CN105510927B - 机载分频激光三维成像装置及其成像方法 - Google Patents

机载分频激光三维成像装置及其成像方法 Download PDF

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Abstract

一种机载分频激光三维成像装置，基本原理是机载激光三维成像装置内部的FPGA电路对激光测量频率进行分频，每个分频信号之间的相位差为2π/分频数，利用多通道时间测量技术对每个激光测量频率进行单独测距，同时，同步采集扫描电机的角度，合成被测地表的三维表面数据。通过对地表测量剖面数据的曲率判别，提取出真正的地表三维数据。本发明的特点是采用一个激光源和一个探测器，不增加发射和接收器件的数量，仅通过电路分频的方法，克服机载高重频激光三维成像存在的距离模糊问题，可实现远距离、高重频的无模糊机载激光三维成像。

Description

机载分频激光三维成像装置及其成像方法
技术领域
本发明涉及激光雷达和激光三维扫描仪，特别是一种机载分频激光三维成像装置及其成像方法，该装置能够实现高重频、远距离、无距离模糊的机载激光三维成像。
背景技术
在激光雷达和激光三维扫描仪领域，目前常用的激光测距方式主要有基于飞行时间的脉冲直接测距法和相位测量法等。相位测量因为发射的激光功率较低，往往用于近距离测量，不适合机载平台。对于飞行高度在300米以上的机载平台而言，采用激光雷达或激光三维扫描仪对地面地形进行测绘，通常采用脉冲飞行时间测距方法。脉冲飞行时间方法存在距离模糊问题，为了能够获取准确的距离信息，测距距离和激光重复频率的乘积要小于光速的一半。对于飞行高度较高的机载激光雷达，往往需要降低激光重复频率，来克服距离模糊可能带来的测距错误。以常规的1200m飞行高度的机载激光雷达，受模糊距离限制，其最高测量频率不超过125kHz，这将大大降低机载激光雷达对地测绘的分辨率和效率。为了克服距离模糊，通常使用的方式是采用脉冲同步计数技术，通过对发射和接收脉冲进行同步计数，能够缩小模糊距离，从而一定程度上克服距离模糊对激光重频的限制，实现对远距离目标的高重频测距。但是该方法需要对目标距离的变化范围有先验知识或准确记录第一个脉冲的回波时间，且目标距离的变化范围不大，当目标距离变化较大且无先验知识时，该方法就会失效。也可以采用脉冲编码方式，对发射的激光脉冲进行单个或双脉冲间隔时间编码，通过对脉冲进行间隔时间解码，能够获得准确的距离信息，克服距离模糊。但是该方法在测量具有穿透性的目标时(如植被测量)，会因为产生多个相邻回波而导致编码错位，产生错误的测距信息。而且双脉冲激光编码的双回波信号到达一个测距通道，由于测距通道的响应时间通常要达到几十纳秒，即脉冲距离间隔为几米，脉冲间隔时间需要较长，过宽的脉冲间隔也影响了编码的效率。因此，对于当前的高重频激光测距和激光三维扫描仪，测距距离和激光重复频率仍然存在一定的矛盾，限制了测距和激光扫描的速度。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前机载激光雷达对地测绘中面临的距离模糊对测量频率的限制问题，提供一种机载分频激光三维成像装置及其成像方法，该装置能够实现高重频、远距离、无距离模糊的机载激光三维成像。
本发明的工作原理是:
通过现场可编程门阵列(FPGA)电路对激光测量频率进行分频，每个分频信号之间的相位差为2π/分频数，分频后，每个测量通道的激光输出频率降低到总激光输出频率的1/分频数，采用多个独立时间测量通道对分频后的每个激光发射和接收进行单独测量。同时，同步采集扫描电机的角度，合成被测地表的三维表面数据。最终通过对单条地表测量剖面数据的圆弧曲率判别，提取出真正的地表三维数据。该技术相当于把高重频的激光输出分频为若干个独立的激光输出通道，从而降低了每个通道的激光输出频率，满足距离模糊的限制。
该装置不增加激光器、接收光学、探测器和放大电路等核心硬件的数量，仅仅增加了数字电路的处理复杂度，对于现有的高集成度数字电路芯片而言，不增加任何硬件成本。在激光器和数字电路芯片硬件条件允许的情况下，该技术可通过提高分频数来成倍提高测距的模糊距离，提高模糊距离的倍数与分频数一致，从而成倍提高在同样飞行高度下机载激光雷达对地测绘的速率。以二分频为例，具体工作原理参见图2。
本发明的技术解决方案如下：
一种机载分频激光三维成像装置，其特点在于：该装置包括信号发生器、信号分频器、激光器、回波探测器、整形器、多通道时间测量电路、扫描镜、角度编码器、编码计数电路、数据同步采集器和数据处理模块，上述元部件的连接关系如下：
所述的信号发生器包括第一输出端和第二输出端，第一输出端接所述的激光器的输入端，第二输出端接所述的信号分频器的输入端，所述的信号分频器包括N路输出的分频信号，其中N为大于2的分频数，所述的多通道时间测量电路具有N个时间测量通道，所述的信号分频器的第i路分频信号输出端与所述的多通道时间测量电路相应的第i个时间测量通道的计数开始端相连；所述的信号发生器产生的周期方波同时输入到所述的信号分频器和所述的激光器，所述的激光器将同频率的激光脉冲输入到所述的扫描镜，该扫描镜将激光脉冲发射输出，激光的回波经过所述的扫描镜反射输入到所述的回波探测器，该回波探测器完成光电探测后将与激光回波脉冲同频率的电脉冲信号输出到所述的整形器，该整形器将电脉冲信号整形成方波同时输出到所述的多通道时间测量电路相应的时间测量通道的计数终止端，用于获取当前计数值；所述的角度编码器安装在所述的扫描镜的转动轴上，将转动产生的编码脉冲输入到所述的编码计数电路，所述的编码计数电路对编码脉冲进行角度计数后，将该角度计数值输入所述的数据同步采集器的角度输入端，所述的多通道时间测量电路一共测量N路信号的时间，并将测量的时间转换为相应的距离后输入到所述的数据同步采集器的距离输入端；所述的数据同步采集器将距离数据和角度数据进行时间同步后输入到所述的数据处理模块，所述的数据处理模块对单条扫描线的数据使用曲率分析方法提取出真实的测量数据。
所述的激光器为波长1550nm的光纤激光器。
所述的信号分频器的内部核心是模为N的计数器，每次计数满N时输出时钟信号翻转，将输入的方波信号分成频率更低的N路方波信号，分频输出的每路方波信号频率相同，且分频后的方波信号的频率等于输入方波信号频率的1/N。
所述的整形器内部核心是电压比较器，采用固定电压阈值比较方法，当输入的信号脉冲幅度超过设定阈值电压时，比较器输出固定宽度的矩形脉冲。
所述的扫描镜为平面镜，安装在转轴上，镜面法线垂直于转轴。
所述的编码计数电路采用上升沿和下降沿触发计数方式，对编码器输出的脉冲进行计数。
所述的多通道时间测量电路具有N个独立的计数通道，每个计数通道通过记录两个脉冲触发之间的时钟个数来测量两个脉冲的时间间隔。每个计数通道内有一个独立的计数开始输入端，该输入端接收脉冲触发信号后，启动对应通道的内部计数。每个计数通道共用1个计数停止输入端，该输入端每接收一次脉冲触发信号，每个通道会同时输出从开始到当前触发此刻的计数个数，这些计数值乘以时钟周期表示对应通道从开始计数到此刻的时间。
所述的数据处理模块是嵌入式单板工控机，采用X86构架，安装Windows操作系统，通过USB端口接收测量数据，测量数据包括测量时间和二维角度，测量时间乘以光速表示测量距离，距离和二维角度构成被测目标在激光雷达坐标系中的极坐标数据，工控机内部运行的软件将该极坐标数据转换到直角坐标系后，分别将第j层模糊距离的回波数据对应的第j层扫描线进行圆弧最小二乘拟合，当第j层扫描线拟合的圆弧曲率半径大于阈值时，该层扫描线数据为真实的测量数据，否则为模糊距离数据。
利用上述机载分频激光三维成像装置的扫描成像方法，该方法包括下列步骤：
①将机载分频激光三维成像装置安装在飞机或无人机平台上，扫描镜将激光对地面进行一维扫描，飞机运动形成另一维扫描，激光测量距离实现对地表的第三维测量；
②启动本发明装置，所述的激光器通过所述的扫描镜发射高重频激光脉冲信号，所述的回波探测器接收到回波信号，所述的多通道时间测量模块分别对应N路分频信号，每一路分频信号都有M层回波，其中第i个时间测量通道的第i路分频信号的第j层回波时间ti-j，将时间转换为距离di-j，输入所述的数据同步采集器；
③所述的数据同步采集器按照分频信号的上升沿进行时间同步，同时获取角度编码器输出的角度数据Ai和多通道时间测量电路的距离数据di-j；
④所述的数据处理模块将所述的角度数据Ai和距离数据di-j转换成直角坐标数据xi-j和yi-j，对扫描镜的一个扫描周期内所有通道的第j层回波数据进行圆弧最小二乘拟合，得出圆弧参数圆心(aj,bj)和半径rj，设置半径判断阈值rT，当第j层数据的拟合半径rj大于rT时，该层的扫描数据为真实测量数据，否则为模糊距离数据。
该发明的优点在于：
1、无需先验知识，即可克服激光高重频和远距离导致的距离模糊。
2、通过曲率半径判决，可实现多层模糊距离三维扫描数据的自动平滑过渡，不会产生多模糊距离区域过渡时的三维坐标数据跳变错误。
3、不增加激光器、接收光学、探测器和放大电路等核心硬件的数量和难度，仅仅增加了数字电路的处理复杂度，对于现有的高集成度数字电路芯片而言，不增加任何硬件成本。
附图说明
图1是本发明机载分频激光三维成像装置的结构示意图；
图2是本发明机载分频激光三维成像装置的分频测量原理示意图；
图中：1——信号发生器，2——信号分频器，3——激光器，4——回波探测器，5——整形器，6——多通道时间测量电路，7——扫描镜，8——角度编码器，9——编码计数电路，10——数据同步采集器，11——数据处理模块。
具体实施方式
下面结合实例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1是本发明机载分频激光三维成像装置的结构示意图，以二分频为例，由图可见，本发明机载分频激光三维成像装置，包括信号发生器1、信号分频器2、激光器3、回波探测器4、整形器5、多通道时间测量电路6、扫描镜7、角度编码器8、编码计数电路9、数据同步采集器10和数据处理模块11，上述元部件的连接关系如下：
所述的信号发生器1产生的周期方波同时输入到所述的信号分频器2和所述的激光器3，所述的信号分频器2将第i路分频信号输入到所述的多通道时间测量电路6的第i个通道的计数开始端启动计数；所述的激光器3输出同频率的激光脉冲输入到所述的扫描镜7，所述的扫描镜7将激光脉冲反射输出，激光的回波经过所述扫描镜7反射输入到所述的回波探测器4，所述的回波探测器4完成光电探测后将与激光回波脉冲同频率的电脉冲信号输出到所述的整形器5，所述的整形器5将电脉冲信号整形成方波同时输出到多通道时间测量电路6的计数终止端用于获取当前计数值；所述的角度编码器8安装在所述的扫描镜7的转动轴上，将转动产生的编码脉冲输入到所述的编码计数电路9，所述的编码计数电路9对编码脉冲进行计数后将计数值输入所述的数据同步采集器10的角度输入端，所述的多通道时间测量电路6一共测量N路信号的时间，并将测量结果输入到所述的数据同步采集器10的距离输入端；所述的数据同步采集器10将距离和角度数据进行时间同步后输入到所述的数据处理模块11，所述的数据处理模块11对单条扫描线的数据使用曲率分析方法提取出真实的测量数据。
请参阅图2，图2是本发明机载分频激光三维成像装置的分频测量原理示意图，以二分频为例，图中：
第一行为信号发生器1产生的周期方波，用于触发激光器输出同频率的激光。第二行为激光器3输出的激光脉冲，该脉冲重复频率与信号发生器1产生的方波频率相同。第三行为回波探测器4接收的激光回波信号，由于激光重频较高导致存在距离模糊，模糊距离d1会被当做真实的距离d2，影响测量的准确性，因此，需要通过分频的方法实现真实距离的解算。第四行是激光回波经过整形器5后输出的回波整形信号。第五行是分频后在多通道时间测量电路6上一通道的信号，其中白色的方波为分频器2输出的第1路分频信号，作为计数开始信号；灰色的方波为整形器5输出的回波信号，作为计数终止信号，通过计数长度同时获取模糊距离d1和真实距离d2。第六行是分频后在多通道时间测量电路6上二通道的信号，其中白色的方波为分频器2输出的第2路分频信号，作为计数开始信号；灰色的方波为整形器5输出的回波信号，作为计数终止信号，通过计数长度同时获取模糊距离d1和真实距离d2。多通道时间测量电路的最终数据输出频率与信号发生器一致，但每个输出数据同时包含模糊距离d1和真实距离d2。第七行是通过对机载激光雷达单条扫描线的坐标拟合，可以发现模糊距离的数据由于距离错误会导致扫描线产生较大的曲率，而真实距离的数据不会出现该情况，可以通过圆弧拟合方法获得曲线的曲率，通过设上限阈值来提取出真实数据。
本实施例采用的主要器件有：
所述的信号发生器1为脉冲信号发生器，输出脉冲重复频率200kHz；
所述的分频器2内部核心是模为N的计数器，每次计数满N时输出时钟信号翻转，将输入的方波信号分成频率更低的N路方波信号，分频输出的每路方波信号频率相同，且分频后的方波信号频率等于输入方波信号频率的1/N。N路方波信号输出通道为2-1～2-N，每个通道输出信号之间的相位差2π/N；
所述的激光器3为波长1550nm的光纤激光器，输出激光脉冲宽度为4ns；
所述的回波探测器4为APD光电探测器，响应光谱范围1100nm～1700nm；
所述的整形器(5)内部核心是电压比较器，采用固定电压阈值比较方法，当输入的信号脉冲幅度超过设定阈值电压时，比较器输出固定宽度的矩形脉冲；
所述的多通道时间测量电路6由N个测量通道6-1～6-N组成，每个计数通道通过记录两个脉冲触发之间的时钟个数来测量两个脉冲的时间间隔。每个计数通道内有一个独立的计数开始输入端，该输入端接收脉冲触发信号后，启动对应通道的内部计数。每个计数通道共用1个计数停止输入端，该输入端每接收一次脉冲触发信号，每个通道会同时输出从开始到当前触发此刻的计数个数，这些计数值乘以时钟周期表示对应通道从开始计数到此刻的时间。最长时间为10us，计数结果交替输入到数据同步采集器10；
所述的扫描镜7为平面镜，安装在转轴上，镜面法线垂直于转轴，转轴沿飞行方向，转轴转动频率20线/s，将激光沿垂直飞行方向扫描。
所述的角度编码器8为光电编码器，角度分辨率10角秒；
所述的编码计数电路9为差分计数电路，通过上升沿和下降沿实现编码计数，最大计数率4MHz；
所述的数据同步采集器10通过数字输入端口同步采集编码器计数和时间测量计数，编码器计数乘以编码器分辨率得到所述扫描镜7扫描角度，所述的多通道时间测量电路6输出时间计数乘以时钟周期得到时间，该时间乘以光速得到距离，最终合成同步的角度和距离数据；
所述的数据处理模块11缓冲单条扫描线的距离和角度数据，将数据转换到直角坐标系后，分别将第1和第2层回波数据对应的扫描线进行圆弧最小二乘拟合，当第2层扫描线拟合的圆弧曲率半径大于阈值时，该层扫描线数据为真实的测量数据。
结合图1、图2，本实施例的机载分频激光三维成像装置的工作过称是：
①本发明所述的机载分频激光三维成像装置安装在飞机或无人机平台上，扫描镜7将激光对地面进行一维扫描，飞机运动形成另一维扫描，激光测量距离实现对地表的第三维测量；
②启动本发明装置，当所述的激光器3发射高重频激光脉冲信号，所述的回波探测器4接收到回波信号，所述的多通道时间测量模块6分别对应N路分频信号，每一路分频信号都有M层回波，其中第i个通道测量第i路分频信号的第j层回波时间ti-j，将时间转换为距离di-j，输入所述的数据同步采集器10；
③所述的数据同步采集器10按照分频信号的上升沿进行时间同步，同时获取角度编码器8输出的角度数据Ai和多通道时间测量电路6的距离数据di-j；
④所述的数据处理模块11将角度数据Ai和距离数据di-j转换成直角坐标数据xi-j和yi-j，对一个扫描镜7扫描周期内所有通道的第j层回波数据进行圆弧最小二乘拟合，得出圆弧参数圆心(aj,bj)和半径rj，设置半径判断阈值rT，当第j层数据的拟合半径rj大于rT时，该层的扫描数据为真实测量数据。

Claims (9)

1.一种机载分频激光三维成像装置，其特征在于：该装置包括信号发生器(1)、信号分频器(2)、激光器(3)、回波探测器(4)、整形器(5)、多通道时间测量电路(6)、扫描镜(7)、角度编码器(8)、编码计数电路(9)、数据同步采集器(10)和数据处理模块(11)；
所述的信号发生器(1)包括第一输出端和第二输出端，第一输出端接所述的激光器(3)的输入端，第二输出端接所述的信号分频器(2)的输入端，所述的信号分频器(2)包括N路输出的分频信号，其中N为大于2的分频数，所述的多通道时间测量电路(6)具有N个时间测量通道，所述的信号分频器(2)的第i路分频信号输出端与所述的多通道时间测量电路(6)相应的第i个时间测量通道的计数开始端相连；所述的信号发生器(1)产生的周期方波同时输入到所述的信号分频器(2)和所述的激光器(3)，所述的激光器(3)将同频率的激光脉冲输入到所述的扫描镜(7)，该扫描镜(7)将激光脉冲发射输出，激光的回波经过所述的扫描镜(7)反射输入到所述的回波探测器(4)，该回波探测器(4)完成光电探测后将与激光回波脉冲同频率的电脉冲信号输出到所述的整形器(5)，该整形器(5)将电脉冲信号整形成方波同时输出到所述的多通道时间测量电路(6)相应的时间测量通道的计数终止端，用于获取当前计数值；所述的角度编码器(8)安装在所述的扫描镜(7)的转动轴上，将转动产生的编码脉冲输入到所述的编码计数电路(9)，所述的编码计数电路(9)对编码脉冲进行角度计数后，将该角度计数值输入所述的数据同步采集器(10)的角度输入端，所述的多通道时间测量电路(6)一共测量N路信号的时间，并将测量的时间转换为相应的距离后输入到所述的数据同步采集器(10)的距离输入端；所述的数据同步采集器(10)将距离数据和角度数据进行时间同步后输入到所述的数据处理模块(11)，所述的数据处理模块(11)对单条扫描线的数据使用曲率分析方法提取出真实的测量数据。
2.根据权利要求1所述的机载分频激光三维成像装置，其特征在于所述的激光器(3)为波长1550nm的光纤激光器。
3.根据权利要求1所述的机载分频激光三维成像装置，其特征在于所述的信号分频器(2)的内部核心是模为N的计数器，每次计数满N时输出时钟信号翻转，将输入的方波信号分成频率更低的N路方波信号，分频输出的每路方波信号频率相同，且分频后的方波信号的频率等于输入方波信号频率的1/N。
4.根据权利要求1所述的机载分频激光三维成像装置，其特征在于所述的整形器(5)内部核心是电压比较器，采用固定电压阈值比较方法，当输入的信号脉冲幅度超过设定阈值电压时，比较器输出固定宽度的矩形脉冲。
5.根据权利要求1所述的机载分频激光三维成像装置，其特征在于所述的扫描镜(7)为平面镜，安装在转轴上，镜面法线垂直于转轴。
6.根据权利要求1所述的机载分频激光三维成像装置，其特征在于所述的编码计数电路(9)采用上升沿和下降沿触发计数方式，对编码器输出的脉冲进行计数。
7.根据权利要求1所述的机载分频激光三维成像装置，其特征在于所述的多通道时间测量电路(6)具有N个独立的计数通道，每个计数通道通过记录两个脉冲触发之间的时钟个数来测量两个脉冲的时间间隔，每个计数通道内有一个独立的计数开始输入端，该输入端接收脉冲触发信号后，启动对应通道的内部计数，每个计数通道共用1个计数停止输入端，该输入端每接收一次脉冲触发信号，每个通道会同时输出从开始到当前触发此刻的计数个数，这些计数值乘以时钟周期表示对应通道从开始计数到此刻的时间。
8.根据权利要求1所述的机载分频激光三维成像装置，其特征在于所述的数据处理模块(11)是嵌入式单板工控机，采用X86构架，安装Windows操作系统，通过USB端口接收测量数据，测量数据包括测量时间和二维角度，测量时间乘以光速表示测量距离，距离和二维角度构成被测目标在激光雷达坐标系中的极坐标数据，工控机内部运行的软件将该极坐标数据转换到直角坐标系后，分别将第j层模糊距离的回波数据对应的第j层扫描线进行圆弧最小二乘拟合，当第j层扫描线拟合的圆弧曲率半径大于阈值时，该层扫描线数据为真实的测量数据，否则为模糊距离数据。
9.利用权利要求1至8任一项所述的机载分频激光三维成像装置进行扫描成像的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
①将机载分频激光三维成像装置安装在飞机或无人机平台上，扫描镜(7)将激光对地面进行一维扫描，飞机运动形成另一维扫描，激光测量距离实现对地表的第三维测量；
②启动本发明装置，所述的激光器(3)通过所述的扫描镜(7)发射高重频激光脉冲信号，所述的回波探测器(4)接收到回波信号，所述的多通道时间测量模块(6)分别对应N路分频信号，每一路分频信号都有M层回波，其中第i个时间测量通道的第i路分频信号的第j层回波时间ti-j，将时间转换为距离di-j，输入所述的数据同步采集器(10)；
③所述的数据同步采集器(10)按照分频信号的上升沿进行时间同步，同时获取角度编码器(8)输出的角度数据Ai和多通道时间测量电路(6)的距离数据di-j；
④所述的数据处理模块(11)将所述的角度数据Ai和距离数据di-j转换成直角坐标数据xi-j和yi-j，对扫描镜(7)的一个扫描周期内所有通道的第j层回波数据进行圆弧最小二乘拟合，得出圆弧参数圆心(aj,bj)和半径rj，设置半径判断阈值rT，当第j层数据的拟合半径rj大于rT时，该层的扫描数据为真实测量数据，否则为模糊距离数据。
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