CN109358339A - 一种基于固态面阵激光雷达的草地高度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于固态面阵激光雷达的草地高度测量方法，可以高精度全面地提取被测草地的相对距离信息和灰度图像，进而提取草地的高度分布，因此使用该测量方法可以实现全面、有效的、高精度的草地高度测量和分布情况获取。

Description

一种基于固态面阵激光雷达的草地高度测量方法

技术领域

本发明属于草地高度测量技术领域，具体涉及一种基于固态面阵激光雷达的草地高度测量方法。

背景技术

草地高度的测量是有效反映草地生长情况的重要指标，可为草原的畜牧能力和生产潜力提供有效信息。

草地高度测量方法通常采用目测法、尺子测量法和传感器测量法，目测法即通过目测估计草地的高度；尺子测量法即人工手持尺子在不同的草地区域进行高度测量；传感器测量法即通过不同的传感器对草地高度进行测量，如通过超声波传感器、测距传感器等对不同的草地区域按照固定的方式进行草地高度测量。

上述测量方法虽然成本较低，但存在以下问题：①主观性较强；②测量要求较高；③测量精度不高；④测量信息单一。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于固态面阵激光雷达的草地高度测量方法，可以解决现有草地高度测量方法测量精度不高、测量信息不全面的问题。

一种基于固态面阵激光雷达的草地高度测量方法，包括如下步骤：

步骤1、固态面阵激光雷达发出850nm的调制光信号，并照射待测草地区域；

步骤2、接收草地的回波信号，固态面阵激光雷达的集成CMOS光电处理芯片的每个像素点按照4个不同相位窗依次接收回波信号，得到4组不同相位的积分电荷Q₁、Q₂、Q₃和Q₄；其中，Q₁、Q₂、Q₃和Q₄分别为相位窗相对于反射的调制光信号的移动相位为0度、180度、90度以及动270度时的积分电荷；

步骤3、计算光信号在集成CMOS光电处理芯片的每个像素点与草地之间往返的相位差 其中∑Q₁、∑Q₂、∑Q₃和∑Q₄分别为积分电荷的多次累积结果；

然后根据每个像素点对应的相位差计算出往返时间t，再根据光速c计算集成CMOS光电处理芯片的每个像素点与草地之间的距离，由此得到固态面阵激光雷达与草地之间的距离图像；

步骤4、所述集成CMOS光电处理芯片根据草地所反射的光能量输出灰度图像；

步骤5、根据步骤3得到的距离图像中查找草地区域中各个像素点对应的距离，将各个像素点对应的距离乘以得到d_i′，其中夹角表示激光雷达中心像素位置与各像素点位置的夹角；在d_i′中寻找最大值d_max；根据所述灰度图像识别草地中有草区域和无草区域，将无草区域中各像素点的距离信息置为d_max；再根据d_i′和d_max得到真实的草地高度d_max-d_i′；根据草地高度绘制被测草地的高度分布直方图。

较佳的，所述调制光信号的调制频率为12MHz。

本发明具有如下有益效果：

基于固态面阵激光雷达进行草地高度测量，可以高精度全面地提取被测草地的相对距离信息和灰度图像，进而提取草地的高度分布，因此使用该测量方法可以实现全面、有效的、高精度的草地高度测量和分布情况获取。

附图说明

图1是本发明一种基于固态面阵激光雷达的草地高度测量方法的流程图。

图2是本发明4个不同相位窗电荷累积积分示意图。

图3是本发明固态面阵激光雷达拍摄的某草地区域灰度图像。

图4是本发明固态面阵激光雷达拍摄的某草地区域距离图像。

图5是本发明根据距离图像和灰度图像绘制的草地高度分布直方图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图1所示为本发明实施过程的流程示意图，本发明的一种基于固态面阵激光雷达的草地高度测量方法，具体包括如下步骤：

步骤1、固态面阵激光雷达的光源驱动模块驱动光源发出850nm的调制光，并照射待测草地；其中，调制光的调制频率为12MHz；

步骤2、接收草地的回波信号，集成CMOS光电处理芯片对回波信号进行多相位窗电荷累积积分，具体为：

图2为本发明4个不同相位窗电荷累积积分示意图，集成CMOS光电处理芯片的每个像素点按照相位窗1-4依次接收经障碍物返回的回波信号，得到4组不同相位的积分电荷。Q₁即相位窗1(相位移动0度)积分电荷，Q₂即相位窗2(相位移动180度)积分电荷，Q₃即相位窗3(相位移动90度)积分电荷，Q₄即相位窗4(相位移动270度)积分电荷。

步骤3、如图4所示，集成CMOS光电处理芯片每个像素点通过这4组积分电荷计算光信号在固态面阵激光雷达与草地之间往返的相位差 其中，∑Q₁、∑Q₂、∑Q₃和∑Q₄分别为积分电荷的多次累积结果。

然后根据每个像素点对应的相位差间接计算出往返时间t，再根据光速c计算集成CMOS光电处理芯片的每个像素点与草地之间的距离，由此得到固态面阵激光雷达与草地之间的距离图像。

步骤4、如图3所示，在850nm调制光的照射下，固态面阵激光雷达的集成CMOS光电处理芯片根据草地所反射的光能量输出灰度图像；

步骤5、如图3、4、5所示，嵌入式信号处理模块根据步骤3得到的距离图像中查找草地区域中各个像素点对应的距离信息d_i(i＝1:320×240)，由于d_i对应的是草地各区域距离激光雷达的距离信息，则将d_i根据激光雷达中心像素位置与其他像素位置的夹角进行转换，即在d_i′中寻找最大值d_max，同时为了提高草地区域中有草区域和无草区域距离测量的准确性，根据草地不同区域的灰度图像区分出有草区域和无草区域，将无草区域中各像素点的距离信息置为d_max；；再根据d_i′和d_max得到真实的草地高度d_max-d_i′，将d_max-d_i′按距离大小分成n份d_j(j＝1:n)，统计d_j的数量N_j，进而得出比重P_j，最后根据d_j和P_j绘制被测草地的高度分布直方图，如图5所示。

其中：

d_max＝max(d_i)

基于固态面阵激光雷达进行草地高度测量，可以高精度地提取被测草地的相对距离信息和灰度图像，进而提取草地的高度分布，因此使用该测量方法可以实现全面、有效的、高精度的草地高度测量和分布情况获取。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于固态面阵激光雷达的草地高度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、固态面阵激光雷达发出850nm的调制光信号，并照射待测草地区域；

步骤2、接收草地的回波信号，固态面阵激光雷达的集成CMOS光电处理芯片的每个像素点按照4个不同相位窗依次接收回波信号，得到4组不同相位的积分电荷Q₁、Q₂、Q₃和Q₄；其中，Q₁、Q₂、Q₃和Q₄分别为相位窗相对于反射的调制光信号的移动相位为0度、180度、90度以及动270度时的积分电荷；

步骤3、计算光信号在集成CMOS光电处理芯片的每个像素点与草地之间往返的相位差 其中∑Q₁、∑Q₂、∑Q₃和∑Q₄分别为积分电荷的多次累积结果；

然后根据每个像素点对应的相位差计算出往返时间t，再根据光速c计算集成CMOS光电处理芯片的每个像素点与草地之间的距离，由此得到固态面阵激光雷达与草地之间的距离图像；

步骤4、所述集成CMOS光电处理芯片根据草地所反射的光能量输出灰度图像；

步骤5、根据步骤3得到的距离图像中查找草地区域中各个像素点对应的距离，将各个像素点对应的距离乘以得到d_i′，其中夹角表示激光雷达中心像素位置与各像素点位置的夹角；在d_i′中寻找最大值d_max；根据所述灰度图像识别草地中有草区域和无草区域，将无草区域中各像素点的距离信息置为d_max；再根据d_i′和d_max得到真实的草地高度d_max-d_i′；根据草地高度绘制被测草地的高度分布直方图。

2.如权利要求1所述的一种基于固态面阵激光雷达的草地高度测量方法，其特征在于，所述调制光信号的调制频率为12MHz。