子集获取航线POS数据坐标的东、南、西、北四个方向的最大边界，利用上述四个方向的最大边界组成的拓展范围截取所述机载LiDAR系统的测区的已有DEM数据子集。

进一步地，所述的参数值获取模块22，具体用于统计所述POS数据子集中航迹的最大高程值H_Max、最小高程值H_Min及所述DEM数据子集的最大高程值A_Max、最小高程值A_Min，设DEM高程精度造成的距离误差限因子为T，所述机载LiDAR系统的激光雷达扫描视场角为θ，脉冲重频为PRR，得到所述测区内激光脉冲传播的初始距离区间的两个极值R_Max、R_Min为：

$R_{\mathrm{Max}}=\frac{H_{\mathrm{Max}}-A_{\mathrm{Min}}+T}{\cos \frac{\mathrm{\θ}}{2}}$

R_Min＝H_Min-A_Max-T

同时得到所述测区地物的地表高度范围造成的向上容忍度阈值uH和向下容忍度阈值dH

uH＝ν/6·PRR

dH＝T

进一步地，所述的测距歧义解算模块23，具体用于执行下述步骤：

步骤1、选取所述机载LiDAR系统发射的第一个原始激光脉冲信号，计算所述第一个原始激光脉冲信号的起始点坐标P₀与空间方向矢量D

P₀＝(X₀，Y₀，Z₀)

D＝(dX，dY，dZ)

步骤2、从所述第一个原始激光脉冲信号的发射时刻开始向前移动逐个搜索无标记的回波信号采样，设采样到的一个回波信号到所述发射时刻之间的时间间隔为dt，则计算出一个虚拟“伪回波”点P_f(X_f，Y_f，Z_f)

P_f＝P₀+D·dt

并得到一个虚拟的激光脉冲传播距离R_f＝ν·dt/2，若R_Min≤R_f≤R_Max，进入步骤3；否则进入步骤4；

步骤3、将所述虚拟“伪回波”点P_f与所述DEM数据子集进行空间求交，根据垂直投影处DEM高程与所述虚拟“伪回波”点P_f的高程差值进行回波距离的正确性判别，将判别为正确的回波距离对应的回波信号标记为所述第一个原始激光脉冲信号对应的回波信号；

步骤4、选取所述机载LiDAR系统发射的下一个原始激光脉冲信号，按照所述第一个原始激光脉冲信号对应的回波信号的判别过程，判别出所述下一个原始激光脉冲信号对应的回波信号；重复执行上述处理过程，依次判别出所述机载LiDAR系统发射的所有原始激光脉冲信号对应的回波信号。

进一步地，所述的测距歧义解算模块23，具体用于若Z_f-DEM(X_f，Y_f)＞uH，则判别为不正确的回波距离，进入步骤2；

若-dH≤Z_f-DEM(X_f，Y_f)≤uH，则判别为正确的回波距离，将该回波距离对应的回波信号标记为有效回波，将该有效回波确定为所述第一个原始激光脉冲信号对应的回波信号，进入步骤2；

若Z_f-DEM(X_f，Y_f)＜-dH，则判别为不正确的回波距离，所述第一个原始激光脉冲信号的回波距离的正确性判别结束，进入步骤4。

用本发明实施例的装置进行消除高重频机载LiDAR系统的测距歧义的具体过程与前述方法实施例类似，此处不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的设备中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的设备中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个设备中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。

综上所述，本发明实施例通过基于已有DEM数据和机载LiDAR系统的POS数据直接对机载LiDAR系统的原始脉冲数据进行模糊距离解算，消除测距歧义，获取正确测距的每个原始激光脉冲信号对应的回波信号，可以使现有机载LiDAR系统在不针对其硬件体制进行任何改造的情况下，有效消除高重频导致的测距歧义问题，从而节约系统成本。

本发明实施例相比于国外商业机载LiDAR系统采取的传统RADAR多脉冲重频技术，具有更广泛的适用性，同时具有较高的运算效率。随着国产机载LiDAR系统的硬件技术发展，本发明的技术方案可以为国产高重频机载LiDAR系统数据解算技术提供很好的借鉴意义。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，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。

Claims (8)

1.一种消除高重频机载激光雷达系统的测距歧义的方法，其特征在于，包括：

利用机载LiDAR系统的原始脉冲数据，选取所述机载LiDAR系统的测区对应时间范围的POS数据子集和对应空间范围的DEM数据子集；

统计得到所述POS数据子集的最大和最小高程、所述DEM数据子集的最大和最小高程，设置所述DEM数据子集的距离误差限因子，计算所述测区内激光脉冲传播的初始距离区间和地物空间分布的上下容忍度阈值；

遍历所述机载LiDAR系统发射的原始激光脉冲信号，按照设定的测距歧义算法利用所述POS数据子集的最大最小高程、所述DEM数据子集最大最小高程，所述距离误差限因子、所述初始距离区间和所述上下容忍度阈值，对每个原始激光脉冲信号进行测距歧义解算，获取正确测距的每个原始激光脉冲信号对应的回波信号；

对所述机载LiDAR系统的正确测距的所有原始激光脉冲信号和每个原始激光脉冲信号对应的回波信号进行重排序，生成所述机载LiDAR系统的正确测距的测量数据集；

所述的遍历所述机载LiDAR系统发射的原始激光脉冲信号，按照设定的测距歧义算法利用所述POS数据子集的最大最小高程、所述DEM数据子集最大最小高程，所述距离误差限因子、所述初始距离区间和所述上下容忍度阈值，对每个原始激光脉冲信号进行测距歧义解算，获取正确测距的脉冲反射信号，包括：

步骤1、选取所述机载LiDAR系统发射的第一个原始激光脉冲信号，计算所述第一个原始激光脉冲信号的起始点坐标P₀与空间速度矢量D

P₀＝(X₀，Y₀，Z₀)

D＝(dX，dY，dZ)

步骤2、从所述第一个原始激光脉冲信号的发射时刻开始向前移动逐个搜索无标记的回波信号采样，设采样到的一个回波信号到所述发射时刻之间的时间间隔为dt，则计算出一个虚拟“伪回波”点P_f(X_f，Y_f，Z_f)

P_f＝P₀+D·dt

并得到一个虚拟的激光脉冲传播距离R_f＝v·dt/2，若R_Min≤R_f≤R_Max，进入步骤3；否则进入步骤4；

步骤3、将所述虚拟“伪回波”点P_f与所述DEM数据子集进行空间求交，根据垂直投影处DEM高程与所述虚拟“伪回波”点P_f的高程差值进行回波距离的正确性判别，将判别为正确的回波距离对应的回波信号标记为所述第一个原始激光脉冲信号对应的回波信号；

步骤4、选取所述机载LiDAR系统发射的下一个原始激光脉冲信号，按照所述第一个原始激光脉冲信号对应的回波信号的判别过程，判别出所述下一个原始激光脉冲信号对应的回波信号；重复执行上述处理过程，依次判别出所述机载LiDAR系统发射的所有原始激光脉冲信号对应的回波信号。

2.根据权利要求1所述的消除高重频机载激光雷达系统的测距歧义的方法，其特征在于，所述的利用机载LiDAR系统的原始脉冲数据，选取所述机载LiDAR系统的测区对应时间范围的POS数据子集和对应空间范围的DEM数据子集，包括：

以航线为单位获取机载LiDAR系统的原始脉冲数据采集的起始和结束GPS时刻，根据所述起始和结束GPS时刻截取相同时间范围内机载LiDAR系统的POS数据子集，根据所述POS数据子集获取航线POS数据坐标的东、南、西、北四个方向的最大边界，利用上述四个方向的最大边界组成的拓展范围截取所述机载LiDAR系统的测区的已有DEM数据子集。

3.根据权利要求2所述的消除高重频机载激光雷达系统的测距歧义的方法，其特征在于，所述的统计得到所述POS数据子集的最大最小高程、所述DEM数据子集的最大最小高程，设置所述DEM数据子集的距离误差限因子，计算所述测区内激光脉冲传播的初始距离区间和地物空间分布的上下容忍度阈值，包括：

统计所述POS数据子集中航迹的最大高程值H_Max、最小高程值H_Min及所述DEM数据子集的最大高程值A_Max、最小高程值A_Min，设DEM高程精度造成的距离误差限因子为T，所述机载LiDAR系统的激光雷达扫描视场角为θ，脉冲重频为PRR，得到所述测区内激光脉冲传播的初始距离区间的两个极值R_Max、R_Min为：

$R_{Max}=\frac{H_{Max}-A_{Min}+T}{cos\frac{\mathrm{\θ}}{2}}$

R_Min＝H_Min-A_Max-T

同时得到所述测区地物的地表高度范围造成的向上容忍度阈值uH和向下容忍度阈值dH

$uH=\frac{v}{6PRR}$

dH＝T。

4.根据权利要求1所述的消除高重频机载激光雷达系统的测距歧义的方法，其特征在于，所述的将所述虚拟“伪回波”点P_f与所述DEM数据子集进行空间求交，根据垂直投影处DEM高程与所述虚拟“伪回波”点P_f高程差值进行回波距离的正确性判别，将判别为正确的回波距离对应的回波信号标记为所述第一个原始激光脉冲信号对应的回波信号，包括：

若Z_f-DEM(X_f，Y_f)＞uH，则判别为不正确的回波距离，进入步骤2；

若-dH≤Z_f-DEM(X_f，Y_f)≤uH，则判别为正确的回波距离，将该回波距离对应的回波信号标记为有效回波，将该有效回波确定为所述第一个原始激光脉冲信号对应的回波信号，进入步骤2；

若Z_f-DEM(X_f，Y_f)＜-dH，则判别为不正确的回波距离，所述第一个原始激光脉冲信号的回波距离的正确性判别结束，进入步骤4。

5.一种消除高重频机载激光雷达系统的测距歧义的装置，其特征在于，包括：

POS数据子集和DEM数据子集获取模块，用于利用机载LiDAR系统的原始脉冲数据，选取所述机载LiDAR系统的测区对应时间范围的POS数据子集和对应空间范围的DEM数据子集；

参数值获取模块，用于统计得到所述POS数据子集的最大和最小高程、所述DEM数据子集的最大和最小高程，设置所述DEM数据子集的距离误差限因子，计算所述测区内激光脉冲传播的初始距离区间和地物空间分布的上下容忍度阈值；

测距歧义解算模块，用于遍历所述机载LiDAR系统发射的原始激光脉冲信号，按照设定的测距歧义算法利用所述POS数据子集的最大最小高程、所述DEM数据子集最大最小高程，所述距离误差限因子、所述初始距离区间和所述上下容忍度阈值，对每个原始激光脉冲信号进行测距歧义解算，获取正确测距的每个原始激光脉冲信号对应的回波信号；

正确测量数据集获取模块，用于对所述机载LiDAR系统的正确测距的所有原始激光脉冲信号和每个原始激光脉冲信号对应的回波信号进行重排序，生成所述机载LiDAR系统的正确测距的测量数据集；

所述的测距歧义解算模块，具体用于执行下述步骤：

步骤1、选取所述机载LiDAR系统发射的第一个原始激光脉冲信号，计算所述第一个原始激光脉冲信号的起始点坐标P₀与空间速度矢量D

P₀＝(X₀，Y₀，Z₀)

D＝(dX，dY，dZ)

步骤2、从所述第一个原始激光脉冲信号的发射时刻开始向前移动逐个搜索无标记的回波信号采样，设采样到的一个回波信号到所述发射时刻之间的时间间隔为dt，则计算出一个虚拟“伪回波”点P_f(X_f，Y_f，Z_f)

P_f＝P₀+D·dt

并得到一个虚拟的激光脉冲传播距离R_f＝v·dt/2，若R_Min≤R_f≤R_Max，进入步骤3；否则进入步骤4；

步骤3、将所述虚拟“伪回波”点P_f与所述DEM数据子集进行空间求交，根据垂直投影处DEM高程与所述虚拟“伪回波”点P_f的高程差值进行回波距离的正确性判别，将判别为正确的回波距离对应的回波信号标记为所述第一个原始激光脉冲信号对应的回波信号；

步骤4、选取所述机载LiDAR系统发射的下一个原始激光脉冲信号，按照所述第一个原始激光脉冲信号对应的回波信号的判别过程，判别出所述下一个原始激光脉冲信号对应的回波信号；重复执行上述处理过程，依次判别出所述机载LiDAR系统发射的所有原始激光脉冲信号对应的回波信号。

6.根据权利要求5所述的消除高重频机载激光雷达系统的测距歧义的装置，其特征在于：

所述的POS数据子集和DEM数据子集获取模块，具体用于以航线为单位获取机载LiDAR系统的原始脉冲数据采集的起始和结束GPS时刻，根据所述起始和结束GPS时刻截取相同时间范围内机载LiDAR系统的POS数据子集，根据所述POS数据子集获取航线POS数据坐标的东、南、西、北四个方向的最大边界，利用上述四个方向的最大边界组成的拓展范围截取所述机载LiDAR系统的测区的已有DEM数据子集。

7.根据权利要求6所述的消除高重频机载激光雷达系统的测距歧义的装置，其特征在于：

所述的参数值获取模块，具体用于统计所述POS数据子集中航迹的最大高程值H_Max、最小高程值H_Min及所述DEM数据子集的最大高程值A_Max、最小高程值A_Min，设DEM高程精度造成的距离误差限因子为T，所述机载LiDAR系统的激光雷达扫描视场角为θ，脉冲重频为PRR，得到所述测区内激光脉冲传播的初始距离区间的两个极值R_Max、R_Min为：

$R_{Max}=\frac{H_{Max}-A_{Min}+T}{cos\frac{\mathrm{\θ}}{2}}$

R_Min＝H_Min-A_Max-T

同时得到所述测区地物的地表高度范围造成的向上容忍度阈值uH和向下容忍度阈值dH

uH＝v/6·PRR

dH＝T。

8.根据权利要求5所述的消除高重频机载激光雷达系统的测距歧义的装置，其特征在于：

所述的测距歧义解算模块，具体用于若Z_f-DEM(X_f，Y_f)＞uH，则判别为不正确的回波距离，进入步骤2；

若-dH≤Z_f-DEM(X_f，Y_f)≤uH，则判别为正确的回波距离，将该回波距离对应的回波信号标记为有效回波，将该有效回波确定为所述第一个原始激光脉冲信号对应的回波信号，进入步骤2；

若Z_f-DEM(X_f，Y_f)＜-dH，则判别为不正确的回波距离，所述第一个原始激光脉冲信号的回波距离的正确性判别结束，进入步骤4。