改善的激光扫描的装置和方法制造方法及图纸

所公开的实施例包括从机载或基于地面的平台使用激光器来扫描地面或目标的装置和方法。在某些实施例中，所述装置和方法产生地形的3D标高模型。在一些实施例中，所述装置包括脉冲激光器、用以检测和放大被地面上的物体（或地面自身）反射后的脉冲的接收器、以及测量光脉冲的飞行时间（根据其计算出与目标的斜程距）的电子设备。所公开的实施例的技术优点包括避免盲区以确保不浪费激光发射。在针对机载应用的某些实施例中，所述装置还可以被配置成独立于飞行器高程或地面地形标高而维持恒定的测线束宽度或恒定的光斑间距。

Improved laser scanning devices and methods

The disclosed embodiments include devices and methods of using lasers to scan ground or targets from an airborne or ground based platform. In some embodiments, the device and method produce a 3D elevation model of the terrain. In some embodiments, the apparatus includes a pulse laser, is used to detect and amplify the objects on the ground (or ground itself) receiver, pulse reflection and time-of-flight measurement of optical pulse (according to the calculated slant and target distance) of electronic equipment. The technical advantages of the disclosed embodiments include avoiding blind areas to ensure that laser emission is not wasted. In some embodiments of airborne applications, the device can also be configured to maintain constant line width or constant spot spacing independent of altitude or ground elevation.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】改善的激光扫描的装置和方法
本专利技术的实施例一般涉及提供一种用于来自机载的或基于地面的平台的陆地地势的3D测量的改善的装置和方法，并且特别地，提供一种消除可能由在现有的激光地形测绘系统中可能出现的盲区所引起的潜在数据损失的装置和方法。
技术介绍
机载激光地形测绘（ALTM）系统使用时间飞行（TOF）LiDAR来测量从安装于飞行器中的系统到飞行器下方的地面的距离。可见光或红外光的短脉冲由光源（诸如激光器）发出并且被指向目标。光脉冲传播到目标并且一部分被反射且传播回到LiDAR系统，在那里所述一部分被高速光学检测器（诸如雪崩光电二极管）检测到，该高速光学检测器将光脉冲转换为电信号，然后该电信号被放大。通过测量从光脉冲被发出的瞬间到接收到返回信号时的时间间隔，可以使用精确已知的光脉冲传播的速度来计算与目标的距离。可以由电子子系统（诸如时间间隔计）通过数字化所接收到的回波并且分析波形或其他手段来测量TOF。当射出激光时，存在检测器可能看到一些散射光的非常短暂的时段。这可能是由来自内部光学部件的反射、来自系统输出端处的窗口的反射、来自飞行器中的窗口（系统通过该窗口进行操作）的反射或者来自飞行器下方的前几米空气的背向散射所引起的。如果来自先前发出的激光脉冲的回波将在此短暂时段期间到达检测器，则将无法将其与散射光脉冲相区分，并且如果散射光产生了具有比来自目标的返回脉冲高得多的幅值的信号，则它将淹没回波并且使系统致盲一段时间。来自不需要的散射光的脉冲引起盲区，在该盲区期间系统不能够对返回信号做出响应并且测量TOF。因此，不能计算程距数据并且本质上浪费了激光发射。目前，所有现有的机载激光测绘系统具有这种限制。对于在高脉冲重复频率（PRF）下操作的ALTM而言，与目标的程距可能使得TOF是在两个连续激光射出之间的时间间隔的许多倍。在接收到来自目标的返回脉冲之前射出激光导致了同时在空中的多于一个的脉冲。如果例如目标程距和激光PRF使得同时在空中存在五个脉冲，则可能存在五个盲区，其将显著地增加回波被掩盖的可能性并且减少获得有效程距测量的可能性。在高激光PRF下计划飞行高程来将盲区的影响最小化几乎是不可能的，因为TOF随飞行器在地面以上的高度、扫描器偏离角、飞行器滚转、俯仰或航向以及地形本身的地势而改变。
技术实现思路
一般而言，所公开的实施例涉及应对同时处于去往和来自目标的途中的多个光脉冲的挑战。目标是防止传出和传入的脉冲在同一时刻入射在检测器上，这将使系统“看不到”传入的返回脉冲。因此，所公开的实施例包括用于消除盲区的负面效应以及在没有数据损失的情况下使系统能够在高激光PRF下操作的系统或装置以及一个或多个方法。因此，所公开的实施例具有在全激光PRF下收集有效数据的潜在性。除了上文描述的由不需要的散射光所引起的盲区以外，在某些大气条件下，当系统检测到来自飞行器下方前几米空气的背向散射光时，也可能引起盲区。例如，返回信号可以是来自飞行器下方10米的潮湿空气，或者它可以是来自十个激光发射以前的地面返回脉冲，其最终到达检测器。因此，本文公开的某些实施例被配置成显著地减少该情况发生以及扩展盲区的可能性。例如，某些实施例可以包括防止检测来自前几米大气的不需要的返回脉冲的扫描器和特殊光学元件。在没有该光学元件的情况下，系统将被非期望的信号淹没。在一个实施例中，所公开的系统将减少或消除由飞行器下方20-50米内的背向散射光所引起的盲区。如将被进一步描述的，在某些实施例中，所公开实施例的优点是通过使用电子电路来达成的，所述电子电路捕捉所发出的光脉冲与入射在检测器上的一定阈值以上的后续光学信号之间的时间间隔。这些信号可以是如下情况的结果：a)由光学表面产生的来自传出光线脉冲的背向散射的光，b)由靠近飞行器的大气产生的来自传出光脉冲的背向散射的光，或者c)来自预期目标的返回脉冲。在某些情形中，接收不到返回脉冲（例如，高程过高、有雾的大气、目标反射率过低）；然而，在其他时候，可能从单个激光脉冲（从线路、或树的顶部、或树枝下方，或从地面）接收到多个返回脉冲。根据所公开的实施例，这些经检测的事件中的每一个都导致TOF测量。在某些实施例中，这是通过硬件解决方案来实现的。在一个实施例中，实时地监视所检测到的信号并且计算所得到的与地面的程距。算法根据返回脉冲识别并且区分传出信号。由内部光学部件或窗口对输出脉冲进行的散射所产生的信号由于其出现的时间而就其本身而言被标识。所述时间与激光脉冲发射的时间同步。对于每个返回脉冲，如将在下文描述的，算法检查传出和传入信号将同时入射在检测器上的潜在性，该情况的发生在本文被称为冲突。该冲突可能发生于其中的时间跨度被称为盲区。如果预测到该情况将发生，则系统对发出下一个激光发射（传出信号）的时间做出非常小的调整（例如，百万分之一秒的一部分），以便防止冲突并且由此消除盲区。实际上，激光的射出被延迟或者被提前，以使得传出的激光脉冲被置于返回信号不被预计为入射在检测器上的时间段中。按需要连续地监视和调整结果。在一个实施例中，这是以激光射出速率逐发射完成的，该激光射出速率可以是超过每秒五千次发射。所公开实施例的另一个优点包括用于独立于飞行器的高程或者地面地形的标高来维持地面上的恒定测线束（swath）宽度和点分布的装置和方法。作为示例实施例，所公开的装置可以包括用于执行计算机可执行指令的处理器和用于存储计算机可执行指令的计算机可读存储介质。这些指令当由处理器执行时，使所述装置能够执行下述特征，所述特征包括：动态地监视由激光扫描装置传输和接收的激光脉冲的飞行时间（TOF）；确定是否存在对于传出激光脉冲和传入信号将在彼此的几纳秒内被检测到的潜在性；以及响应于确定传出激光与传入信号的潜在的同时（在几纳秒之内）检测很可能发生，调整脉冲重复频率（PRF）。其他指令可以包括：当飞行器飞行高度和地面地形标高中的至少一个在用于使用激光扫描装置维持恒定测线束宽度的勘测任务期间改变时，动态地调整扫描器参数以保持光斑密度相对恒定。本文公开的各种实施例中的一个示例包括一种系统，其被适配为安装在机载平台上以用于地势标高的测量，其中所述系统包括：脉冲激光器，其用于生成光脉冲；主反射镜，其被适配为在至少一个轴上来回振荡以便将激光以一定图案引导到地面，并且进一步被适配为接收激光从地面的反射以及将激光的反射引导到辅反射镜，所述辅反射镜被适配为将所接收的激光重定位和维持到检测器的中心上，所述检测器被配置成产生由接收器放大的电信号；时间间隔计，其被配置成确定所接收的激光的飞行时间；以及控制电子设备，其被配置成使用所接收的激光的飞行时间来确定机载平台下方的地势标高的测量结果。在一个实施例中，辅反射镜位于主反射镜和再成像模块之间。在下文进一步详细描述所公开的系统和方法的其他实施例和优点。附图说明为了更完整地理解本文提供的描述及其优点，现在对结合附图和具体实施方式所进行的以下附图说明做出参考，其中相似的附图标记代表相似的部分。图1是图示了根据一个实施例的系统的框图。图2是操作中的系统的示意图。图3是图示了根据所公开的实施例的在任何给定时间在途中仅存在一个脉冲的情况的时序图的示例。图4是图示了根据所公开的实施例的同时在途中存在两个光学脉冲的情况的时序图的示例。图5是图示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适配为测量地势标高的系统，所述系统包括：脉冲激光器，用于生成激光脉冲；主反射镜，其被适配为在至少一个轴上来回振荡以便将所述激光脉冲以一定图案引导到目标，并且进一步被适配为接收所述激光脉冲从所述目标的反射以及将所述激光脉冲的反射引导到辅反射镜；所述辅反射镜，其被适配为将所述激光脉冲的反射重定位到检测器中心上，所述检测器被配置成产生由接收器放大的电信号；时间间隔计，其被配置成基于生成所述激光脉冲的时间到所述接收器何时接收到所述激光脉冲的反射来确定飞行时间；以及控制电子设备，其被配置成使用所述飞行时间来测量所述地势标高。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.03.05 US 14/6393201.一种适配为测量地势标高的系统，所述系统包括：脉冲激光器，用于生成激光脉冲；主反射镜，其被适配为在至少一个轴上来回振荡以便将所述激光脉冲以一定图案引导到目标，并且进一步被适配为接收所述激光脉冲从所述目标的反射以及将所述激光脉冲的反射引导到辅反射镜；所述辅反射镜，其被适配为将所述激光脉冲的反射重定位到检测器中心上，所述检测器被配置成产生由接收器放大的电信号；时间间隔计，其被配置成基于生成所述激光脉冲的时间到所述接收器何时接收到所述激光脉冲的反射来确定飞行时间；以及控制电子设备，其被配置成使用所述飞行时间来测量所述地势标高。2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：再成像模块，其包含配置于所述辅反射镜和所述检测器之间的透镜和至少一个光谱过滤器，在其中所述激光脉冲的反射从所述辅反射镜传递到所述检测器。3.根据权利要求2所述的系统，其中所述辅反射镜位于所述主反射镜和所述再成像模块之间。4.根据权利要求1所述的系统，其中所述脉冲激光器由外部触发脉冲所触发，以及在所述外部触发脉冲和从所述脉冲激光器发出的光学脉冲之间的延迟是精确已知的并且是可重复的。5.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制电子设备被配置成控制所述辅反射镜的指向方向，所述辅反射镜关于所述激光脉冲的反射调整所述接收器的对准以减少针对检测大气背向散射返回的潜在性。6.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制电子设备被配置成通过将激光脉冲能量减少到已经被确定为对于可靠程距测量结果而言足够的水平来减少针对背向散射大气返回的潜在性。7.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制电子设备被配置成确定传出激光脉冲和传入信号的潜在冲突，并且调整所述传出激光脉冲的时序以避免所述潜在冲突。8.根据权利要求7所述的系统，其中如果所述传入信号的飞行时间在每次射出所述激光时出现的盲区之内，则所述潜在冲突发生。9.根据权利要求7所述的系统，其中调整所述传出激光脉冲的时...

【专利技术属性】
技术研发人员：C费尔赫根，J利亚斯基，M西塔，D哈特塞尔，
申请(专利权)人：特雷达欧谱泰科有限公司，
类型：发明
国别省市：加拿大,CA