CN1595197A - 智能自适应激光扫描测距成像装置 - Google Patents

Abstract

一种智能自适应激光扫描测距成像装置，该装置采用高速数据采集电路分析数据采集和主控板的预测算法，对激光器出射能量和出射频率进行控制，该装置能实现非均匀和变激光出射功率的地面采样，弥补了现有扫描激光成像中等速、均匀激光出射功率，成像效果不佳的采样缺陷，从而达到获取地面目标最佳激光测距成像效果。

Description

智能自适应激光扫描测距成像装置

技术领域

本发明涉及激光扫描测距成像系统，特别是指一种智能自适应激光扫描测距成像装置。

背景技术

利用高亮度，高相干性，高方向性的激光对目标探测的直接成像技术，可以构成对地观测或地面景物的激光直接成像三维系统。利用激光做为主动光源，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。通过探测激光回波数字脉冲和模拟波形，可以得到目标距离和反射强度信息，从而得到地面目标每个像元高分辨率的距离数据和灰度象。对地观测扫描测距成像系统是由机载激光测高技术发展而来的，早期实现机下点测高，精度较差。后来发展到机载扫描测高成像系统，是目前的主流系统，最新的发展方向是推帚式并行测高成像系统。该两类系统大多采用以二级管泵浦固体激光器作为脉冲激光辐射源，后者较前者对于激光器重复频率的要求大大降低。

激光测距的效果与激光的地面采样间隔很有关系，采样间隔越小，测距的效果越好。而地面采样间隔大小(代表地面分辨率的大小)与脉冲激光重复频率成反比，与扫描速度和平台的飞行速度成正比。最理想的效果是符合速高比脚印间又不产生重叠。为了减小地面采样间隔，只有提高脉冲重复频率，或降低飞行速度和扫描速度。由于机载激光器制造工艺和工作环境的限制，重复频率不能达到理想的情况，同样降低飞行速度从现实的角度上看也不可能。那么如何取得满意的地面采样间隔，成为目前需要解决的问题之一。

激光成像技术是利用激光回波的能量得到地面该点的出射激光波段的反射率。由于这种方法不受日照影响，是目前主动遥感研究的前沿课题。但是由于放大电路的信噪比的关系，回波探测电路往往在低反射率的情况下，不能检测到回波信号，而在高反射率的情况下，回波信号又过饱和。因此目前这些系统成像能力都不尽人意。同时当大气状况发生变化的时候，系统的成像效果不佳，如何才能使得系统对各种不同的地物都有良好的成像能力，是另一需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的问题，提供一种智能自适应激光扫描测距成像装置，该装置应能实现非均匀和变激光出射功率的地面采样，弥补现有扫描激光成像中等速、均匀激光出射功率，成像效果不佳的采样缺陷，从而达到获取地面目标最佳激光测距成像效果。

本发明的技术解决方案如下：

一种智能自适应激光扫描测距成像装置，包括发射接收同轴光学系统、激光器和同步扫描机构，该激光器经发射接收同轴光学系统发射激光，该激光主波信号由主波光电探测电路检测，该主波光电探测电路经主波信号处理电路接距离测量模块，目标反射的激光回波通过发射接收同轴光学系统由回波APD探测器检测，该回波APD探测器接回波信号处理器，该回波信号处理器的输出端一方面接距离测量模块，另一方面经回波峰值采样电路接计算机，所述距离测量模块与计算机直接相连，其特点是：

①.还有主控板，该主控板设有数据处理模块、出射功率和触发频率控制模块，所述回波峰值采样电路和距离测量模块与该主控板的数据处理模块相连，所述主控板的出射功率和触发频率控制模块同时与激光器和同步扫描机构步进电机驱动端相连；

②.所述主波信号处理器还通过主波峰值采样电路与计算机相连。

所述的激光器为脉冲固体激光器。

所述的主波光电探测电路采用光电二级管或者雪崩二级管做为光电转换器件。

利用所述智能自适应激光扫描测距成像装置测距成像的方法，其特点是所述主控板的数据处理模块的工作过程如下：

①.选择合适的N数值或固定设置的N(大于1的自然数)

②.高程数据和回波峰值初始化；

③.读入当前高程数据L_N，按时间顺序将高程数据列队，形成高程队列：L＝{L₁、L₂……L_N}；

计算差值队列：ΔL＝{L₂-L₁，L₃-L₂，……L_N-L_N-1}；

求修正参数X： $X={\mathrm{\Σ}}_1^{N-1}\mathrm{\ΔL};$

④.根据修正参数X和频率控制策略选择，计算触发频率修改值F₁；

⑤.当F₁≤F₂，则选定激光器的触发频率f_K＝F₁，

当F₁＞F₂时，则选定激光器的触发频率f_k＝F₂；

其中：F₂为激光器上限频率；

⑥.读取回波峰值A₁、A₂……A_N，计算回波峰值平均值：

$A_{\mathrm{AV}}={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{A}_i/N;$

⑦.根据A_AV偏离AD变换器的最佳响应范围和激光功率控制策略，计算功率修改值W_X；

⑧.设W_下、W_上分别为激光器功率上、下限，当W_下＜W_X＜W_上，选定激光器(2)出射功率控制值W_K＝W_X，当W_上＜W_X时则W_K＝W_上；当W_X＜W_下时，W_K＝W_下；

⑨.主板通过出射功率和触发频率控制模块同时向激光器和同步扫描机构步进电机驱动端输出W_K和f_K，控制激光器和同步扫描机构步进电机的工作。

所述主控板的数据处理模块的预测算法如下：

①根据所观测的地形，平原/城市或丘陵或山地，选择不同的频率修改值(Δf₁，Δf₂，Δf₃)，根据所观测目标物的特性选择出射能量修改值(ΔP₁，ΔP₂，ΔP₃)

②根据所述修正参数X，选择频率：

当X≥T_uf时，

$n=\left(\frac{X-T_{\mathrm{uf}}}{A}\right)\mathrm{ceil}$

           F₁＝F₀+n×Δf

当X＜T_df时

$n=\left(\frac{T_{\mathrm{df}}-X}{A}\right)\mathrm{ceil}$

           F₁＝F₀-n×Δf

           (T_uf＞T_df)

其中：T_uf为频率修正设定的上限值，T_df为频率修正设定的下限值，F₁为触发频率修改值，F₀为触发频率原值，Δf为预设的频率修改值，A为细分系数，n为频率修正参数，是修正参数和限值差的绝对值除以细分系数的上取整。

③.根据修正参数A_AV，选择激光器的出射功率控制值W_x：

当A_AV≥T_uP时，

$m=\left(\frac{A_{\mathrm{AV}}-T_{\mathrm{uP}}}{B}\right)\mathrm{ceil}$

W_x＝W-m×ΔP

当A_AV＜T_dP时，W_x为出射功率控制值

$m=\left(\frac{T_{\mathrm{dP}}-A_{\mathrm{AV}}}{B}\right)\mathrm{ceil}$

    W_x＝W+m×ΔP

其中：T_uP为设定的回波峰值功率修W_x为出射功率控制值正上限值，T_dP为设定的回波峰值功率修正下限值，W_x为出射功率控制值，W为出射功率原值，ΔP为预设的出射能量修改值，B为细分系数，m为频率修正参数，是能量修正参数和阈值差的绝对值除以细分系数的上取整。

所述的计算机对数据的后处理过程：

①.将主波峰值采样电路采样数据的AD变化值和回波峰值采样电路采样数据的AD变化值对准；

②.根据定标数据和主波峰值采样电路采样的AD变化数据，求激光出射功率W_t。

③.根据下列测距方程反演计算出目标物的表面反射率ρ_tar：

$R^2=\frac{W_t}{{\mathrm{\τ}}_p}\·{\mathrm{\τ}}_t\·{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{tar}}\·\cos \mathrm{\α}\·{\mathrm{\τ}}_a^2{\·\mathrm{\τ}}_r{\·\mathrm{\τ}}_f\·\frac{A_r}{2\mathrm{\π}}\·\frac{1}{P_r}$

式中，W_t为发射激光的能量，τ_p为激光的脉宽，τ_t为发射光学系统透过率，τ_α ²为大气的双程透过率，τ_r为接收光学系统的透过率，ρ_tar为目标物的表面反射率，A_r为接收系统的有效接收口径，P_r为系统的探测得功率，对应于回波峰值AD变换值，τ_f为在回波探测器前滤光片的透过率，R为距离测量值。

本发明的技术效果：

1、在原有对地观测扫描型激光测距成像的常规系统的扫描激光对地面的采样是均匀进行的，光机扫描系统中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实现。在本发明中，以步进电机作为扫描电机，以实现变速扫描，变速扫描的控制信号来自适应变速驱动信号产生电路，该变速驱动信号受到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。而在推帚式系统中，则仅仅需要采用变外触发信号控制激光器的出射频率即可，不需要相应的控制扫描电机的电路；

2、对激光器控制电路进行改造，使之可以控制激光出射功率，在本发明中，变出射功率扫描的控制信号来自于自适应变出射功率驱动电路，该电路由主控板控制数字可调电阻与固定值电阻组成的分压电路构成，其功能是根据回波峰值预测算法的结果输出一个与出射功率成正比的电压信号；

3、对主波系统进行改造，将原有的仅产生数字主波的电路改成同时记录主波能量的电路。主波信号经过峰值采样以后，进行模数转换，模数转换后得到的数据值送入送入计算机进行保存，在反演图像时用。

附图说明

图1是现有激光扫描测距成像装置的结构框图

图2是本发明智能自适应激光扫描测距成像装置的结构框图

图3为本发明装置主控板的预测工作流程图。

具体实施方式

先请参阅图2，图2是本发明智能自适应激光扫描测距成像装置的结构框图，由图可见，本发明智能自适应激光扫描测距成像装置，包括发射接收同轴光学系统1、激光器2和同步扫描机构12，该激光器2经发射接收同轴光学系统1发射激光，该激光主波信号由主波光电探测电路7检测，该主波光电探测电路7经主波信号处理电路8接距离测量模块10，目标反射的激光回波通过发射接收同轴光学系统1由回波光电探测器4检测，该回波光电探测器4接回波信号处理器5，该回波信号处理器5的输出端一方面接距离测量模块10，另一方面经回波峰值采样电路6接计算机11，所述距离测量模块10与计算机11直接相连，其特征在于：

①.还有主控板3，该主控板3设有数据处理模块31、出射功率和触发频率控制模块32，所述回波峰值采样电路6和距离测量模块10与该主控板3的数据处理模块31相连，所述主控板3的出射功率和触发频率控制模块32分别激光器2和同步扫描机构12相连；

②.所述主波信号处理器8还通过主波峰值采样电路9与计算机11相连。

本发明装置的工作过程如下：

1、由主控板3向激光器2发出外触发信号，激光器2通过发射接收同轴光学系统1发射激光，激光主波信号，由光电二极管探测电路7检测后，经过主波信号处理电路8处理后，生成数字主波，分成两路，一路送入时间分辨率达到120ps的距离测量模块10启动计数。一路送入主波峰值采样电路9采样并进行模数变换，得到主波峰值采样数据，送入计算机11保存。

2、发射的激光经过地面反射的回波，由发射接收同轴光学系统1的接收光学系统接收后，回波光电探测器4探测，经回波信号处理电路8处理后，也分成两路，一路将生成的数字回波，送入距离测量模块10，停止计数，从主波启动计数到回波停止计数的时间即为激光的飞行时间Δt，从而得到飞行平台到地面测距点的距离h＝C·Δt，将该距离值h一方面送入计算机11保存，同时送主控板3进行地面高程起伏情况的预测计算。一路送入回波峰值采样电路6进行采样并进行模数变换，得到回波峰值采用数据，分别送入计算机11保存和主控板3进行地面回波峰值起伏情况预测计算。

3、主控板根据测距数据和回波峰值数据，结合预测算法，预测出地面的高程变化趋势和回波峰值变化趋势。根据高程变化预测结果，控制激光器2的触发频率和同步扫描机构12。根据回波峰值变化预测结果，控制激光器2的工作电压，以达到控制激光输出功率的效果。

4、根据测量的数字主波峰值、相应时刻的数字回波峰值和距离测量值，根据测距公式(1)，反演出相应目标的反射率R。

$R^2=\frac{W_t}{{\mathrm{\τ}}_p}\·{\mathrm{\τ}}_t\·{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{tar}}\·\cos \mathrm{\α}\·{\mathrm{\τ}}_a^2{\·\mathrm{\τ}}_r\·{\mathrm{\τ}}_f\·\frac{A_r}{2\mathrm{\π}}\·\frac{1}{P_{r\min }}--\left(1\right)$

式中，W_t为发射激光的能量，τ_p为激光的脉宽，τ_t为发射光学系统透过率，τ_α ²为大气的双程透过率，τ_r为接收光学系统的透过率，ρ_tar为目标物的表面反射率，A_r为接收系统的有效接收口径，P_rmin为待测系统的最小可探测功率，τ_f为在回波探测器前滤光片的透过率，R为距离测量值。为了达到绝对反射率的测定，我们要对W_t和主波峰值采样数据进行定标，故主波峰值采样数据和回波峰值采样数据都要送到计算机11进行处理。

本发明装置的主控板3的预测工作流程如图3所示：

在开始工作后先进行数据初始化，读入当前高程数据L_N，组成高程队列，将高程队列(飞行高度或者目标距离值)进行队列差值计算，将计算的差值距离队列求和后得到修正参数X

高程队列：L＝{L₁，L₂...L_N}

距离差值队列：

求修正参数X： $X={\mathrm{\Σ}}_1^{N-1}\mathrm{\ΔL}$

根据修正参数X和频率控制策略(平原/城市，丘陵，山地)，计算频率修改值。然后判断修改后的频率值是否满足激光器工作的上限频率，如果超过上限频率，则将频率修改值固定为激光器的上限频率。

读入当前回波峰值A_N，组成回波峰值队列A，计算回波峰值队列的平均值A_AV，判断A_AV是否落在AD变化的最佳范围之内，如果不是则根据功率控制策略(强/中/弱)，计算功率修改值，判断修改后的出射功率是否满足激光器工作是极限功率(上限和下限)。如果超过极限，将出射功率修改值固定为激光器的极限出射功率。

回波峰值队列：A＝{A₁，A₂...A_N}

回波峰值平均值： $A_{\mathrm{AV}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i}{N}$

最后执行频率、出射功率控制量，并修改高程和回波峰值队列，为下一次控制做准备。

这一部分的工作也可以由计算机11来完成。

本发明与已有技术相比，具有明显的实用针对性和显著进步，出射激光通过扫描镜的折转或者分束机构射向地面目标，地面目标的后向反射激光信号在经过这个扫描反射镜折转回望远镜，从而被位于望远镜焦面上的探测器接收，经过处理后可以得到目标的距离和反射率信息。通过对这个时刻和以前若干个这样的距离信息进行处理，可以做出对未来地面目标起伏情况的预测。该预测结果就可以被用作后续点或者下一个扫描行的控制参数。通过该参数的闭环控制，电机的转动速率得到调整，实现变速扫描。通过对这个时刻和以前若干个这样的回波峰值信息进行处理，可以做出对未来地面目标反射率变化情况的预测。该预测结果被用作后续点或者下一扫描行激光出射能量控制参数。通过该参数控制激光出射能量或衰减片的衰减系数，以使得回波能量能够落在回波电路的最佳范围之内。同时采用主波峰值采用记录控制参数。最终实现智能自适应变速变能量扫描测距成像。使得在激光重复频率不变的情况下，对地面起伏较大的区域进行密集采样，实际的测距效果得到明显的改善。同时深入挖掘激光器成像的能力，对于地面反射率起伏较大的区域，采用变化输出功率的激光器做为主动光源，使得对不同地物成像能力明显提高。

Claims (6)

1、一种智能自适应激光扫描测距成像装置，包括发射接收同轴光学系统(1)、激光器(2)和同步扫描机构(12)，该激光器(2)经发射接收同轴光学系统(1)发射激光，该激光主波信号由主波光电探测电路(7)检测，该主波光电探测电路(7)经主波信号处理电路(8)接距离测量模块(10)，目标反射的激光回波通过发射接收同轴光学系统(1)由回波APD探测器(4)检测，该回波APD探测器(4)接回波信号处理器(5)，该回波信号处理器(5)的输出端一方面接距离测量模块(10)，另一方面经回波峰值采样电路(6)接计算机(11)，所述距离测量模块(10)与计算机(11)直接相连，其特征在于：

①.还有主控板(3)，该主控板(3)设有数据处理模块(31)、出射功率和触发频率控制模块(32)，所述回波峰值采样电路(6)和距离测量模块(10)与该主控板(3)的数据处理模块(31)相连，所述主控板(3)的出射功率和触发频率控制模块(32)同时与激光器(2)和同步扫描机构(12)步进电机驱动端相连；

②.所述主波信号处理器(8)还通过主波峰值采样电路(9)与计算机(11)相连。

2、根据权利要求1所述智能自适应激光扫描测距成像装置，其特征在于所述的激光器(1)为脉冲固体激光器。

3、根据权利要求1所述智能自适应激光扫描测距成像装置，其特征在于所述的主波光电探测电路(7)采用光电二级管或者雪崩二级管做为光电转换器件。

4、利用权利要求1所述智能自适应激光扫描测距成像装置测距成像的方法，其特征在于所述主控板(3)的数据处理模块(31)的工作过程如下：

①.选择合适的N数值或固定设置的N(大于1的自然数)

②.高程数据和回波峰值初始化；

③.读入当前高程数据L_N，按时间顺序将高程数据列队，形成高程队列：L＝{L₁、L₂……L_N}；

计算差值队列：ΔL＝{L₂-L₁，L₃-L₂，……L_N-L_N-1}；

求修正参数X： $X={\mathrm{\Σ}}_1^{N-1}\mathrm{\ΔL};$

④.根据修正参数X和频率控制策略选择，计算触发频率修改值F₁；

⑤.当F₁≤F₂，则选定激光器的触发频率f_K＝F₁，

当F₁＞F₂时，则选定激光器的触发频率f_k＝F₂；

其中：F₂为激光器上限频率；

⑥.读取回波峰值A₁、A₂……A_N，计算回波峰值平均值：

$A_{\mathrm{AV}}={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{A}_i/N;$

⑦.根据A_AV偏离AD变换器的最佳响应范围和激光功率控制策略，计算功率修改值W_X；

⑧.设W_下、W_上分别为激光器功率上、下限，当W_下＜W_X＜W_上，选定激光器(2)出射功率控制值W_K＝W_X，当W_上＜W_X时则W_K＝W_上；当W_X＜W_下时，W_K＝W_下；

⑨.主板(3)通过出射功率和触发频率控制模块(32)同时向激光器(2)和同步扫描机构(12)步进电机驱动端输出W_K和f_K，控制激光器(2)和同步扫描机构(12)步进电机的工作。

5、根据权利要求4所述的测距成像方法，其特征在于所述主控板(3)的数据处理模块(31)的预测算法如下：

①根据所观测的地形，平原/城市或丘陵或山地，选择不同的频率修改值(Δf₁，Δf₂，Δf₃)，根据所观测目标物的特性选择出射能量修改值(ΔP₁，ΔP₂，ΔP₃)

②根据所述修正参数X，选择频率：

当X≥T_uf时，

$n={\left(\frac{X-T_{\mathrm{uf}}}{A}\right)}_{\mathrm{ceil}}$

                 F₁＝F₀+n×Δ_f

当X＜T_df时

$n={\left(\frac{T_{\mathrm{df}}-X}{A}\right)}_{\mathrm{ceil}}$

                 F₁＝F₀-n×Δf

                 (T_uf＞T_df)

其中：T_uf为频率修正设定的上限值，T_df为频率修正设定的下限值，F₁为触发频率修改值，F₀为触发频率原值，Δf为预设的频率修改值，A为细分系数，n为频率修正参数，是修正参数和限值差的绝对值除以细分系数的上取整。

③.根据修正参数A_AV，选择激光器(1)的出射功率控制值W_X：

当A_AV≥T_uP时，

$m={\left(\frac{A_{\mathrm{AV}}-T_{\mathrm{uP}}}{B}\right)}_{\mathrm{ceil}}$

W_X＝W-m×ΔP

当A_AV＜T_dP时，W_X为出射功率控制值

$m={\left(\frac{T_{\mathrm{dP}}-A_{\mathrm{AV}}}{B}\right)}_{\mathrm{ceil}}$

W_X＝W+m×ΔP

其中：T_uP为设定的回波峰值功率修W_X为出射功率控制值正上限值，T_dP为设定的回波峰值功率修正下限值，W_X为出射功率控制值，W为出射功率原值，ΔP为预设的出射能量修改值，B为细分系数，m为频率修正参数，是能量修正参数和阈值差的绝对值除以细分系数的上取整。

6、根据权利要求4或5所述的测距成像方法，其特征在于所述的计算机(11)对数据的后处理过程：

①.将主波峰值采样电路(9)采样数据的AD变化值和回波峰值采样电路

(6)采样数据的AD变化值对准；

②.根据定标数据和主波峰值采样电路(9)采样的AD变化数据，求激光出射功率W_t。

③.根据下列测距方程反演计算出目标物的表面反射率ρ_tar：

$R^2=\frac{W_t}{{\mathrm{\τ}}_P}\·{\mathrm{\τ}}_t\·{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{tar}}\·\cos \mathrm{\α}\·{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\α}}^2\·{\mathrm{\τ}}_r\·{\mathrm{\τ}}_f\·\frac{A_r}{2\mathrm{\π}}\·\frac{1}{P_r}$

式中，W_t为发射激光的能量，τ_p为激光的脉宽，τ_t为发射光学系统透过率，τ_a ²为大气的双程透过率，τ_r为接收光学系统的透过率，ρ_tar为目标物的表面反射率，A_r为接收系统的有效接收口径，P_r为系统的探测得功率，对应于回波峰值AD变换值，τ_f为在回波探测器前滤光片的透过率，R为距离测量值。

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