一种机载倾斜激光三维测量与复合成像系统及其使用方法技术方案

本发明专利技术提供一种机载倾斜激光三维测量与复合成像系统及其使用方法，包括安装在飞行平台上的伺服扫描子系统，分别安装在伺服扫描子系统上的多波束激光雷达子系统、可见光相机，与伺服扫描子系统连接的GNSS/IMU组合导航单元。通过采用多波束激光雷达、可见光相机与扫描机构在GNSS/IMU组合导航单元输出的秒脉冲同步下协同工作的方式，实现了多波束激光雷达与可见光相机对地面目标同步观测，解决了机载平台下目标区域全天时倾斜/垂直高分辨率成像立体测量问题；通过采用衍射元件分束、阵列光纤接收，阵列单光子探测器探测的架构，并结合一维扫描机构和平台运动，在保证雷达作用距离和测量精度的同时，兼顾了地面分辨率与成像效率。率。率。

【技术实现步骤摘要】
一种机载倾斜激光三维测量与复合成像系统及其使用方法


[0001]本专利技术涉及一般的图像数据处理或产生
，具体涉及一种机载倾斜激光三维测量与复合成像系统及其使用方法。

技术介绍

[0002]基础地理信息是我国数据量最大、覆盖面最宽、应用面最广的信息资源之一，是国民经济和社会信息化的重要基础，也是指导军事行动、发挥武器装备作战效能的信息保障。可应用于军事侦察、战场环境监测、国家安全、国民经济、社会发展等诸多领域。如何大范围、高分辨、高精度、快速获取目标区域的基础地理信息数据是各国重要的战略研究方向。
[0003]三维成像激光雷达作为一种新兴的三维数据获取手段，能够快速获取地形表面数据，地物特征等，是一种高精度、高密度、高效率的主动测量技术，它是通过测量光脉冲或调制光信号往返于雷达和目标之间的飞行时间来获得距离信息，通过扫描或多点探测获得垂直于光束方向平面内的方位信息。三维成像激光雷达按成像体制可分为扫描成像系统和面阵成像系统两种。扫描成像系统通过单光束及对应的探测单元实现单点距离获取，为实现大面积的三维成像，需要采用二维扫描机构或一维扫描与平台推扫相结合的扫描机制，使得激光光斑在目标区域表面形成密集点阵，从而获取目标区域的三维图像。面阵成像系统在激光发射端，通过激光对目标进行泛光照射或多波束分光照射，利用面阵探测器对目标表面不同位置漫反射的回波光子进行探测，并测量各个探测阵元探测到的回波光信号的飞行时间，后处理得到目标的三维图像。随着多波束分光技术、单光子阵列探测技术的发展，为三维成像激光雷达向紧凑化、固态化与高帧频方向发展奠定了基础，同时也确立了新一代三维成像激光类雷达系统微脉冲高重频激光发射、光学阵列接收、单光子阵列探测的技术路线。这种以集成光学系统技术为特征的激光雷达，以收发光学系统阵列化，信号探测、处理和传输的数字化、集成化与芯片化为主要特征。相比于传统扫描体制激光三维成像方法，可以在远距离下满足更高的成像分辨率、更高的定位精度、更高效率的成像探测应用需求。三维成像激光雷达技术也存在着一些不足，如地物的轮廓能力十分有限，成像点密度分辨率不高等。
[0004]倾斜摄影测量技术是利用成像摄影装置同时快速获取倾斜影像和正射影像，再利用计算机自动图形处理技术进行自动空三处理，经过影像匹配和表面纹理映射技术手段，最大限度地真实还原地表真实景物，但存在着高程测量精度较差的问题。
[0005]三维激光扫描和倾斜摄影测量技术存在各自的优缺点，将两种技术手段结合起来，互相弥补不足，可以快速，全面的获取高精度、高密度的立体成像，明显地反映出地形的表面变化。

技术实现思路

[0006]本专利技术是为了解决三维信息难以兼顾高分辨、高精度、高效率获取的问题，提供了一种机载倾斜激光三维测量与复合成像系统及其使用方法，通过采用多波束激光雷达、可
见光相机与扫描机构在GNSS/IMU组合导航单元输出的秒脉冲同步下协同工作的方式，实现了多波束激光雷达与可见光相机对地面目标同步观测，解决了机载平台下目标区域全天时倾斜/垂直高分辨率成像立体测量问题；通过采用衍射元件分束、阵列光纤接收，阵列单光子探测器探测的架构，并结合一维扫描机构和平台运动，在保证雷达作用距离和测量精度的同时，兼顾了地面分辨率与成像效率。
[0007]本专利技术提供一种机载倾斜激光三维测量与复合成像系统，包括安装在飞行平台上的伺服扫描子系统，分别安装在伺服扫描子系统上的多波束激光雷达子系统、可见光相机，与伺服扫描子系统连接的GNSS/IMU组合导航单元；
[0008]伺服扫描子系统用于沿飞行平台飞行垂直向任一俯仰角为中心实现一维小角度快速摆扫，多波束激光雷达子系统用于驱动伺服扫描子系统并实现沿轨方向的连续测量以获取、存储及输出目标区域的光电子点云数据，可见光相机用于利用伺服扫描子系统的运动实现与多波束激光雷达子系统的协同测量并获取及输出目标区域的可见光图像信息；GNSS/IMU组合导航单元用于获取伺服扫描子系统的指向角度以及飞行平台的地理坐标信息输出，光电子点云数据、可见光图像、指向角度、地理坐标信息用于融合为目标区域的三维立体图像。
[0009]本专利技术所述的一种机载倾斜激光三维测量与复合成像系统，作为优选方式，伺服扫描子系统包括第一扫描机构，第二扫描机构和与第一扫描机构、第二扫描机构均电连接的机构驱动控制单元，多波束激光雷达子系统设置在第一扫描机构上，可见光相机设置在第二扫描机构上，机构驱动控制单元与多波束激光雷达子系统电连接，GNSS/IMU组合导航单元与第一扫描机构的固定部分和第二扫描机构的固定部分一体刚性连接。
[0010]本专利技术所述的一种机载倾斜激光三维测量与复合成像系统，作为优选方式，多波束激光雷达子系统包括多波束激光雷达，多波束激光雷达包括依次放置的单波长激光器、激光分束器，依次放置的接收望远镜、接收光学单元、阵列单光子探测器和与单波长激光器、阵列单光子探测器均电连接的综合管理与数据处理单元；
[0011]单波长激光器用于发射激光脉冲，激光分束器用于接收激光脉冲并分束成多波束向目标区域发射，接收望远镜用于接收经目标区域散射的多波束并输出，接收光学单元用于将接收接收望远镜输出的多波束进行光学耦合、分束、准直、滤光后转换为发射光信号的散射光与回波光信号汇聚在阵列单光子探测器对应像元上，阵列单光子探测器用于接收发射光信号的散射光与回波光信号进行光电转换并向综合管理与数据处理单元输出发射信号电脉冲与回波信号电脉冲；综合管理与数据处理单元用于控制单波长激光器发射激光脉冲，综合管理与数据处理单元用于测量多通道发射信号电脉冲与回波信号电脉冲之间的时间差并存储，时间差即为光电子点云数据；
[0012]综合管理与数据处理单元与机构驱动控制单元电连接，综合管理与数据处理单元用于控制机构驱动控制单元。
[0013]本专利技术所述的一种机载倾斜激光三维测量与复合成像系统，作为优选方式，激光分束器包括用于对激光脉冲发散角进行压缩的扩束镜和用于对激光多线分束以使激光固定相等间隔角发射的衍射分束器。
[0014]本专利技术所述的一种机载倾斜激光三维测量与复合成像系统，作为优选方式，接收光学单元包括阵列耦合光纤和双远心镜头，阵列耦合光纤用于将不同波束的回波光信号耦
合并输出至双远心镜头，双远心镜头接收阵列耦合光纤输出的回波光信号并进行准直和窄带滤光后，将不同光纤通道的回波光信号汇聚到阵列单光子探测器对应的光敏面上；
[0015]阵列耦合光纤使用V形槽固定，接收望远镜焦面端光纤为16
×
4多线排布，分束为4束；双远心镜头前端为4
×
4矩阵排列；
[0016]阵列单光子探测器为雪崩光电二级管阵列，光敏面像元为多通道矩形排布。
[0017]本专利技术所述的一种机载倾斜激光三维测量与复合成像系统，作为优选方式，综合管理与数据处理单元包括FPGA中进位链资源。
[0018]本专利技术所述的一种机载倾斜激光三维测量与复合成像系统，作为优选方式，多波束激光雷达子系统在GNSS/IM本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种机载倾斜激光三维测量与复合成像系统，其特征在于：包括安装在飞行平台上的伺服扫描子系统(1)，分别安装在所述伺服扫描子系统(1)上的多波束激光雷达子系统(2)、可见光相机(3)，与所述伺服扫描子系统(1)连接的GNSS/IMU组合导航单元(4)；所述伺服扫描子系统(1)用于沿所述飞行平台飞行垂直向任一俯仰角为中心实现一维小角度快速摆扫，所述多波束激光雷达子系统(2)用于驱动所述伺服扫描子系统(1)并实现沿轨方向的连续测量以获取、存储及输出目标区域的光电子点云数据，所述可见光相机(3)用于利用所述伺服扫描子系统(1)的运动实现与所述多波束激光雷达子系统(2)的协同测量并获取及输出所述目标区域的可见光图像信息；所述GNSS/IMU组合导航单元(4)用于获取所述伺服扫描子系统(1)的指向角度以及所述飞行平台的地理坐标信息输出，所述光电子点云数据、所述可见光图像、所述指向角度、所述地理坐标信息用于融合为所述目标区域的三维立体图像。2.根据权利要求1所述的一种机载倾斜激光三维测量与复合成像系统，其特征在于：伺服扫描子系统(1)包括第一扫描机构(11)，第二扫描机构(12)和与所述第一扫描机构(11)、所述第二扫描机构(12)均电连接的机构驱动控制单元(13)，所述多波束激光雷达子系统(2)设置在所述第一扫描机构(11)上，所述可见光相机(3)设置在所述第二扫描机构(12)上，所述机构驱动控制单元(13)与所述多波束激光雷达子系统(2)电连接，所述GNSS/IMU组合导航单元(4)与所述第一扫描机构(11)的固定部分和所述第二扫描机构(12)的固定部分一体刚性连接。3.根据权利要求2所述的一种机载倾斜激光三维测量与复合成像系统，其特征在于：所述多波束激光雷达子系统(2)包括多波束激光雷达，所述多波束激光雷达包括依次放置的单波长激光器(21)、激光分束器(22)，依次放置的接收望远镜(23)、接收光学单元(24)、阵列单光子探测器(25)和与所述单波长激光器(21)、阵列单光子探测器(25)均电连接的所述综合管理与数据处理单元(26)；所述单波长激光器(21)用于发射激光脉冲，所述激光分束器(22)用于接收所述激光脉冲并分束成多波束向所述目标区域发射，所述接收望远镜(23)用于接收经所述目标区域散射的所述多波束并输出，所述接收光学单元(24)用于将接收所述接收望远镜(23)输出的所述多波束进行光学耦合、分束、准直、滤光后转换为发射光信号的散射光与回波光信号汇聚在所述阵列单光子探测器(25)对应像元上，所述阵列单光子探测器(25)用于接收所述发射光信号的散射光与所述回波光信号进行光电转换并向所述综合管理与数据处理单元(26)输出发射信号电脉冲与回波信号电脉冲；所述综合管理与数据处理单元(26)用于控制所述单波长激光器(21)发射所述激光脉冲，所述综合管理与数据处理单元(26)用于测量多通道所述发射信号电脉冲与所述回波信号电脉冲之间的时间差并存储，所述时间差即为所述光电子点云数据；所述综合管理与数据处理单元(26)与所述机构驱动控制单元(13)电连接，所述综合管理与数据处理单元(26)用于控制所述机构驱动控制单元(13)。4.根据权利要求3所述的一种机载倾斜激光三维测量与复合成像系统，其特征在于：所述激光分束器(22)包括用于对所述激光脉冲发散角进行压缩的扩束镜和用于对激光多线分束以使激光固定相等间隔角发射的衍射分束器。5.根据权利要求3所述的一种机载倾斜激光三维测量与复合成像系统，其特征在于：所
述接收光学单元(24)包括阵列耦合光纤和双远心镜头，所述阵列耦合光纤用于将不同波束的所述回波光信号耦合并输出至所述双远心镜头，所述双远心镜头接收所述阵列耦合光纤输出的所述回波光信号并进行准直和窄带滤光后，将不同光纤通道的所述回波光信号汇聚到所述阵列单光子探测器(25)对应的光敏面上；所述阵列耦合光纤使用V形槽固定，所述接收望远镜(23)焦面端光纤为16
×
4多线排布，分束为4束；所述双远心镜头前端为4
×
4矩阵排列；所述阵列单光子探测器(25)为雪崩光电二级管阵列，光敏面像元为多通道矩形排布。6.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘超，刘宇哲，赵一鸣，梅艳鹏，边吉，韩晓爽，李柞涵，王丽东，赵艳，于勇，李凉海，
申请(专利权)人：航天长征火箭技术有限公司，
类型：发明
国别省市：