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CN106772314B - 一种机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统及其扫描方法 - Google Patents

一种机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统及其扫描方法 Download PDF

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CN106772314B
CN106772314B CN201611131238.3A CN201611131238A CN106772314B CN 106772314 B CN106772314 B CN 106772314B CN 201611131238 A CN201611131238 A CN 201611131238A CN 106772314 B CN106772314 B CN 106772314B
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laser radar
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laser
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李旭东
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Abstract

一种机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统及其扫描方法，它涉及机载测绘激光雷达扫描系统及其扫描方法。解决现有推帚式扫描体制沿平台运动轨迹上被测区域的宽度将受到探测器视场角的限制的问题。扫描系统包括激光器、负柱面镜、两个正柱面镜、镀膜反射镜、反射镜安装架、光栅编码器、谐波减速器及伺服电机；方法：机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统在机载平台直线运动的基础上，激光器射出的激光束依次经过负柱面镜、第一正柱面镜及第二正柱面镜形成扇形激光束，并射到镀膜反射镜上，经镀膜反射镜反射后在地面形成线型激光脚点，通过镀膜反射镜的往复转动来实现地面上的线型激光脚点沿Z轴方向发生平移，最终实现对地面被测区域的扫帚式扫描。

Description

一种机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统及其扫描方法
技术领域
本发明涉及机载测绘激光雷达扫描系统及其扫描方法。
背景技术
基于线阵探测器的机载激光雷达通常具有探测视场宽、测距精度高、距离景深大、作用距离远和数据更新率高等显著优点，已被广泛应用于地形测绘、海岸带监测、城市三维重构、森林生态研究、城市变化监测等领域中。基于线阵探测激光雷达的三维测绘技术是一种可以快速获得目标三维空间信息的新型光学探测手段，在远距离目标三维图像重建和高空机载宽幅测绘中具有巨大的潜在应用价值。
目前基于线阵探测激光雷达的机载测绘应用中，一般均采用推帚式扫描体制，如图1所示，X为机载平台飞行方向，10为线型激光脚点。在推帚式扫描体制下，线型激光脚点的长轴方向与飞机飞行方向垂直，激光束出射方向相对于飞机固定不变，激光脚点对地面的扫描完全依赖于飞机平台的运动。这种扫描方式虽然结构简单，但是沿平台运动轨迹上被测区域的宽度将受到探测器视场角的限制，不利于进行宽幅三维测绘任务。因此，如何建立一种适用于远距离宽幅测绘的扫描装置是机载测绘应用中一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统及其扫描方法；以解决现有推帚式扫描体制虽然结构简单，但是沿平台运动轨迹上被测区域的宽度将受到探测器视场角的限制，不利于进行宽幅三维测绘任务的问题。
一种机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统包括激光器、负柱面镜、第一正柱面镜、第二正柱面镜、镀膜反射镜、反射镜安装架、光栅编码器、谐波减速器及伺服电机；
激光器射出的激光束依次经过负柱面镜聚焦、第一正柱面镜准直及第二正柱面镜扩束形成发散角为θT的扇形激光束，并射到镀膜反射镜上，经镀膜反射镜反射后在地面形成线型激光脚点，且线型激光脚点的长轴方向与机载平台飞行方向平行；
所述的镀膜反射镜设置在反射镜安装架上，反射镜安装架连接有光栅编码器，在光栅编码器及伺服电机之间设有谐波减速器，谐波减速器在伺服电机的驱动下进行转动，谐波减速器带动反射镜安装架转动；设机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统中镀膜反射镜的转动角度为扫描角α，设垂直于机载平台指向天空方向为Y轴，当线型激光脚点沿Y轴反方向出射时扫描角α为0°，镀膜反射镜的转动角度由光栅编码器读出并反馈给伺服电机；
所述的负柱面镜、第一正柱面镜及第二正柱面镜的母线相互平行。
一种机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统的扫描方法，是按以下步骤进行的：
设机载平台飞行方向为X轴，垂直于机载平台指向天空方向为Y轴，飞机右侧机翼方向为Z轴，且Z轴与XY平面垂直；
在机载平台对地面测绘中，机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统在机载平台沿X轴直线运动的基础上，激光器射出的激光束依次经过负柱面镜聚焦、第一正柱面镜准直及第二正柱面镜扩束形成发散角为θT的扇形激光束，并射到镀膜反射镜上，经镀膜反射镜反射后在地面形成线型激光脚点，通过镀膜反射镜的往复转动来实现地面上的线型激光脚点沿Z轴方向发生平移，最终实现对地面被测区域的扫帚式扫描；
设机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统中镀膜反射镜的转动角度为扫描角α，单位为°；设线型激光脚点沿Y轴反方向出射时扫描角α为0°；设t1为机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统的扫描时间，单位为s；设t2为机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统的复位时间，单位为s；设±α0为线型激光脚点的偏转范围，单位为°；
扫描角α在t1时间内先由-α0变化至α0，随后在t2时间内由α0复位至-α0，并按此模式往复转动；
且机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统的扫描速度ω与机载平台的飞行参数间存在如下关系：
式中V——机载平台飞行速度，单位为m/s；
H——机载平台飞行高度，单位为m；
θT——激光束发散角，单位为°；
t1为机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统的扫描时间，单位为s；
t2为机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统的复位时间，单位为s；
复位时间t2将由谐波减速器最高转速ωmax和线型激光脚点的偏转范围±α0共同决定：
式中ωmax——谐波减速器最高转速，单位为°/s；
将(b)式带入(a)式可以得到扫描速度ω的设定值为：
式中ω——扫描速度，单位为°/s。
本发明的有益效果是：针对机载线阵扫描测绘系统中测绘幅宽受到探测器视场角限制这一技术难题，提出了一种可大幅提高测绘效率的机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统及其扫描方法。基于该机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统，在3000m和5800m飞行高度下，测距均方根误差分别可以达到0.11m和0.16m，对面积为30km2区域所需的测绘时间为2分13秒，相比于传统的推帚式扫描体制测绘效率提高了近10倍。其测绘幅宽将由扫描镜的转动范围决定，当飞机飞行高度为5km时，±15°扫描角对应的测绘幅宽可达2680m，仅需要两次往复飞行就可以完成对5km×5km区域的测绘任务，测绘效率相比于推帚式扫描方式得到了了大幅提升。
本发明用于一种机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统及其扫描方法。
附图说明
图1为推帚式扫描示意图，X为机载平台飞行方向，10为线型激光脚点；
图2为本发明扫帚式扫描示意图，X为机载平台飞行方向，10为线型激光脚点；
图3为本发明一种机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统的结构示意图；
图4为本发明一种机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统的镀膜反射镜转动模式示意图；
图5为对比实验一推帚式扫描下飞机沿直线飞行时激光脚点覆盖区域的仿真结果，X为机载平台飞行方向，A为激光脚点覆盖区域；
图6为实施例一中扫帚式扫描下飞机沿直线飞行时激光脚点覆盖区域的仿真结果，X为机载平台飞行方向，A为激光脚点覆盖区域。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：下面结合图3具体说明本实施方式。本实施方式的一种机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统包括激光器1、负柱面镜2、第一正柱面镜3、第二正柱面镜4、镀膜反射镜5、反射镜安装架6、光栅编码器7、谐波减速器8及伺服电机9；
激光器1射出的激光束依次经过负柱面镜2聚焦、第一正柱面镜3准直及第二正柱面镜4扩束形成发散角为θT的扇形激光束，并射到镀膜反射镜5上，经镀膜反射镜5反射后在地面形成线型激光脚点10，且线型激光脚点10的长轴方向与机载平台飞行方向平行；
所述的镀膜反射镜5设置在反射镜安装架6上，反射镜安装架6连接有光栅编码器7，在光栅编码器7及伺服电机9之间设有谐波减速器8，谐波减速器8在伺服电机9的驱动下进行转动，谐波减速器8带动反射镜安装架6转动；设机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统中镀膜反射镜5的转动角度为扫描角α，设垂直于机载平台指向天空方向为Y轴，当线型激光脚点10沿Y轴反方向出射时扫描角α为0°，镀膜反射镜5的转动角度由光栅编码器7读出并反馈给伺服电机9；
所述的负柱面镜2、第一正柱面镜3及第二正柱面镜4的母线相互平行。
本具体实施方式谐波减速器8能够降低转速增大扭矩，最终带动反射镜安装架6共同转动。
本具体实施方式的有益效果：针对机载线阵扫描测绘系统中测绘幅宽受到探测器视场角限制这一技术难题，提出了一种可大幅提高测绘效率的机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统及其扫描方法。基于该机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统，在3000m和5800m飞行高度下，测距均方根误差分别可以达到0.11m和0.16m，对面积为30km2区域所需的测绘时间为2分13秒，相比于传统的推帚式扫描体制测绘效率提高了近10倍。其测绘幅宽将由扫描镜的转动范围决定，当飞机飞行高度为5km时，±15°扫描角对应的测绘幅宽可达2680m，仅需要两次往复飞行就可以完成对5km×5km区域的测绘任务，测绘效率相比于推帚式扫描方式得到了了大幅提升。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的激光器1单脉冲能量＞5mJ。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：所述的谐波减速器8减速比＞1000:1。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的镀膜反射镜5反射率＞95％。其它与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述的θT为5°～120°。其它与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：下面结合图2及图3具体说明本实施方式。本实施方式的一种机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统的扫描方法，是按以下步骤进行的：
设机载平台飞行方向为X轴，垂直于机载平台指向天空方向为Y轴，飞机右侧机翼方向为Z轴，且Z轴与XY平面垂直；
在机载平台对地面测绘中，机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统在机载平台沿X轴直线运动的基础上，激光器1射出的激光束依次经过负柱面镜2聚焦、第一正柱面镜3准直及第二正柱面镜4扩束形成发散角为θT的扇形激光束，并射到镀膜反射镜5上，经镀膜反射镜5反射后在地面形成线型激光脚点10，通过镀膜反射镜5的往复转动来实现地面上的线型激光脚点10沿Z轴方向发生平移，最终实现对地面被测区域的扫帚式扫描；
设机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统中镀膜反射镜5的转动角度为扫描角α，单位为°；设线型激光脚点10沿Y轴反方向出射时扫描角α为0°；设t1为机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统的扫描时间，单位为s；设t2为机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统的复位时间，单位为s；设±α0为线型激光脚点10的偏转范围，单位为°；
扫描角α在t1时间内先由-α0变化至α0，随后在t2时间内由α0复位至-α0，并按此模式往复转动；
且机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统的扫描速度ω与机载平台的飞行参数间存在如下关系：
式中V——机载平台飞行速度，单位为m/s；
H——机载平台飞行高度，单位为m；
θT——激光束发散角，单位为°；
t1为机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统的扫描时间，单位为s；
t2为机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统的复位时间，单位为s；
复位时间t2将由谐波减速器8最高转速ωmax和线型激光脚点10的偏转范围±α0共同决定：
式中ωmax——谐波减速器8最高转速，单位为°/s；
将(b)式带入(a)式可以得到扫描速度ω的设定值为：
式中ω——扫描速度，单位为°/s。
本具体实施方式要求机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统的复位过程在尽量短的时间内完成。
图4为本发明一种机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统的镀膜反射镜转动模式示意图，设机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统中镀膜反射镜5的转动角度为扫描角α，单位为°；设线型激光脚点10沿Y轴反方向出射时扫描角α为0°；镀膜反射镜5的转动模式可由扫描角α随时间的变化关系表示，如图4所示，扫描角α在t1时间内先由-α0变化至α0，随后在t2时间内由α0复位至-α0，并按此模式往复转动。其中，t1为机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统的扫描时间(s)，t2为机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统的复位时间(s)，±α0为镀膜反射镜5的转动范围。
本具体实施方式的有益效果：针对机载线阵扫描测绘系统中测绘幅宽受到探测器视场角限制这一技术难题，提出了一种可大幅提高测绘效率的机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统及其扫描方法。基于该机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统，在3000m和5800m飞行高度下，测距均方根误差分别可以达到0.11m和0.16m，对面积为30km2区域所需的测绘时间为2分13秒，相比于传统的推帚式扫描体制测绘效率提高了近10倍。其测绘幅宽将由扫描镜的转动范围决定，当飞机飞行高度为5km时，±15°扫描角对应的测绘幅宽可达2680m，仅需要两次往复飞行就可以完成对5km×5km区域的测绘任务，测绘效率相比于推帚式扫描方式得到了了大幅提升。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：所述的激光器1单脉冲能量＞5mJ。其它与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六或七之一不同的是：所述的镀膜反射镜5反射率＞95％。其它与具体实施方式六或七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六至八之一不同的是：所述的α0<60°。其它与具体实施方式六至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式六至九之一不同的是：所述的θT为5°～120°；所述的ωmax<360°/s。其它与具体实施方式六至九相同。
采用以下实施例验证本发明的效果：
实施例一：
一种机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统包括激光器1、负柱面镜2、第一正柱面镜3、第二正柱面镜4、镀膜反射镜5、反射镜安装架6、光栅编码器7、谐波减速器8及伺服电机9；
激光器1射出的激光束依次经过负柱面镜2聚焦、第一正柱面镜3准直及第二正柱面镜4扩束形成发散角为θT的扇形激光束，并射到镀膜反射镜5上，经镀膜反射镜5反射后在地面形成线型激光脚点10，且线型激光脚点10的长轴方向与机载平台飞行方向平行；
所述的镀膜反射镜5设置在反射镜安装架6上，反射镜安装架6连接有光栅编码器7，在光栅编码器7及伺服电机9之间设有谐波减速器8，谐波减速器8在伺服电机9的驱动下进行转动，谐波减速器8带动反射镜安装架6转动；设机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统中镀膜反射镜5的转动角度为扫描角α，设垂直于机载平台指向天空方向为Y轴，当线型激光脚点10沿Y轴反方向出射时扫描角α为0°，镀膜反射镜5的转动角度由光栅编码器7读出并反馈给伺服电机9；
所述的负柱面镜2、第一正柱面镜3及第二正柱面镜4的母线相互平行。
上述一种机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统的扫描方法，是按以下步骤进行的：
设机载平台飞行方向为X轴，垂直于机载平台指向天空方向为Y轴，飞机右侧机翼方向为Z轴，且Z轴与XY平面垂直；
在机载平台对地面测绘中，机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统在机载平台沿X轴直线运动的基础上，激光器1射出的激光束依次经过负柱面镜2聚焦、第一正柱面镜3准直及第二正柱面镜4扩束形成发散角为θT的扇形激光束，并射到镀膜反射镜5上，经镀膜反射镜5反射后在地面形成线型激光脚点10，通过镀膜反射镜5的往复转动来实现地面上的线型激光脚点10沿Z轴方向发生平移，最终实现对地面被测区域的扫帚式扫描；
设机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统中镀膜反射镜5的转动角度为扫描角α，单位为°；设线型激光脚点10沿Y轴反方向出射时扫描角α为0°；设t1为机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统的扫描时间，单位为s；设t2为机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统的复位时间，单位为s；设±α0为线型激光脚点10的偏转范围，单位为°；
扫描角α在t1时间内先由-α0变化至α0，随后在t2时间内由α0复位至-α0，并按此模式往复转动；
且机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统的扫描速度ω与机载平台的飞行参数间存在如下关系：
式中V——机载平台飞行速度，单位为m/s；
H——机载平台飞行高度，单位为m；
θT——激光束发散角，单位为°；
t1为机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统的扫描时间，单位为s；
t2为机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统的复位时间，单位为s；
复位时间t2将由谐波减速器8最高转速ωmax和线型激光脚点10的偏转范围±α0共同决定：
式中ωmax——谐波减速器8最高转速，单位为°/s；
将(b)式带入(a)式可以得到扫描速度ω的设定值为：
式中ω——扫描速度，单位为°/s。
本实施例采用V＝70m/s，H＝5000m，θT＝3°，α0＝15°，ωmax＝60°/s，ω＝10°/s。
对比实验一：
采用V＝70m/s，H＝5000m的条件下进行推帚式扫描。
图5为对比实验一中推帚式扫描下飞机沿直线飞行时激光脚点覆盖区域的仿真结果，X为机载平台飞行方向，A为激光脚点覆盖区域；
图6为实施例一中扫帚式扫描下飞机沿直线飞行时激光脚点覆盖区域的仿真结果，X为机载平台飞行方向，A为激光脚点覆盖区域。
由图可知，图中将激光脚点位置(黑色数据点)与数字高程地图相结合，从而能够更加直观地看出激光脚点对被测区域的覆盖能力。可以看出在扫帚式扫描体制下激光脚点覆盖区域的宽度明显大于推帚式扫描体制，并且相邻扫描周期内的激光脚点可实现无缝衔接。

Claims (10)

1.一种机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统，其特征在于：一种机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统包括激光器(1)、负柱面镜(2)、第一正柱面镜(3)、第二正柱面镜(4)、镀膜反射镜(5)、反射镜安装架(6)、光栅编码器(7)、谐波减速器(8)及伺服电机(9)；
激光器(1)射出的激光束依次经过负柱面镜(2)聚焦、第一正柱面镜(3)准直及第二正柱面镜(4)扩束形成发散角为θT的扇形激光束，并射到镀膜反射镜(5)上，经镀膜反射镜(5)反射后在地面形成线型激光脚点(10)，且线型激光脚点(10)的长轴方向与机载平台飞行方向平行；
所述的镀膜反射镜(5)设置在反射镜安装架(6)上，反射镜安装架(6)连接有光栅编码器(7)，在光栅编码器(7)及伺服电机(9)之间设有谐波减速器(8)，谐波减速器(8)在伺服电机(9)的驱动下进行转动，谐波减速器(8)带动反射镜安装架(6)转动；设机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统中镀膜反射镜(5)的转动角度为扫描角α，设垂直于机载平台指向天空方向为Y轴，当线型激光脚点(10)沿Y轴反方向出射时扫描角α为0°，镀膜反射镜(5)的转动角度由光栅编码器(7)读出并反馈给伺服电机(9)；
所述的负柱面镜(2)、第一正柱面镜(3)及第二正柱面镜(4)的母线相互平行。
2.根据权利要求1所述的一种机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统，其特征在于所述的激光器(1)单脉冲能量＞5mJ。
3.根据权利要求1所述的一种机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统，其特征在于所述的谐波减速器(8)减速比＞1000:1。
4.根据权利要求1所述的一种机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统，其特征在于所述的镀膜反射镜(5)反射率＞95％。
5.根据权利要求1所述的一种机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统，其特征在于所述的θT为5°～120°。
6.如权利要求1所述的一种机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统的扫描方法，其特征在于：一种机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统的扫描方法，是按以下步骤进行的：
设机载平台飞行方向为X轴，垂直于机载平台指向天空方向为Y轴，飞机右侧机翼方向为Z轴，且Z轴与XY平面垂直；
在机载平台对地面测绘中，机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统在机载平台沿X轴直线运动的基础上，激光器(1)射出的激光束依次经过负柱面镜(2)聚焦、第一正柱面镜(3)准直及第二正柱面镜(4)扩束形成发散角为θT的扇形激光束，并射到镀膜反射镜(5)上，经镀膜反射镜(5)反射后在地面形成线型激光脚点(10)，通过镀膜反射镜(5)的往复转动来实现地面上的线型激光脚点(10)沿Z轴方向发生平移，最终实现对地面被测区域的扫帚式扫描；
设机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统中镀膜反射镜(5)的转动角度为扫描角α，单位为°；设线型激光脚点(10)沿Y轴反方向出射时扫描角α为0°；设t1为机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统的扫描时间，单位为s；设t2为机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统的复位时间，单位为s；设±α0为线型激光脚点(10)的偏转范围，单位为°；
扫描角α在t1时间内先由-α0变化至α0，随后在t2时间内由α0复位至-α0，并按此模式往复转动；
且机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统的扫描速度ω与机载平台的飞行参数间存在如下关系：
式中V——机载平台飞行速度，单位为m/s；
H——机载平台飞行高度，单位为m；
θT——激光束发散角，单位为°；
t1为机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统的扫描时间，单位为s；
t2为机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统的复位时间，单位为s；
复位时间t2将由谐波减速器(8)最高转速ωmax和线型激光脚点(10)的偏转范围±α0共同决定：
式中ωmax——谐波减速器(8)最高转速，单位为°/s；
将(b)式带入(a)式可以得到扫描速度ω的设定值为：
式中ω——扫描速度，单位为°/s。
7.根据权利要求6所述的一种机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统的扫描方法，其特征在于所述的激光器(1)单脉冲能量＞5mJ。
8.根据权利要求6所述的一种机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统的扫描方法，其特征在于所述的镀膜反射镜(5)反射率＞95％。
9.根据权利要求6所述的一种机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统的扫描方法，其特征在于所述的α0<60°。
10.根据权利要求6所述的一种机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统的扫描方法，其特征在于所述的θT为5°～120°；所述的ωmax<360°/s。
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