一种用于机载激光扫描飞行高度变化实时补偿的方法与装置，可消除飞行高度的变化对激光扫描点云分布区域和密度的不利影响。当机载平台飞行高度发生变化时，由GPS/INS集成测量装置实时获得飞行高度变化值，在飞行高度补偿控制器中计算此飞行高度下可使扫描带宽保持不变的扫描视场角大小，以及可使扫描点云密度保持不变的激光脉冲频率大小。由旋转棱镜光电轴角编码器测得旋转棱镜的实时转动角度，提供给飞行高度补偿控制器，只在要求的扫描视场角范围内输出与期望激光脉冲频率值相同的方波信号，提供给激光脉冲发射器，使激光发射器发射出相应频率的激光脉冲。采用该补偿方法，则机载平台飞行高度的变化始终不会影响激光扫描点云的分布区域和密度。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及点扫描式三维成像机载激光雷达飞行高度变化的补偿问题。
技术介绍
机载激光雷达是基于激光测距原理的地形测绘技术，集成了飞机平台、激光扫描 仪、差分全球定位系统DGPS (Differential Global Positioning System)、惯性导航系统 INS (Initial Navigation System)以及计算机数据采集与处理系统等。机载激光雷达工作过程如下飞机以预先设定的飞行航线匀速直线飞行，飞行高 度是事先规划好的，在当地水平面参考坐标系中，理想的飞行高度是不变的。由DGPS/INS 组合测量系统通过卡尔曼滤波技术实时测出激光扫描仪载荷平台的航迹和姿态角，根据激 光脉冲的飞行时间计算出激光扫描仪扫描镜光学中心到地面激光脚点的距离，由光电轴角 编码器获得该激光脉冲发射时刻的扫描角，根据以上数据可计算出地面激光脚点的三维坐 标。大量的激光脚点形成激光点云，经过后续点云处理，获得被测地形的三维成像，即数字 高程模型DEM (Digital Elevation Model)和数字表面模型DSM(Digital Surface Model) 等。DEM和DSM精度取决于激光点云的密度、分布和激光脚点定位精度。机载激光雷达在实际操作过程中，飞机载体会受到多方面的干扰影响，如阵风、湍 流、发动机振动及控制系统的性能缺陷等，使机载平台无法保持理想的匀速直线运动状态， 飞行高度会发生变化。另外，设计规划时没有预测到的高楼或山顶、高的树木等也会迫使飞 行高度发生变化。尤其是采用直升飞机作为载荷平台，飞行高度的变化更大，可达几十米、 甚至100米以上。载荷平台飞行高度的非理想运动导致地面激光点云的扫描带宽度发生变 化，而每行的扫描点数是不变的，故扫描带宽度的变化会造成激光扫描点云的密度发生变 化。一方面，当飞行高度增大时，激光点云的扫描带宽度增加，使每行中的激光点间距增大， 点云密度降低，使被测地形的激光采集数据空间分辨率下降，造成重建三维模型的退化。另 一方面，当飞行高度减小时，激光点云的扫描带宽度减小，虽然每行中的激光点间距减小， 点云密度增大，会有利于后续三维成像的精度提高，但也可能由于密度太大而造成后续处 理的困难；另外，激光点云扫描带宽度的减小会导致重要被测地形的漏扫，尤其是对狭长地 形区域的扫描，如电力线、高速公路、海岸线、铁路线等，扫描带宽度的减小非常有害，漏扫 会导致有时不得不返工重扫，影响工作效率。因此，对于机载激光雷达测量过程，不管是飞 行高度的增大还是减小，都会造成测绘产品的质量下降，带来不利的影响。因此，针对机载 激光雷达飞行高度变化的实时补偿非常有必要，具有重要的现实意义。目前，现有的各种点扫描式三维成像机载激光雷达及其他相关类型的激光雷达， 如推扫式线扫描机载激光雷达等，均没有针对机载平台飞行高度变化的实时补偿功能及装 置，同时现有文献中也没有关于机载激光雷达飞行高度变化的实时补偿技术的研究、描述 和报道。
技术实现思路
针对上述机载激光雷达系统现有测量技术中不能补偿飞行高度变化的缺陷，本发 明提供了一种用于机载激光扫描飞行高度变化实时补偿的方法与装置，其实现目的是，当 飞行高度实时变化时，机载激光雷达的地面扫描激光点云的扫描带宽和激光点密度始终保 持不变。而为了实现这一目的，当飞行高度变化时，需要实时监测出飞行高度的变化，然后 根据飞行高度的变化值(与设定飞行高度相比)，一方面，相应调整激光扫描视场角的大小， 使扫描点云带宽不变；另一方面，由于扫描镜的转速不变，扫描视场角变化了，相应的激光 有效发射时间与扫描视场角大小成正比，因此若要保持激光扫描点密度不变、而每行扫描 点数不变的情况下，只要相应地调整激光脉冲发射频率即可。即要实现飞行高度变化时仍 保持地面激光扫描点云的带宽和点密度不变，只要相应调整扫描视场角大小和激光脉冲发 射频率即可实现。本专利技术提供的一种用于机载激光扫描飞行高度变化实时补偿的方法与装置，其 特征在于包括激光扫描仪装置(I)、飞行高度补偿控制器(2)、机载平台飞行高度测量装置(3)、机载平台(4);所述激光扫描仪装置(1)，其特征在于包括激光脉冲发射器(11)、反射 镜(12 )、旋转棱镜(13)、旋转棱镜电机(14 )、旋转棱镜光电轴角编码器(15 );所述机载平台 飞行高度测量装置(3)，其特征在于包括GPS/INS集成测量装置(31)、卡尔曼滤波器(32); 所述机载平台(4)是飞行器的载荷安装平台，所述激光扫描仪装置(I)、所述飞行高度补偿 控制器(2)、所述机载平台飞行高度测量装置(3)均固定在所述机载平台(4)上；当所述机 载平台(4)的飞行高度发生变化时，由所述GPS/INS集成测量装置(31)测量获得实时飞行 高度变化值，在所述飞行高度补偿控制器(2)中通过编程计算获得在此飞行高度下符合要 求的扫描视场角值和激光脉冲频率值；由所述旋转棱镜光电轴角编码器(15)获得所述旋 转棱镜(13)的实时转动角度，反馈给所述飞行高度补偿控制器(2)，只在要求的扫描视场 角范围内产生要求频率的方波信号，提供给所述激光脉冲发射器(11 )，使所述激光脉冲发 射器(11)发出要求频率的激光脉冲，则可实现只在要求的扫描视场角内产生要求频率的激 光脉冲，从而使地面扫描激光点云的扫描带宽和密度始终保持不变，不受飞行高度变化的 影响。其中，所述飞行高度补偿控制器(2)采用ARM控制器，通过D/A输出口可产生频率 可调的方波信号。其中，所述激光脉冲发射器(11)可采用外部触发控制激光脉冲的输出，即每输入 一个方波信号，则可发出一个窄带激光脉冲。其中，所述旋转棱镜(13)具有多个反射面。其中，所述旋转棱镜电机(14)带动所述旋转棱镜(13)匀速转动，由所述旋转棱镜 光电轴角编码器(15)测量获得所述旋转棱镜(13)的实时转动角度。其中，所述GPS/INS组合测量系统(31)测量获得所述机载平台(4)的飞行高度实 时测量数据，通过所述卡尔曼滤波器(32)处理后，获得高精度的飞行高度实时变化值，提供 给所述飞行高度补偿控制器(2)中，飞行高度的测量频率可达256 Hz0其中，当所述旋转棱镜光电轴角编码器(15)获得所述旋转棱镜(13)的实时转动 角度为-90°时，触发所述飞行高度补偿控制器(2)的外部触发中断I执行程序，由所述飞 行高度补偿控制器(2)根据所述GPS/INS组合测量系统(31)测量获得的飞行高度实测值，计算补偿飞行高度变化后的扫描视场角±办和激光扫描频率/S。当所述旋转棱镜(13)的实时转动角度为- 时，由所述飞行高度补偿控制器(2)通过D/A开始输出频率为Λ的方波信号，提供给所述激光脉冲发射器(11)产生相应频率的脉冲激光；当所述旋转棱镜(13) 的实时转动角度为+ 时，所述飞行高度补偿控制器(2)停止输出频率为Jb的方波信号。由于所述旋转棱镜(13)匀速转动，通过同时改变扫描视场角大小和激光脉冲发射频率大小两种措施，可实现地面激光扫描点云的扫描带宽和密度不随飞行高度的变化而变化，从而可实现高精度实时补偿机载平台飞行高度变化对机载激光扫描点云分布密度的不利影响，解决了现有机载激光雷达不能对飞行高度变化实时补偿的问题，可有效提高机载激本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于机载激光扫描飞行高度变化实时补偿的装置，其特征在于包括激光扫描仪装置（1）、飞行高度补偿控制器（2）、机载平台飞行高度测量装置（3）、机载平台（4）；所述激光扫描仪装置（1），其特征在于包括激光脉冲发射器（11）、反射镜（12）、旋转棱镜（13）、旋转棱镜电机（14）、旋转棱镜光电轴角编码器（15）；所述机载平台飞行高度测量装置（3），其特征在于包括GPS/INS集成测量装置（31）、卡尔曼滤波器（32）；所述机载平台（4）是飞行器的载荷安装平台，所述激光扫描仪装置（1）、所述飞行高度补偿控制器（2）、所述机载平台飞行高度测量装置（3）均固定在所述机载平台（4）上；当所述机载平台（4）的飞行高度发生变化时，由所述GPS/INS集成测量装置（31）测量获得实时飞行高度变化值，在所述飞行高度补偿控制器（2）中通过编程计算获得在此飞行高度下符合要求的扫描视场角值和激光脉冲频率值；由所述旋转棱镜光电轴角编码器（15）获得所述旋转棱镜（13）的实时转动角度，反馈给所述飞行高度补偿控制器（2），只在要求的扫描视场角范围内产生要求频率的方波信号，提供给所述激光脉冲发射器（11），使所述激光脉冲发射器（11）发出要求频率的激光脉冲，则可实现只在要求的扫描视场角内产生要求频率的激光脉冲，从而使地面扫描激光点云的扫描带宽和密度始终保持不变，不受飞行高度变化的影响。...
【技术特征摘要】
1.一种用于机载激光扫描飞行高度变化实时补偿的装置，其特征在于包括激光扫描仪装置(I)、飞行高度补偿控制器(2)、机载平台飞行高度測量装置(3)、机载平台(4);所述激光扫描仪装置(1)，其特征在于包括激光脉冲发射器(11)、反射镜(12)、旋转棱镜(13)、旋转棱镜电机(14)、旋转棱镜光电轴角编码器(15);所述机载平台飞行高度測量装置(3)，其特征在于包括GPS/INS集成測量装置(31)、卡尔曼滤波器(32);所述机载平台(4)是飞行器的载荷安装平台，所述激光扫描仪装置(I)、所述飞行高度补偿控制器(2)、所述机载平台飞行高度測量装置(3)均固定在所述机载平台(4)上；当所述机载平台(4)的飞行高度发生变化吋，由所述GPS/INS集成測量装置(31)测量获得实时飞行高度变化值，在所述飞行高度补偿控制器(2)中通过编程计算获得在此飞行高度下符合要求的扫描视场角值和激光脉冲频率值；由所述旋转棱镜光电轴角编码器(15)获得所述旋转棱镜(13)的实时转动角度，反馈给所述飞行高度补偿控制器(2)，只在要求的扫描视场角范围内产生要求频率的方波信号，提供给所述激光脉冲发射器(11)，使所述激光脉冲发射器(11)发出要求频率的激光脉冲，则可实现只在要求的扫描视场角内产生要求频率的激光脉冲，从而使地面扫描激光点云的扫描带宽和密度始终保持不变，不受飞行高度变化的影响。2.按照权利要求1所述的ー种用于机载激光扫描飞行高度变化实时补偿的装置，其特征在于所述飞行高度补偿控制器(2)采用ARM控制器，通过D/A输出ロ可产生频率可调的方波信号。3.按照权利要求1所述的ー种用于机载激光扫描飞行高度变化实时补偿的装置，其特征在于所述激光脉冲发射器(11)可采用外部触发控制激光脉冲的输出，即每输入一个方波信号，则可发出ー个窄带激光脉冲；其中，所述旋转...
【专利技术属性】
技术研发人员：王建军，许同乐，李东兴，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：
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