專利名稱：一種機載激光雷達(dá)航測參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及航空遙感及對地觀測領(lǐng)域，主要為一種實現(xiàn)機載激光雷達(dá)航測參數(shù)優(yōu)化設(shè)計的方法。
背景技術(shù)：
機載激光雷達(dá)(Li DAR)是一種新興的主動對地觀測手段，可以高效、準(zhǔn)確地測量地形信息，從而獲得高分辨率的地球空間信息，因此廣泛應(yīng)用于地形測繪、海洋測深、三維城市建模、軍事國防等領(lǐng)域。但機載激光雷達(dá)是一種集飛行平臺、激光測量系統(tǒng)為一體的高成本航測手段，民用方面目前國內(nèi)僅有幾家公司擁有機載激光雷達(dá)航測系統(tǒng)，其租用成本較高。因此，在滿足航測要求的情況下，快速地完成航測任務(wù)無論對降低用戶成本還是幫助廠家開拓市場都勢在必行。除此之外，在一些特殊應(yīng)用領(lǐng)域，如軍事偵查，快速地完成測量任務(wù)，不僅關(guān)系到自身的安全還影響到對作戰(zhàn)時機的把握。因此，在航測任務(wù)開始之前，必須對航線位置、飛行速度、飛行高度等航測參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，在滿足航測要求的情況下， 快速、低成本、高效地完成航測任務(wù)。目前，較為成熟的遙感領(lǐng)域的飛行管理軟件都是適用于航空攝影的軟件系統(tǒng)，比如北京大學(xué)遙感與地理信息系統(tǒng)研究所開發(fā)的航空遙感任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)(Airborne Remote Sensing Mission Planning System，簡稱ARSMPS)用于無人機航測；國家基礎(chǔ)地理信息中心和武漢大學(xué)聯(lián)合開發(fā)研制一套"基于DEM的航空攝影技術(shù)設(shè)計系統(tǒng)"，適用于復(fù)雜地形條件下的測區(qū)規(guī)劃、航線敷設(shè)。而機載激光雷達(dá)方面，由于國產(chǎn)LiDAR硬件的開發(fā)研制剛剛起步，還沒有成熟的飛行作業(yè)軟件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明以激光器參數(shù)、飛行參數(shù)、掃描系統(tǒng)參數(shù)與激光腳點分布的映射關(guān)系為約束，在滿足激光腳點分布密度及各個參數(shù)的實際范圍的情況下，以掃描帶條數(shù)為自變量，以所需掃描時間最少為目標(biāo)，確定出最佳的航測參數(shù)及飛行航線位置。本發(fā)明提出的一種機載激光雷達(dá)航測參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法采用以下技術(shù)方案在機載激光遙感系統(tǒng)位置測量精度、姿態(tài)測量精度、距離測量精度一定的情況下， 影響三維形貌重建精度的主要因素就是激光腳點的分布情況，通過分析激光器參數(shù)、飛行參數(shù)、掃描系統(tǒng)參數(shù)與激光腳點分布的映射關(guān)系，在滿足激光腳點分布密度要求及各個參數(shù)的實際范圍的情況下，以掃描航帶數(shù)為自變量，以所需掃描時間最少為目標(biāo)，確定出最佳的航測參數(shù)。其特征在于，建立激光器參數(shù)、飛行參數(shù)、掃描系統(tǒng)參數(shù)與激光腳點分布的映射關(guān)系；以滿足激光腳點分布密度要求為前提條件，以掃描帶條數(shù)為自變量，以對掃描區(qū)域完成掃描用時最少為優(yōu)化目標(biāo)，以各個參數(shù)與激光腳點分布的映射關(guān)系為約束條件，求得最佳的掃描帶條數(shù)、激光器參數(shù)、飛行參數(shù)、掃描系統(tǒng)參數(shù)以及掃描時間。該方法在航測開始之前進行航測參數(shù)設(shè)計，并在航測過程中對飛行航線位置進行監(jiān)測和校正。其中，所述激光器參數(shù)包括激光脈沖重復(fù)頻率、激光束發(fā)散角；所述飛行參數(shù)包括飛行平臺的飛行速度、相對被測地面區(qū)域的飛行高度和在被測區(qū)域平面內(nèi)的飛行航線位置；所述掃描系統(tǒng)參數(shù)包括掃描角、掃描頻率；其他參數(shù)還包括掃描帶重疊度。本發(fā)明按照三維重建精度對激光腳點分布密度的要求，根據(jù)掃描區(qū)域、飛行平臺、激光雷達(dá)系統(tǒng)的特點，設(shè)計出航測用時最少的航測參數(shù)，適用于激光雷達(dá)掃描成像的航空遙感領(lǐng)域。其中，以滿足激光點云分布密度要求為前提，具體就是激光腳點的航向間距和旁向間距。在機載激光雷達(dá)系統(tǒng)中，當(dāng)位置測量精度、姿態(tài)測量精度、距離測量精度一定的情況下，影響目標(biāo)三維重建精度的主要影響因素就是采樣點密度，即激光點云密度，點云密度的評價參數(shù)就是航向間距和旁向間距。其中，以激光腳點分布與激光器參數(shù)、飛行參數(shù)、掃描系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系為約束條件。其中，所述激光器參數(shù)包括激光脈沖重復(fù)頻率、激光光束發(fā)散角；所述飛行參數(shù)是指飛行平臺的飛行速度和相對航測區(qū)域地面的飛行高度和在被測區(qū)域平面內(nèi)的飛行航線位置；所述掃描系統(tǒng)參數(shù)是指掃描機構(gòu)的掃描頻率。其中，所述激光腳點分布與激光器參數(shù)、飛行參數(shù)、掃描系統(tǒng)參數(shù)之間的映射關(guān)系為理想情況下，機載平臺做勻速直線運動，飛行高度和掃描角決定了掃描帶寬，飛行速度和掃描頻率決定了掃描點的航向間距，重復(fù)頻率影響每一條掃描線上的掃描點數(shù)的多少， 重復(fù)頻率、掃描帶寬和掃描頻率共同決定了激光腳點旁向間距，其中以最大旁向間距作為整體旁向間距的衡量標(biāo)準(zhǔn)。其中，所述約束關(guān)系中的參數(shù)除了激光器參數(shù)、飛行參數(shù)和掃描系統(tǒng)參數(shù)外，還包括掃描帶重疊度，即相鄰兩條掃描帶的重疊程度，一定的掃描帶重疊度確保航測過程中漏掃現(xiàn)象不會發(fā)生。其中，所述優(yōu)化目標(biāo)是以完成掃描區(qū)域的航測時間最少。在滿足激光腳點分布要求下，能以最短的時間完成掃描任務(wù)，則在實際應(yīng)用中能夠降低航測成本，高效地完成航測任務(wù)。其中，所述航測飛行平臺指機動靈活、低空飛行的機載平臺。其中，所述以掃描航帶數(shù)為自變量，以因變量所需掃描時間最少為目標(biāo)，確定出最佳的航測參數(shù)及飛行航線位置的方法為當(dāng)激光器的脈沖重復(fù)頻率、掃描機構(gòu)的掃描角度、 掃描帶的重疊度確定時，根據(jù)約束關(guān)系可以得到各個參數(shù)隨掃描帶條數(shù)不斷變化的對應(yīng)值，航測參數(shù)包括航測主參數(shù)(飛行高度、飛行速度、飛行航線位置、掃描頻率)和航測延伸參數(shù)(掃描帶寬、航向間距、掃描行點數(shù)、飛行時間)，然后根據(jù)平臺的飛行速度范圍、飛行高度范圍、掃描頻率范圍，確定出滿足條件的最佳參數(shù)取值。本發(fā)明的有益效果在航測區(qū)域確定后，航測任務(wù)執(zhí)行前，對航測參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，確定出最佳的航測參數(shù)，并以此為基準(zhǔn)，對航測任務(wù)執(zhí)行中的實際參數(shù)值進行校正，從而按照對激光腳點分布密度的要求高效地完成航測任務(wù)。本發(fā)明中航測參數(shù)的設(shè)計也可以作為飛行平臺選擇、掃描系統(tǒng)設(shè)計的參考。本發(fā)明適用于機載激光雷達(dá)掃描成像系統(tǒng)的航測參數(shù)設(shè)計和飛行規(guī)劃與管理，在航空遙感領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。


圖1為航測參數(shù)優(yōu)化設(shè)計流程示意圖2為機載激光雷達(dá)航測激光腳點分布示意圖；圖3為航測區(qū)域及航線規(guī)劃示意圖；圖4為航測掃描時間隨掃描帶條數(shù)變化示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實施方式
。航測參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計流程如圖 1所示，以滿足激光腳點分布101為前提條件，以掃描帶條數(shù)102為自變量，以104對掃描區(qū)域完成掃描用時最少為優(yōu)化目的，以各個參數(shù)與激光腳點分布的映射關(guān)系為約束條件103， 求得最佳的航測參數(shù)值，再根據(jù)實際情況對參數(shù)進行調(diào)整107。其中航測參數(shù)包括航測主參數(shù)105和航測延伸參數(shù)106，航測主參數(shù)包括飛行高度、飛行速度、飛行航線位置和掃描頻率等，航測延伸參數(shù)包括掃描帶寬、航線間距、掃描行點數(shù)和掃描時間等。機載LiDA掃描測距系統(tǒng)主要包括激光測距單元、光學(xué)機械掃描單元，上述兩個單元的參數(shù)和機載平臺的飛行參數(shù)共同決定了激光腳點的分布。圖2是當(dāng)掃描機構(gòu)為多面轉(zhuǎn)鏡時的激光腳點分布206，圖中，201為飛行平臺，202為激光器光束，209為掃描方向，210為飛行方向。圖3是航測區(qū)域及航線規(guī)劃示意圖。理想情況下，機載平臺做勻速直線運動，主要考慮的飛行參數(shù)包括205飛行高度h和飛行速度v，激光發(fā)射系統(tǒng)的參數(shù)主要包括激光器的重復(fù)頻率F和發(fā)散角ω，掃描機構(gòu)的參數(shù)主要包括204掃描角Θ、掃描頻率fs。。飛行高度205和掃描角204決定了 304掃描帶寬L，飛行速度和掃描頻率決定了 208掃描點的航向分布間距dalg，重復(fù)頻率影響每一條掃描線上的掃描點數(shù)N的大小，重復(fù)頻率、掃描帶寬304 和掃描頻率共同決定了 207激光腳點的旁向間距da。s(以最大旁向間距作為整體旁向間距的衡量標(biāo)準(zhǔn))。根據(jù)以上各類參數(shù)和激光腳點分布關(guān)系，可以得出如下關(guān)系式L = 2htan ( θ /2)(1)N = F/fsc(2)dalg = v/fsc(3)而每行相鄰激光腳點的角間距203為Δ θ = θ /(N-I)(4)則旁向間距207可表示為dacs = h (tan ( θ /2) -tan ( θ /2— Δ θ )) (5)當(dāng)機載激光雷達(dá)系統(tǒng)的位置測量精度、姿態(tài)測量精度、距離測量精度一定的情況下，影響三維形貌重建精度的主要因素就是206激光腳點的分布情況，即參數(shù)dalg208、 dacs207。假設(shè)需要掃描成像的區(qū)域為一個標(biāo)準(zhǔn)的矩形區(qū)域301，長度303為a米，寬度302 為b米，如圖3所示。航測設(shè)計的最優(yōu)化設(shè)計就是在滿足腳點分布密度要求的情況下，以最短的時間完成測量。假設(shè)飛機沿著掃描區(qū)域長度方向飛行，則302掃描區(qū)域?qū)挾萣、304掃描帶寬度L、306掃描帶重疊度δ、掃描帶個數(shù)η之間滿足如下關(guān)系b = (n-l)L(l-δ )+L_2 δ L(6)在不考慮飛機轉(zhuǎn)換掃描帶所需時間的情況下，掃描整片區(qū)域所需時間為t = na/v(7)由式(1)-(7)得
權(quán)利要求
1.一種機載激光雷達(dá)航測參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法；所述方法建立激光器參數(shù)、飛行參數(shù)、 掃描系統(tǒng)參數(shù)與激光腳點分布的映射關(guān)系飛行高度和掃描角決定了掃描帶寬，飛行速度和掃描頻率決定了掃描點的航向分布間距，重復(fù)頻率影響每一條掃描線上的掃描點數(shù)的大小，重復(fù)頻率、掃描帶寬和掃描頻率共同決定了激光腳點旁向間距；所述方法以掃描航帶條數(shù)為自變量，以所需掃描時間為因變量，確定出航測參數(shù)；其特征在于，建立激光器參數(shù)、飛行參數(shù)、掃描系統(tǒng)參數(shù)與激光腳點分布的映射關(guān)系；以滿足激光腳點分布為前提條件，以掃描帶條數(shù)為自變量，以對掃描區(qū)域完成掃描用時最少為優(yōu)化目標(biāo)；以激光器參數(shù)、飛行參數(shù)、掃描系統(tǒng)參數(shù)與激光腳點分布的映射關(guān)系為約束條件，求得最佳的掃描帶條數(shù)、激光器參數(shù)、飛行參數(shù)、掃描系統(tǒng)參數(shù)以及掃描時間；所述方法在航測開始之前進行航測參數(shù)設(shè)計，并在航測過程中對實際航測參數(shù)進行監(jiān)測與校正；所述激光器參數(shù)包括激光脈沖重復(fù)頻率、激光束發(fā)散角；所述飛行參數(shù)包括飛行平臺的飛行速度、相對被測地面區(qū)域的飛行高度和在被測區(qū)域平面內(nèi)的飛行航線位置；所述掃描系統(tǒng)參數(shù)包括掃描角、掃描頻率；其他參數(shù)還包括掃描帶重疊度；本發(fā)明按照三維重建精度對激光腳點分布密度要求，根據(jù)掃描區(qū)域、飛行平臺、激光雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)的特點，設(shè)計出航測用時最少的航測參數(shù)。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種機載激光雷達(dá)航測參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，以滿足激光點云分布密度為前提；所述點云分布密度的評價參數(shù)是點云分布的航向間距和旁向間距，是影響三維圖像重建精度的重要因素之一。
3.按照權(quán)利要求1所述的一種機載激光雷達(dá)航測參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，所述激光器參數(shù)包括激光脈沖重復(fù)頻率、激光光束發(fā)散角；所述飛行參數(shù)是指飛行平臺的飛行速度、相對航測地面區(qū)域的飛行高度和在被測區(qū)域平面內(nèi)的飛行航線位置；所述掃描系統(tǒng)參數(shù)是指掃描機構(gòu)的掃描頻率。
4.按照權(quán)利要求1所述的一種機載激光雷達(dá)航測參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于所述激光腳點分布與激光器參數(shù)、飛行參數(shù)、掃描系統(tǒng)參數(shù)之間的映射關(guān)系為約束條件為飛行高度和掃描角決定了掃描帶寬，飛行速度和掃描頻率決定了掃描點的航向分布間距，重復(fù)頻率影響每一條掃描線上的掃描點數(shù)的大小，重復(fù)頻率、掃描帶寬和掃描頻率共同決定了激光腳點旁向間距。
5.按照權(quán)利要求1所述的一種機載激光雷達(dá)航測參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，所述約束關(guān)系中的參數(shù)除了激光器參數(shù)、飛行參數(shù)和掃描系統(tǒng)參數(shù)外，還包括掃描帶重疊度， 所述重疊度為相鄰兩條掃描帶的重疊程度，一定的掃描帶重疊度確保不會發(fā)生漏掃現(xiàn)象。
6.按照權(quán)利要求1所述的一種機載激光雷達(dá)航測參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，所述航測參數(shù)包括航測主參數(shù)和航測延伸參數(shù)；所述航測主參數(shù)包括飛行高度、飛行速度、飛行航線位置、掃描頻率；所述航測延伸參數(shù)包括掃描帶寬、航向間距、掃描行點數(shù)、飛行時間。
7.按照權(quán)利要求1所述的一種機載激光雷達(dá)航測參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，所述優(yōu)化設(shè)計是以完成掃描區(qū)域的航測時間最少為目的；在滿足激光腳點分布要求的情況下，能以最短的時間完成掃描任務(wù)。
8.按照權(quán)利要求1所述的一種機載激光雷達(dá)航測參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，所述航測飛行平臺為機動靈活、低空飛行的機載平臺。
9.按照權(quán)利要求1所述的一種機載激光雷達(dá)航測參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，在航測前完成所述航測參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，確定最佳的航測參數(shù)；在航測飛行過程中以最佳航測參數(shù)為基準(zhǔn)校正實際的航測參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種機載激光雷達(dá)航測參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計方法；該方法以激光器參數(shù)、飛行參數(shù)、掃描系統(tǒng)參數(shù)與激光腳點分布之間的映射關(guān)系為約束條件，在滿足航測作業(yè)要求的激光腳點分布密度及各個參數(shù)的實際范圍的情況下，以掃描航帶數(shù)為自變量，以所需掃描時間最少為目標(biāo)，確定出最佳的航測參數(shù)。
文檔編號G01S17/00GK102176003SQ20111003912
公開日2011年9月7日 申請日期2011年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月16日
發(fā)明者徐立軍, 李小路, 王建軍, 田祥瑞 申請人:北京航空航天大學(xué)