CN1273841C - 自适应变速扫描激光成像装置 - Google Patents

Abstract

一种自适应变速扫描激光成像装置，用于获取目标三维图像，属于对地观测成像的技术领域。主要应用在基于扫描激光的对地观测地面目标三维成像之中，也可应用于近景目标三维激光成像和断层扫描。其主要由一个闭环回路实现扫描电机带动扫描镜的变速扫描，变速的依据是地面目标的起伏情况。这种闭环回路由电信号、机械转动、激光探测几个环节实现闭环。该闭环回路由四部分组成，分别为光学部件与激光探测部分、可变速步进电机、距离测量和起伏情况预测电路(包括预测算法)、自适应变速驱动信号产生电路，通过它们的有机组合，以及与系统中的其它部分相结合，最终实现自适应变速扫描激光成像。

Description

自适应变速扫描激光成像装置

技术领域：

本发明涉及一种获取目标三维图像的装置，属于对地观测成像的技术领域。主要应用在基于扫描激光的对地观测地面目标三维成像之中，也可应用于近景目标三维激光成像和断层扫描。

背景技术：

对地观测三维成像技术通常采取微波合成孔径雷达(SAR)成像、光学成像、激光成像、立体摄影、成像光谱等为主要手段，并配以GPS定位系统和姿态测量装置来确定飞行平台位置和姿态。

直接利用高亮度、高方向性和相干性的激光对地探测而进行激光直接成像技术，可以构成对地观测激光直接成像三维系统。采用激光作有源照射，不仅仅利用激光测距，还探测激光回波携带的目标反射强度信息，通过探测激光回波脉冲携带的目标距离和反射强度及波形特征信息，可以获得地物目标每个像元高分辨率的距离数据和灰度像。结合GPS和INS可以直接得到地物目标的三维影像信息，而且，其图像和三维坐标是完全匹配的，无需另外的地面控制点。进一步，还可以达到对目标的三维识别与分类，实现高分辨率、高效率、准确、主动、直接地对地面三维成像。激光遥感成像可以获得很高的空间分辨率，无须内插运算即可获得均匀高分辨率的数字高程图，信息处理的效率将比较高。激光遥感成像以激光作有源照射，主动遥感方式较少受环境、气候、目标光照和对比度的影响，可以全天时工作，特别适合于工程应用和军事侦察。随着激光器及其探测技术的日益发展，在这方面的研究与应用必将越来越广泛。

对地观测激光成像由机载激光测高发展而来，有着二三十余年的发展历史，早期实现机下点测高，精度较差。后来发展到机载扫描测高，这是目前发展与应用的主流，也已在这方面进行了一定的研究，并完成了几种试验或应用系统。现在几乎所有的机载激光测高+光谱成像系统或机载直接激光三维成像系统均采取激光光束的扫描探测方式，通过平面转镜、平面摆镜、多面镜等的运动控制激光束的有规律对地扫描并探测激光回波，扫描方式有线性扫描和圆锥扫描等。它们大多以二极管泵浦固体激光器作为脉冲激光辐射源，要求激光器具有很高的脉冲重复率。

在扫描方式下，如果激光器的重复频率足够高，可以实现很高密度的对地面采样，然后通过对激光回波信号的处理而生成地面目标的三维图像，达到对地观测扫描激光成像的目的。

目前的激光重复频率达到数十到一百多千赫兹，地面采样点间隔最小达到1米以下，距离测量分辨率10厘米左右，机载作业高度大多数在数百米，个别的达到2000米以上。典型的系统有美国的GLRS、SHOALS、AOL/ATM、RASCAL和ABS系统，加拿大的LARSEN 500、ALTM 1025系列，德国的TopoSys、ALS40，澳大利亚的LADS和WRELADS II，以及中国国家863计划支持ASLRIS线性和圆锥扫描两套系统。

一般的对地观测扫描激光成像信息获取系统的组成如图1所示，扫描激光成像光机头部3在系统同步信号的控制下，激光器2输出脉冲激光到光机头部3中的扫描镜，同时，扫描电机带动与之同轴的扫描镜转动，该扫描镜将激光器2的输出激光束折转而射向地面目标，地面目标的后向反射激光信号再经过这个扫描反射镜折转向望远镜，从而被位于望远镜焦点上的激光探测器所接收，通过处理后就得到目标的距离等信息和其它信息。这些信息首先送到数据采集与处理电路7，经过处理之后送到数据记录与监视器6中存储和实时监视显示。图中的导航装置1安装于飞机驾驶舱内，用于飞机导航，保证按照相对直线航线飞行。姿态测量陀螺5用来取得光机头部3的姿态，由姿态测量电路10进行姿态测量，姿态测量陀螺5和光机头部3一起硬连接安装于一个基座4上。GPS接收机9和天线13提供光机头部3的空间三维坐标，它的数据以及姿态测量数据、激光测量数据一起由数据采集与处理电路7进行汇总处理。整体驱动电路8提供整个系统的同步时序和各种驱动信号。电源12和电源变换器11通过对工作现场的电源变换给整个系统提供所需各种电源。

通过研究，可以明显看出，上述系统中的扫描激光成像的效果与激光的地面采样间隔有很直接的关系，采样间隔越小，则激光成像效果越好。而地面采样间隔大小(反映地面分辨率的大小)与脉冲激光重复率成反比，与扫描速度和平台的飞行速度成正比。目前，为了减小地面采样间隔，需要提高脉冲激光重复率、降低飞行速度和扫描速度。但是，激光器的脉冲重复率受到各种技术条件的限制而难以达到理想的高水平，传感器平台飞行速度的降低也不现实，所以，从表面上看，需要降低扫描速度，但是，扫描速度的降低表现为在平台运行一定的时间之内，扫描线的数目变少，导致飞行方向的地面采样间隔增大，所以，也是不可取的。那么，通过什么办法可以取得满意的地面采样间隔，一直是扫描激光成像领域需要解决的技术问题。

由奈奎斯特采样定律可以得到，采样结果能够真实反映目标特征的采样速率是其大于目标变化速率的两倍以上。所以，要获得较好的激光成像效果，就要应用恰当的采样速率。过高的采样速率固然可以得到好的效果，但是会造成浪费，有时也难于实现。过低的采样速率会丢失目标的三维特征信息。所以，通过对地面目标的起伏情况的预测处理，实时调整采样速率会在资源有限的情况下，获得较好的激光成像效果。在激光重复率一定、飞行速度一定的前提下，自适应改变扫描速率将是获得较好三维成像效果最有效途径。

发明内容：

从上所述，在对地观测扫描激光成像中，如何对地面目标起伏情况不同的地面分别以不同的激光扫描速率进行采样，使在起伏频繁的地面多作采样、在较平坦地面少作采样是本发明所要解决的技术问题。因此，发明的目的在于提供一种自适应变速扫描激光成像的装置，以便实现非均匀的地面采样，以弥补目前扫描激光成像中等速采样的缺陷，达到获取地面目标最佳激光成像效果的目的。

本发明是这样实现的：在一般对地观测扫描激光成像信息获取系统中，重新设计光机头部，使之构成本发明的自适应变速扫描激光成像装置。常规系统的扫描激光对地面的采样是匀速进行的，通过光机头部中的扫描电机带动扫描镜以一定速度的旋转而实现。在本发明中，扫描电机以步进电机代替，它的转动速度是随时可调的，也就是可实时变速扫描。变速扫描的控制信号来自于自适应变速驱动信号产生电路，该变速驱动信号受距离测量和起伏情况预测电路给出的地面起伏情况预测结果的控制。因此，本发明的特点就是：由一个闭环回路实现扫描镜的变速扫描，这种闭环回路由电信号、机械转动、激光探测几个环节实现闭环。该闭环回路由四部分组成，分别为光学部件与激光探测部分(多个部件)、可变速步进电机、距离测量和起伏情况预测电路(包括预测算法)、自适应变速驱动信号产生电路，通过它们的有机组合，以及与系统中的其它部分相结合，最终实现自适应变速扫描激光成像。

本发明与已有技术相比，具有突出的实质性特点和显著进步，本发明使用步进电机取代已有的扫描电机，由速率可控扫描步进电机带动与之同轴的扫描镜转动，该扫描镜将激光器的输出激光束折转而射向地面目标，地面目标的后向反射激光信号再经过这个扫描反射镜折转向望远镜，从而被位于望远镜焦点上的激光探测器所接收，通过处理后就得到目标的距离等信息；将一个时刻以前的若干个这样的距离信息进行处理，可以作出对未来地面目标起伏情况的预测，该预测结果就作为一个扫描行的后续点或下一扫描行的扫描速率的控制参数；通过该参数的闭环控制，步进电机的转动速率将进行调整，实现变速转动，由一个闭环回路实现扫描镜的变速扫描，并最终实现自适应变速扫描激光成像，使得在激光重复率不变的情况下，对地面起伏较大区域进行密集采样，对地面起伏较小的区域快速扫过，其等效的扫描速率不会有较大变化，但实际的三维激光成像效果得到了明显的改善。

附图说明：

图1是现有的扫描激光成像信息获取系统组成框图。

图2是本发明的扫描激光成像光机头部结构示意图。

图3是本发明的光机头部中的距离测量和起伏情况预测电路框图。

图4是本发明图3中预测计算电路采用的预测处理程序的流程图。

图5是本发明的图4中之预测算法中地面采样当前点与其之前的m和n点的关系示意图。

图6是本发明的光机头部中的自适应变速驱动信号产生电路。

具体实施方式：

下面根据图2～图6给出本发明一个较好实施例。请参阅图2所示，本发明中的光机头部3置于图1所示的系统之中，与其它部件一起构成扫描激光成像信息获取系统，它安装在飞行平台的安装基座4上。

如图2所示，光机头部3接收激光器2发射的激光束，并由其一分束片32分成取样激光束和探测激光束。其中，该取样激光束经激光发射取样器33的输出端331输出发射激光取样脉冲信号至距离测量和起伏情况预测电路38的一个输入端；而该探测激光束则经由依次以光路连接的激光准直镜34、立方棱镜35、扫描地面目标14的扫描镜36、望远镜37之主镜371、望远镜37之次镜372、和位于望远镜37的焦点上的激光探测器373后形成地面目标14的后向反射激光信号而输入激光回波探测与处理电路37’，再由其输出端371’向该距离测量和起伏情况预测电路38的另一输入端馈入激光回波脉冲信号，之后，由该距离测量和起伏情况预测电路38向自适应变速驱动信号产生电路39馈入8bits速率变化指数信号，最后由其向可变速扫描步进电机31提供驱动信号，使之与其成同轴联结的扫描镜36自适应变速扫描，实现系统的自适应变速扫描激光成像。图2中，还可看到，距离测量和起伏情况预测电路38的输入端还连接一人工干预信息输入部件38’，以及有一个同步编码器30与该可变速扫描步进电机31连接。

再概括地说，变速扫描步进电机31是本发明中的执行部件，是自适应变速扫描的执行机构，它带动与之同轴的扫描镜36转动，可以选择通常的步进电机来实现。它带负载能力的选择由扫描镜的转动惯量和启动力矩决定；其转动速率的选择由对地面的激光扫描速度决定；步进间隔的选择由系统对最小扫描取样间隔的要求来决定。例如，若要求扫描速度为每秒60行，扫描取样间隔要求为0.63mrad，则要求步进电机最小步进间隔为0.63mrad(0.036°)，扫描电机转速为60转/秒，此时要求提供驱动脉冲的频率为600kHz。改变扫描速率就是改变驱动脉冲的频率，对该步进电机31施加变频驱动信号就可以实现变速扫描，该变频驱动信号由本发明所涉及的自适应变速驱动信号产生电路39提供。

距离测量和起伏情况预测电路框图见图3。首先，由主波脉冲变换电路381和回波脉冲变换电路382分别对激光发射取样器33和激光回波探测与处理电路37’送来的脉冲进行电平和相位变换，然后，它们一起进入距离门生成电路383生成距离波门，该波门信号送到距离测量电路385中。在距离测量电路385中，由时钟振荡器384输入的250MHz振荡脉冲信号对该波门宽度进行计数测量，同时，利用累计积分方法作更精密测量，其共同测量结果就是发射主波和激光回波之间的时间延迟，可以换算成目标的距离。该距离数据要送到距离数据缓存器386中，该缓存器386是RAM存储器，缓存当前采样点以前的若干扫描行的所有数据，其数量多少应该满足预测处理电路的数量要求。与此同时，预测处理单片机387在程序控制下，调用前若干距离数据进行处理，通过对以前各距离数据推算出地面的起伏状况，然后预测后面的地面起伏情况，进而给出下一步的扫描速率变化指数，送到图2中的自适应变速驱动信号产生电路39。速率变化指数为8位二进制数，这时可以将速率变化分为256档。

预测处理电路由数字信号处理单片机(TMS320C30-DSP)387实现。预测程序100流程图如图4所示，其数据来源是距离数据缓存器406。基本方法为：选取当前时刻之前的本扫描行的m点距离数据(步骤101)、当前时刻所在列(沿轨方向)以前n点的距离数据(步骤102)，这两部分数据对应的地面点成十字形排列，交叉于当前点，基本反映着当前点周围的地面起伏状况。再计算出此前的地面起伏状况(步骤103)，地面起伏状况就是地面高度起伏的空间频率和幅度。通过对它们进行线性预测运算(步骤107)，可以推知当前取样点周围的地面起伏情况。然后，给出一个地面起伏情况的变化指数，该指数将作为变速控制信号速率调整的依据，送到自适应变速驱动信号产生电路。那么，本行的后续点和后续扫描行的同一列的比邻点的取样扫描速率就会按照预测的结果得到控制。在预测过程中，为了控制预测精度，很重要的一点是需要计算上次预测结果和已经测量得到的结果之间的误差(步骤108，104，105)，生成样本点数控制字m和n，作为当前选择预测样本点个数的依据(步骤106)。预测样本点个数就是扫描内行当前点之前的地面点距离数据的个数m和当前点所在列中此前的地面点距离数据的数目n，m和n影响着预测误差。预测算法的当前点与其之前的m和n点的关系如图5所示。

自适应变速驱动信号产生电路39的组成见图6。它接受距离测量和起伏情况预测电路38送来的8bits速率变化指数数据，送到速率变化指数锁存器390锁存。该数据加到可预置计数分频器392的预置端，以此改变对振荡电路391的输出信号频率的分频比。由于分频比的改变以1-256的整数规律变化，分频输出的变频间隔成倍数变化，所以，需要运用一个变频信号合成电路393将分频后的信号与未分频的信号按照一定规律进行合成，使得频率变化按照等差规律进行。因而，变频信号合成电路393的输出脉冲频率可以等间隔变化，该输出信号经过多相信号生成电路394之后，输出若干个(依步进电机31要求而定)不同相位的变频信号到变频驱动放大电路395。该电路395将信号进行功率放大之后提高其驱动能力而送给步进电机31。由于步进电机31的驱动信号是脉冲串，它的脉冲间隔大小决定着转动速率，所以，用于驱动步进电机的驱动信号频率控制电路的关键就是完全实时地改变脉冲间隔。该电路由可预置分频比的分频电路实现，分频比就是前级送来的速率变化指数。由于振荡电路输出的脉冲串频率较高，约为电机31实际所需频率的数十倍，其时间间隔比步进电机31驱动信号的最小间隔小很多倍。这时，速率变化指数送来之后，就可以立即改变驱动信号频率控制电路当前输出脉冲与上一个脉冲之间的时间间隔，输出变速控制信号。

Claims (4)

1、一种自适应变速扫描激光成像装置，包括安装在飞行平台的安装基座上的光机头部(3)，其含有一将激光器(2)发射入光机头部(3)的激光束分成取样激光束和探测激光束的分束片(32)，该取样激光束经一激光发射取样器(33)后形成发射激光取样脉冲信号；该探测激光束经由依次以光路连接的激光准直镜(34)、立方棱镜(35)、扫描地面目标(14)的扫描镜(36)后投射向地面目标，然后经地面目标反射后再经扫描镜(36)和望远镜(37)后形成地面目标(14)的后向反射激光信号，再经一激光回波探测与处理电路(37’)输出回波脉冲信号；其特征在于：

a.还有一与该扫描地面目标(14)的扫描镜(36)成同轴联结的一可变速扫描步进电机(31)；

b.设有一接收所述的发射激光取样脉冲信号和回波脉冲信号的距离测量和起伏情况预测电路(38)，其输出速率变化指数信号，最后经一自适应变速驱动信号产生电路(39)与该可变速扫描步进电机(31)以电——机联结而形成一个由电信号、机械转动和激光探测三环节实现闭环的回路结构。

2、根据权利要求1所述的自适应变速扫描激光成像装置，其特征在于所述的距离测量和起伏情况预测电路(38)包括分别接受所述发射激光取样脉冲信号和回波脉冲信号的主波脉冲变换电路(381)和回波脉冲变换电路(382)，以及连接所述的主脉冲变换电路(381)的输出端和回波脉冲变换电路(382)的输出端并生成距离门信号的一距离门生成电路(383)；该距离门生成电路(383)和一时钟振荡器(384)均与一距离测量电路(385)相连接而输出地面目标(14)距离数据信号，该距离数据信号送入一依次以电路联结并成形闭环电路结构的一距离数据缓存器(386)、运行预测程序(100)的预测处理单片机(387)和一地址控制器(388)，并由该预测处理单片机(38)输出速率变化指数信号。

3、根据权利要求1或2所述的自适应变速扫描激光成像装置，其特征在于所说速率变化指数信号，其长度为8bits。

4、根据权利要求1所述的自适应变速扫描激光成像装置，其特征在于所说的自适应变速驱动信号产生电路(39)包括接受来自所述距离测量和起伏情况预测电路(38)输出的速率变化指数信号的一速率变化指数锁存器(390)，该锁存器(390)与一振荡电路(391)分别连接一可预置计数分频器(392)的预置端和时钟信号输入端，该可预置计数分频器(392)的输出端依次以电路连接一变频信号合成电路(393)、一多相信号生成电路(394)和一变频驱动放大电路(395)，该振荡电路(391)还连接该变频信号合成电路(393)。

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