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1、pos機的系統(tǒng)框圖

pos機的系統(tǒng)框圖

博頓導(dǎo)讀：

本文對機載激光3D探測成像系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，并介紹了激光3D成像系統(tǒng)的工作原理，重點對系統(tǒng)的單元關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的剖析。

機載激光3D探測成像系統(tǒng)集光、機、電技術(shù)于一體，從組成上可分為激光測距系統(tǒng)、陀螺穩(wěn)定平臺、GPS/INS(全球定位/慣性導(dǎo)航) 組合導(dǎo)航系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與3D顯示系統(tǒng)等。對比傳統(tǒng)探測載荷系統(tǒng)，機載激光3D探測成像系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：

（1）主動照明，具備全天候能力；

（2）電磁干擾能力強，對背景有極強抑制能力，不易受環(huán)境溫度及陽光的影響；

（3）抗隱身能力強，能穿透一定的遮蔽物、偽裝和掩體；

（4）具有高的距離、角度和速度分辨率，能同時獲得目標(biāo)的多種圖像(如距離像、距離-角度像等)，圖像信息量豐富，易于目標(biāo)識別等。

機載激光3D探測成像系統(tǒng)能夠快速精確地獲得地面的3D測量信息，與有人/無人機平臺相結(jié)合在地形測繪、森林調(diào)查、夜間軍事偵察、夜間搜尋與救援、軍事偽裝識別和水下目標(biāo)探測諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

國外現(xiàn)狀

國外發(fā)達(dá)國家開展激光成像探測技術(shù)的研究較早，目前已經(jīng)取得了相對豐碩的成果。機載激光3D探測成像系統(tǒng)伴隨著激光的問世一同發(fā)展。美國麻省理工學(xué)院(MIT)的林肯實驗室是世界上激光探測成像領(lǐng)域比較前沿的研究中心，其主要從事激光3D成像系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)技術(shù)研究，2004 年已經(jīng)成功研制出32×32焦平面成像陣列(FPA)激光3D成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用固體光纖泵浦激光器(530和780nm) ，激光測距頻率為8～10 kHz，采取了掃描工作方式來擴大視場角。

美國先進(jìn)科技公司(Advanced Scientific Con- cepts Inc.) 也公布了激光3D成像雷達(dá)的原型樣機(圖1) ，該樣機采用128×128 InGaAs PIN 陣列來實現(xiàn)激光飛行時間的測量。瑞典的 CSEM 開發(fā)了另外一種激光3D成像系統(tǒng) FPA 傳感器，并致力于開發(fā)一種集成、低功耗、小型化的實時激光3D成像系統(tǒng)，其具有30Hz的成像幀頻，124pixel×160 pixel，每個像元均可以通過測量信號(激光調(diào)制產(chǎn)生) 的相位差來得到激光的傳輸時間。目前該系統(tǒng)主要應(yīng)用于無人車輛成像，測量距離較近。

圖1：機載激光3D成像雷達(dá)的原型樣機

另外，美國雷聲公司和洛克希德馬丁公司也都致力于下一代無人車激光 3D成像雷達(dá)的研究，其采用的面陣雪崩光電二極管(APD)探測器等單元技術(shù)均極大地推進(jìn)了激光3D成像雷達(dá)的發(fā)展。機載激光3D成像系統(tǒng)不但包括激光3D 成像技術(shù)，還包括 INS/GPS 組合導(dǎo)航、陀螺穩(wěn)定平臺、數(shù)據(jù)的處理與3D顯示等技術(shù)，其涉及學(xué)科更廣、技術(shù)難度更大。

圖2 JIGSAW系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

下面介紹幾個國外最新的機載激光3D成像系統(tǒng)：

(1) 小型無人機載激光3D探測成像傳感(JIGSAW) 系統(tǒng)

2007 年資料報道的 JIGSAW系統(tǒng)為美國高級防御研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)和美國陸軍夜視和電子傳感器管理局(The U.S. Army Redcomcerdec Night Vision and Electronic Sensors Directorate，NVESD) 研制的一種集成、輕型的，可以用來對植物遮蔽下的隱秘目標(biāo)進(jìn)行成像的激光3D成像系統(tǒng)，旨在得到更高分辨率的成像及對遮蔽物體的識別能力，計劃裝備于DP-5X 型無人飛機。

系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。JIGSAW 系統(tǒng)可分為平臺上系統(tǒng)與平臺下系統(tǒng)。30 cm(12 in) 的穩(wěn)定平臺(內(nèi)含光子計數(shù)直接探測型激光3D成像系統(tǒng)、傳感器控制電路及熱控等) 采用4軸機構(gòu)，結(jié)合 INS/GPS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)實現(xiàn)激光3D成像系統(tǒng)視軸的高精度穩(wěn)定、指向控制與感知。平臺下系統(tǒng)包括系統(tǒng)控制器、電源、高速數(shù)據(jù)處理器和高數(shù)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)(3D圖像向地面控制站的實時傳輸?shù)? 。

(2) 機載激光測深系統(tǒng)(LADS)

2008年的JANE 防務(wù)周刊報道了機載激光測深系統(tǒng)(LADS) 。LADS安裝在固定翼飛行器上用于探測深海，初期為澳大利亞政府的防務(wù)科學(xué)與技術(shù)部門設(shè)計，早于 1998 年已服役。系統(tǒng)參數(shù)如表1所示，其基本組成可分為:1) 穩(wěn)定激光平臺(Stabilized laser platform) ：900 Hz的全固態(tài)紅外激光器安裝在穩(wěn)定平臺上，以便隔離機體的俯仰、橫滾、航向的姿態(tài)運動。2) 機載接連慣導(dǎo)系統(tǒng)：為系統(tǒng)提供重要的位置、姿態(tài)基準(zhǔn)信息。3) 機載激光控制與數(shù)據(jù)獲取軟件與設(shè)備：實時記錄激光測距信息、精確的位置信息與姿態(tài)信息( INS/GPS) 、穩(wěn)定平臺的角度信息等，為地面設(shè)備的后處理完成測量數(shù)據(jù)的收集。

4) 數(shù)據(jù)處理軟件和設(shè)備。

表1 系統(tǒng)參數(shù)

表2 系統(tǒng)參數(shù)

(3) 直升機3D-LZ Imaging LADAR

圖3 3D-LZ LADAR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(4) 機載對地高分辨詳查系統(tǒng)

機載高分辨詳查是高分辨縮放技術(shù)的基本前提。美國國家生態(tài)觀測網(wǎng)( National Ecological Ob- servatory Network，NEON) 為了掌握和預(yù)測大地氣候的變化、土地用途變化、植被生態(tài)情況等，研制了適應(yīng)于低空飛機的遙感詳查系統(tǒng)。系統(tǒng)載荷包括高分辨的機載成像光譜儀、機載激光成像系統(tǒng)和高分辨相機，輔助系統(tǒng)包括差分GPS和INS。其激光成像系統(tǒng)的主要指標(biāo)如表3所示。

表3 系統(tǒng)參數(shù)

上面介紹的4個機載激光3D成像系統(tǒng)，由于工作任務(wù)的不同技術(shù)方案也不盡相同。JIG- SAW 項目的主攻目標(biāo)是：

（1）研制一種小型、集成、低功耗的3代無人機機載激光3D成像系統(tǒng)。

（2）探討系統(tǒng)在遮蔽環(huán)境下進(jìn)行目標(biāo)的識別與探測的可行性。

（3）推進(jìn)數(shù)據(jù)的實時傳輸與處理技術(shù)在項目中的應(yīng)用。

LADS 系統(tǒng)采用特定波長的激光器實現(xiàn)對海洋深度的勘察，更具有大視場范圍，并且測量數(shù)據(jù)為后處理，不要求圖像信息的實時傳輸與處理。直升機 3D-LZ Imaging LADAR 系統(tǒng)成像距離近，在系統(tǒng)穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)選擇上大大簡化，直接由INS 慣導(dǎo)系統(tǒng)、激光3D成像系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)組成，并必須要求實時圖像處理與顯示系統(tǒng)。機載對地高分辨詳查系統(tǒng)要求得到更加豐富的遙感信息，其激光成像系統(tǒng)要求更高的分辨率，載機工作高度較LADS高，對導(dǎo)航系統(tǒng)、掃描控制系統(tǒng)的要求也更高。

國內(nèi)現(xiàn)狀

國內(nèi)激光3D探測成像系統(tǒng)(LADAR)研究起步較晚，目前處于前期階段。主要有: 電子部27所研制的直升機防撞激光3D成像系統(tǒng)，系統(tǒng)采用半導(dǎo)體泵浦的YAG激光器，利用兩個諧振鏡進(jìn)行掃描; 華中科技大學(xué)研制的海洋探測激光 3D成像系統(tǒng)，系統(tǒng)采用YAG調(diào)Q倍頻激光器，利用卵形螺旋掃描方式; 哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的障礙物回避用激光3D成像系統(tǒng)，已研制出實驗室樣機，采用1.06 μm 半導(dǎo)體泵浦YAG激光器，利用兩個諧振鏡進(jìn)行掃描成像，成像速率為7frame/s，幀分辨率為 32 pixel×32 pixel，作用距離為2 km，回波強度等級為16級。整體而言，國內(nèi)機載激光3D成像系統(tǒng)方面的研究已經(jīng)取得一定的成果，但與國外相比存在較大差距，相關(guān)報道十分有限。

圖4 蓋革模式APD陣列的激光3D成像雷達(dá)原理圖

以MIT林肯實驗室研制的基于改革模式雪崩光電二極管(APD) 陣列的激光3D成像系統(tǒng)為例，原理如圖4所示。高重頻脈沖激光發(fā)散光束，照明整個欲成像的場景; 反射回的光照射到2D APD 陣列上，APD陣列測得返回的光到達(dá)時間，而不是回波強度; 每個像元給出距離值，從而對每一激光脈沖，激光3D成像系統(tǒng)獲得角-角-距3D像。

區(qū)別于傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的探測光強，無論是基于焦平面成像(如APD陣列) 還是單像元掃描，激光3D成像系統(tǒng)均是探測每個像元上激光發(fā)射到返回的傳播時間，結(jié)合激光光束的空間指向角信息，形成角-角-距測量數(shù)據(jù)，進(jìn)而處理得到 3D圖像。機載激光3D成像系統(tǒng)在激光光軸的空間指向控制與獲取上與其它激光成像系統(tǒng)區(qū)別較大，也是機載成像系統(tǒng)的核心技術(shù)難點之一。機載激光3D 成像系統(tǒng)的工作原理如圖5所示。

圖5 機載激光3D成像系統(tǒng)原理圖

機載激光3D成像系統(tǒng)由于測距載體載機自身的運動(質(zhì)點運動、姿態(tài)運動) ，激光測距方向的掃描控制與感知，載機位置姿態(tài)的感知(INS/GPS) 都是機載激光3D成像系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。全系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)一般可以分為總體關(guān)鍵技術(shù)和單元關(guān)鍵技術(shù)。由于機載激光3D成像系統(tǒng)分為穩(wěn)定平臺、激光發(fā)射/接收測距系統(tǒng)、INS/DGPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)等，所以系統(tǒng)必然設(shè)計分系統(tǒng)間誤差分配、多系統(tǒng)安裝誤差標(biāo)定補償?shù)认到y(tǒng)集成的總體關(guān)鍵技術(shù)。此外，研制過程中系統(tǒng)的單元技術(shù)更為核心，從工作目標(biāo)上分為激光測距系統(tǒng)、激光光軸控制與指向測量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)圖像處理與顯示系統(tǒng)。

3.1 激光測距系統(tǒng)

激光測距系統(tǒng)是激光3D成像系統(tǒng)的核心。可以概括為激光光源、探測器(G-APD陣列探測器) 、激光發(fā)射/接收光學(xué)系統(tǒng)。

3.1.1 激光光源

激光發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計的主要指標(biāo)有: 發(fā)射激光的峰值功率、脈沖寬度、重復(fù)頻率和發(fā)散角等。由激光3D成像系統(tǒng)距離方程可知，APD探測器上接收到的激光回波的峰值功率和發(fā)射激光的峰值功率成正比，即發(fā)射激光的峰值功率越高，APD探測器上接收到的激光回波的峰值功率也越高，從而作用距離也越遠(yuǎn)。所以為了提高作用距離，應(yīng)盡可能采用峰值功率高的激光器。激光脈沖寬度減小有利于提高時刻鑒別精度，有利于減少半導(dǎo)體激光器發(fā)熱從而能提高重復(fù)頻率。但激光脈沖寬度越小意味著相應(yīng)的電信號帶寬越寬，從而要求APD探測器、跨阻放大電路和壓控放大電路的帶寬越寬，半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動電源輸出電流脈沖越窄，所以選擇激光脈沖時要綜合考慮。作為激光測距系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，激光器的選擇十分關(guān)鍵。

(1) 半導(dǎo)體激光器

半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用已經(jīng)覆蓋了整個光電子學(xué)領(lǐng)域。美國是半導(dǎo)體激光器泵浦技術(shù)開發(fā)應(yīng)用較早、進(jìn)展最快的國家，日本、英國和德國的西門子公司早在 1988～1989 年就提供了高功率半導(dǎo)體激光器系列產(chǎn)品用作泵浦光源，目前國外用半導(dǎo)體激光器疊層陣列泵浦 Nd:YAG 激光器，輸出功率可達(dá)到1000 W，未來工業(yè)和國防應(yīng)用的半導(dǎo)體激光泵浦技術(shù)將產(chǎn)生巨大變革。

二極管激光測距儀開發(fā)較早，小于1 km 測量距離的商用測距儀已達(dá)到實用水平，用于測距報警系統(tǒng)、航海浮標(biāo)測距、集裝箱檢查等。GaAs 激光測距儀以每秒數(shù)千次的脈沖重復(fù)頻率工作，在距離幾公里內(nèi)精度可達(dá)幾厘米。上世紀(jì)80年代，美國科頓公司的M931型半導(dǎo)體激光測距夜視儀將單目夜視裝置和 GaAs 半導(dǎo)體激光器集為一體，測程超過1 km，重量為1.3 kg。美國國際激光系統(tǒng)公司的 GR500 型激光測距機，采用GaAs激光器，重復(fù)頻率為2 kHz，脈寬為40 ns，發(fā)散角為5～50 mrad，測程為3230 m，重量為10 kg。美國輕型反坦克武器激光測距機采用 GaAs 激光器，輸出功率為40 W，脈寬為70 nm，發(fā)射角為10 mrad，重復(fù)頻率為5. 7 kHz，測距＞500m。隨著半導(dǎo)體激光泵浦固體激光器的發(fā)展，美國麥道公司已將它引入軍用市場，90 年代初開始在 FA－18 戰(zhàn)斗機上進(jìn)行試驗，并投入生產(chǎn)。用氣冷的激光二極管泵浦 Nd:YAG，輸出波長為 1. 064 μm 或532 nm，脈沖能量達(dá)200 mJ，工作溫度為－35 ℃～+ 60 ℃，該裝置的重量為 4.5～5.7 kg。

圖6 微片激光器

(2) 微片激光器

美國的林肯實驗室已經(jīng)開發(fā)出與3D雷達(dá)成像系統(tǒng)高度兼容的尖端激光器，其中用途最多的一種叫做微片激光器，如圖6所示。其主要采用ND-YAD泵浦和Cr4+泵浦，被動調(diào)Q方式，關(guān)鍵水平在于諧振腔的長度約為1mm，僅支持小于增益帶寬的縱向模式激光器。小型激光器的另一個分支技術(shù)是它的輸出脈沖寬度＜1ns，作為激光3D成像系統(tǒng)最佳的脈沖寬度。

微型激光器發(fā)展的目標(biāo)是增加單一脈沖的輸出能量。目前激光器可以達(dá)到脈沖重復(fù)頻率為1kHz，輸出能量為250J。而脈沖寬度低于ns量級(380 ps) 的激光器正在研制中。如圖7所示，根據(jù)微片激光器重復(fù)頻率和單一脈沖輸出能量的經(jīng)驗關(guān)系，最高的光子計數(shù)效率對應(yīng)激光器有一個非常高的重復(fù)頻率。這樣一來，單一脈沖能量會非常小，并且主控振蕩器的放大率也應(yīng)該適當(dāng)對應(yīng)。在這種情況下，整個系統(tǒng)的主要振蕩將來自于微片激光器。

圖7 微片激光器的輸出性能

3.1.2 直接探測距離的陣列接收技術(shù)—G-APD陣列探測器

工作在改革模式下G-APD的反向偏置電壓高于雪崩電壓。如果接收到一個光子，會發(fā)生雪崩現(xiàn)象，使電流達(dá)到最大值，這個過程通常是瞬態(tài)的(不到 1 ps) 。G-APD陣列探測器兼具單光子探測靈敏度和皮秒級時間分辨率兩大特點，適用于對極微弱光目標(biāo)的 3D 成像探測。同時，G-APD陣列探測器又是一種全固態(tài)的光電探測器件，不僅體積小、重量輕、可靠性高，而且還可利用現(xiàn)有的微光電子工藝實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。近來，林肯實驗室開發(fā)了一種32×32 陣列的Si基G-APD探測陣列(如圖8所示) 。

鑒于此陣列探測器設(shè)計為用于微弱光目標(biāo)角-角距3D成像，因此各像元電路的功能只為測量光子的到達(dá)時間。G-APD的每個像元均采用平面結(jié)構(gòu)。像元光敏面尺寸為30～50 μm，像 元間距為100 μm。每個單元均有相應(yīng)的電路單元，電路單元是一種數(shù)字計時器，具有類似于秒表的功能; 每個像元的計數(shù)器均按規(guī)定的程序?qū)驳臅r鐘脈沖計數(shù)，只要發(fā)現(xiàn)有單光子入射某像元，該像元探測器輸出的雪崩電流脈沖就將終止相應(yīng)計數(shù)器單元的計數(shù)并保存結(jié)果，用于讀出。

圖8 32×32APD陣列探測器

3.1.3 激光發(fā)射/接收光學(xué)系統(tǒng)

圖9 組合透鏡法的激光發(fā)射/接受系統(tǒng)光路圖

激光3D成像系統(tǒng)，并設(shè)計了一套正交光柵衍射分光光學(xué)系統(tǒng)。利用伽利略望遠(yuǎn)鏡對532nm 脈沖激光進(jìn)行準(zhǔn)直擴束; 針對APD陣列的特點，使用2D 正交光柵和聚焦透鏡對擴束光進(jìn)行衍射分光，光斑經(jīng)發(fā)射-接收分光鏡和發(fā)射透鏡后照明APD像元的瞬時視場; 利用發(fā)射-接收分光鏡使發(fā)射光路與接收光路分開。

3.2 激光光軸控制與指向測量系統(tǒng)

激光光軸控制與指向測量系統(tǒng)主要由包括INS/GPS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)，陀螺穩(wěn)定平臺和激光掃描控制系統(tǒng)等組成。

3.2.1 INS /GPS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)

載機的精確位置和姿態(tài)是機載激光3D成像系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的重要組成部分，載機位置姿態(tài)的精確測量設(shè)備即為INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)。因INS/GPS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)的INS 和GPS 均為全球方位、全天候段的導(dǎo)航設(shè)備，能提供十分完整的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，可優(yōu)勢互補。

INS 主要具備實時性好、分辨率高、自主性強的優(yōu)點，但也同時具有誤差隨時間發(fā)散、技術(shù)復(fù)雜、價格昂貴的缺點。GPS( 或者格洛納斯、北斗)與INS 相比具有價格低廉、誤差不發(fā)散、位置精度高的特點，但同時GPS 的實時性、分辨率及自主性較差。

組合導(dǎo)航系統(tǒng)可以綜合兩種導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)點，結(jié)合先進(jìn)的數(shù)據(jù)融合濾波技術(shù)可以大大提升單系統(tǒng)的能力。區(qū)別于傳統(tǒng)組合導(dǎo)航系統(tǒng)，成像補償用組合導(dǎo)航系統(tǒng)精度要求更高，我國在這方面技術(shù)差距很大。表4給出了國內(nèi)外應(yīng)用于合成孔徑雷達(dá)(SAR) 成像運動補償?shù)慕M合導(dǎo)航系統(tǒng)參數(shù)。如加拿大APPLANIX 公司的 SAR 運用撓性陀螺慣性測量單元(IMU)/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)POS/AV510，POS/AV510應(yīng)用于美國Sandia 國家實驗室研制的Lynx SAR，使Lynx SAR 實現(xiàn)了0. 1m分辨率，具體參數(shù)見表 4，其中C/A與DGPS是衛(wèi)星導(dǎo)航中不同的定位解算方式。

表4 POS/AV510系統(tǒng)參數(shù)

表5 SARMC 系統(tǒng)參數(shù)

3.2.2 陀螺穩(wěn)定平臺

陀螺穩(wěn)定平臺用以隔離載機的俯仰、橫滾、航向姿態(tài)運動，為有效載荷( 激光3D成像系統(tǒng)的測距系統(tǒng)) 提供良好的工作環(huán)境，針對不同任務(wù)需求的激光 3D 成像系統(tǒng)，對陀螺穩(wěn)定平臺的要求也不同。

2.1節(jié)提到的直升機激光3D著陸成像系統(tǒng)采用了單軸(俯仰軸) 穩(wěn)定，并且該俯仰軸集合了俯仰掃描功能，另有擺掃鏡進(jìn)行水平擺掃。采用該結(jié)構(gòu)可以有效降低系統(tǒng)的成本，光軸控制精度滿足直升機的工作要求。澳大利亞政府支持的 LADS 系統(tǒng)，激光3D成像系統(tǒng)的測距系統(tǒng)安裝在3軸穩(wěn)定平臺中(要求隔離俯仰、橫滾、航向運動) ，擺鏡為橫向擺掃，隨著載機的前進(jìn)推掃成像。

美國的 JIGSAW 系統(tǒng)則采用高精度的 4 軸穩(wěn)定平臺，可在 GPS/INS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)的輔助下提供高精度的視軸穩(wěn)定控制和高精度的激光指向信息測量。而用于航天器的激光3D成像系統(tǒng)，由于航天器的運動姿態(tài)穩(wěn)定，一般激光3D成像系統(tǒng)的測距系統(tǒng)直接捷聯(lián)安裝在載體上，需要根據(jù)要求設(shè)計擺鏡的光軸擺掃方式，可以不用穩(wěn)定平臺。

機載穩(wěn)定平臺的結(jié)構(gòu)形式有別于傳統(tǒng)航空吊艙穩(wěn)定平臺的要求，相近于航空相機穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)，旨在隔離載機的俯仰、橫滾運動。航空吊艙中常見的光電陀螺穩(wěn)定平臺形式有: 2軸2框架穩(wěn)定平臺，2軸4框架穩(wěn)定平臺，3軸3框架穩(wěn)定平臺。

3.3 數(shù)據(jù)圖像處理與顯示系統(tǒng)

圖10 3軸3框架示意圖

機載激光3D成像系統(tǒng)測量的數(shù)據(jù)處理技術(shù)涵蓋多個方面，包括動態(tài) GPS 數(shù)據(jù)后處理、INS 和 GPS 組合姿態(tài)確定、不同傳感器觀測值的時間系統(tǒng)同步處理、激光腳點3D坐標(biāo)計算、坐標(biāo)系統(tǒng)的變換、系統(tǒng)誤差的改正、粗差的剔除、數(shù)據(jù)的濾波分類，還包括 DEM/DTM 的生成以及后續(xù)的地物提取、建筑物3D重建、3D模型建立等高級處理技術(shù)。其中激光腳點坐標(biāo)的計算需要3組數(shù)據(jù):系統(tǒng)檢校和安置參數(shù)、激光測距值及位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)。為計算出數(shù)字高程模型及地物提取，先將激光腳點數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行濾波分類，即地面點與非地面點分開。

通過數(shù)據(jù)濾波后，能內(nèi)插生成數(shù)字高程模型(DEM) ，以及后續(xù)的地物提取、建筑物3D重建、3D模型等高層次處理。在國外，機載激光3D成像系統(tǒng)測量技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，硬件技術(shù)與系統(tǒng)問題研究基本解決，但相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理的算法還處于前期研究階段，其中如何消除系統(tǒng)誤差對3D激光腳點坐標(biāo)的影響、激光3D成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)的濾波分類以及地物識別和提取是關(guān)鍵研究內(nèi)容。目前中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所采用一種組合CCD圖像和稀疏激光測距數(shù)據(jù)的建筑物3D信息提取的方法。

該方法采用高分辨率的航空CCD圖像和機載激光掃描測距數(shù)據(jù)準(zhǔn)確而自動地提取了大部分建筑物的3D信息，并充分考慮了CCD圖像的高分辨率特性和激光掃描測距數(shù)據(jù)的3D特性，做到互相補充。通過CCD圖像提取建筑物的輪廓信息，并根據(jù)激光測距數(shù)據(jù)提取建筑物的高度信息，二者結(jié)合起來重建了建筑物的 3D 信息。

3.3.2 測量誤差處理

機載激光 3D 成像系統(tǒng)的測量誤差主要包括: 激光掃描測距誤差、GPS 動態(tài)定位誤差、INS姿態(tài)測量誤差、動態(tài)時延誤差、二類高程誤差、掃描角誤差、激光束發(fā)散角所產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差和系統(tǒng)集成綜合誤差。為了提高機載激光 3D 成像系統(tǒng)的測量精度，最大可能地降低各種系統(tǒng)誤差的影響，通常采用建立誤差改正模型、儀器檢校和條帶平差改正的方法。

3.3.3 數(shù)據(jù)濾波和分類

從激光腳點數(shù)據(jù)點云中提取數(shù)字地面高程模型(DTM/DEM) ，需要將其中的地物數(shù)據(jù)腳點去掉，即進(jìn)行激光3D成像系統(tǒng)的濾波。在進(jìn)行地物提取和物體的3D重建過程中，植被數(shù)據(jù)點和人工地物點的區(qū)分，以及城市建筑物數(shù)據(jù)點云的提取，即為激光3D成像系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分類。研究如何從激光數(shù)據(jù)點云中分離出地形表面激光腳點數(shù)據(jù)子集，以及區(qū)分不同地物激光腳點數(shù)據(jù)子集，就是數(shù)據(jù)的濾波和分類，有時濾波和分類是同時進(jìn)行的。

目前，用于機載激光3D成像系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)濾波的方法多是基于3D激光腳點數(shù)據(jù)的高程突變信息進(jìn)行的，大致可以分為形態(tài)學(xué)濾波法、移動窗口法、高程紋理分析法、迭代線性最小二乘內(nèi)插法、基于地形坡度濾波等幾種方法。但是幾乎每種方法都有自身的缺陷，有待改進(jìn)，有些方法需要分步反復(fù)迭代進(jìn)行。

通常所有的方法都強調(diào)高程低的腳點屬于地面腳點，高程較高的腳點不在地面上，這樣會帶來一定的系統(tǒng)誤差。所以濾波算法一般采用半自動或人工操作方式，能否設(shè)計出一種簡單、實用、穩(wěn)健的濾波算法，是機載激光3D成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理中必須解決的關(guān)鍵問題之一。

圖11給出的是城區(qū)內(nèi)機載激光3D成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)濾波前后的對比圖，結(jié)果表明，濾波算法能夠優(yōu)先過濾出大型建筑物。如果要進(jìn)行地物提取，就必須在濾波的基礎(chǔ)上對地物腳點進(jìn)行分類，以實現(xiàn)機載激光3D成像系統(tǒng)自動提取地面目標(biāo)。目前絕大多數(shù)算法都是先將原始數(shù)據(jù)直接內(nèi)插成規(guī)則格網(wǎng)的距離圖像，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行基于高程紋理特征的分類。即利用2D GIS數(shù)據(jù)進(jìn)行分類; 基于小波變換和尺度空間理論進(jìn)行分類以及利用局部直方圖分析技術(shù)并融合激光強度信息進(jìn)行分類。

圖12是機載激光3D成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波分類后的效果圖，圖中所示的車輛和植被被過濾了，保留了地形的特征線。

圖11 數(shù)據(jù)濾波前后對比圖

圖12 數(shù)據(jù)濾波分類效果圖

3.3.4 激光回波信號強度與激光腳點高程的融合

機載激光3D成像系統(tǒng)的測量系統(tǒng)不僅能提供數(shù)據(jù)點的高程信息，且越來越多的系統(tǒng)能夠提供激光回波信號的強度信息。激光脈沖達(dá)到相同的物質(zhì)表面時，其回波信號的強度較為接近，而每種物質(zhì)對激光信號的反射特性是不一樣的。利用介質(zhì)材料的反射率能夠確定激光回波的能量值，從而對不同介質(zhì)材料進(jìn)行標(biāo)定，根據(jù)這一特點，能夠方便地區(qū)分不同的地物，如道路、沙石、草地和灌木叢等。

圖13右側(cè)為掃描區(qū)域真實的相片，左側(cè)為激光3D成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合激光強度信息和高程信息進(jìn)行分類后的效果圖。將系統(tǒng)的激光回波信號的強度信息與激光腳點高程信息融合，進(jìn)而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分類，能夠提高系統(tǒng)對地形的測量精度，目前此問題在國際上還處于研究階段。

3.3.5 建立3D模型

機載激光3D成像系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展已有20多年的歷史，但利用機載激光 3D 成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行3D重建的研究并不多。目前主要有以下幾種方法: 1995 年 Weidner等人從高空分辨率的數(shù)字表面模型中自動提取規(guī)則棱柱形房屋模型; 1999年Haala 等人聯(lián)合多光譜影像和激光3D成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行建筑物和樹的模型提取; 1999年 Mass 等人基于分析激光腳點點云的矩不變提出了從機載激光3D成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)中自動提取建筑物模型的方法。

激光腳點數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波和分類后，形成一系列彼此分開的點群信息標(biāo)定其地物屬性，這樣就確定了屋頂激光腳點點集，并采用掃描帶法分離出每個建筑物的激光腳點集。

通過分析這些激光腳點間的幾何拓?fù)潢P(guān)系，利用3DHough 變換就能重建出屋頂?shù)谋砻嫘螒B(tài)。將分類得到的房屋激光腳點垂直投影到xy平面，這些投影點的幾何構(gòu)形的強度信息與激光腳點高程信息融合，進(jìn)而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分類，能夠提高系統(tǒng)對地形的測量精度，目前此問題在國際上還處于研究階段。就反映了建筑的邊界、外形、大小、方位等幾何參數(shù)。

圖13 融合強度信息濾波分類結(jié)果

機載激光3D成像技術(shù)能夠提供極高的角分辨率和距離分辨率，還可以合成目標(biāo)的高分辨率3D圖像，而且3D圖像的生產(chǎn)周期短，因而在軍事（例如導(dǎo)彈的精確制導(dǎo)等） 和民用領(lǐng)域（例如公路鐵路勘探等）具有極高的應(yīng)用價值。除了文中探討的單元關(guān)鍵技術(shù)，還需考慮系統(tǒng)的重量、體積以及成本等多方面因素。機載激光3D成像作為一種新興技術(shù)，具有傳統(tǒng)技術(shù)無法比擬的優(yōu)點，必將在未來的國防和國民經(jīng)濟中占有越來越重要的地位。

END

版權(quán)說明

內(nèi)容出處：《中國光學(xué)》2011年第3期

版權(quán)歸《中國光學(xué)》編輯部所有

作者：孟慶季，張續(xù)嚴(yán)等

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