专利名称：一种机载激光雷达侧滚角偏差补偿方法
技术领域：
本发明涉及遥感及对地观测领域，主要为一种针对多面转镜扫描方式的机载激光雷达平台侧滚角偏差对扫描带的影响进行补偿的方法。
背景技术：
机载遥感以其作业灵活、成本低、操作方便、作业效率高、成图周期短等优点，广泛应用于地形测绘、海洋测深、大气环境监测、生态系统测量、军事国防等领域。机载激光雷达系统以飞机作为观测平台，以激光扫描测距系统为传感器，能实时获取地球表面的三维信息，是获取地球空间信息的高新技术手段。机载激光雷达测量系统的主要组成部分包括①用于测量平台位置和姿态的POS系统，包括动态差分GPS接收机和姿态测量单元(IMU)；②用于测量激光雷达信号发射参考点到地面脚点间距离的激光测距系统；③用于航摄成像的相机。目前，国内在激光雷达硬件方面的研究还处于起步阶段，但已有多家国外厂商提供机载激光雷达测量设备，如加拿大的Optech公司、奥地利的Riegl 公司等。目前国际国内的研究焦点主要集中在激光雷达测量数据的处理、平台数据测量精度的提高、激光多回波探测以及载荷平台姿态角变化对激光点云的影响等，但对姿态角偏差的补偿方法研究还没有。现有激光雷达扫描方式主要有四种典型方式摆镜扫描方式，多面转镜扫描方式， 光学纤维电扫描方式，圆锥扫描方式。多面转镜扫描方式以其扫描点分布均勻、可靠性稳定性高等特点，被越来越广泛采用，如Riegl和IGI公司推出的一系列产品，都是采用这种扫描方式。多面转镜扫描方式的原理是将正多面体棱镜作为反射镜，沿其中轴设一转轴，通过电机带动转轴转动，使正多面体棱镜做勻速转动；随着镜面的转动，其位置在不断变化， 入射角也不断变化，反射光束的方向也随之变化；假定转速为ω，由于各个镜面都是相同的，则每隔360/ω的时间，镜面将回到初始位置；同样，反射光束的方向也将回到初始位置。这样，镜面位置的变化是周期性的，反射光束方向也周期性地变化，地面上激光脚点的位置也在一定范围内往复变化；再沿着转轴的轴向进行飞行，就会实现激光束在地面的扫描。由于转轴只沿着一个方向旋转，激光束(反射光束)的方向也将沿着一个方向扫描，一旦达到扫描边缘，立刻回到初始位置，再沿同一方向进行扫描。因此，其激光脚点在地面地形成单向扫描平行线轨迹，扫描点的分布是比较均勻和规则的。这种扫描方式可以通过调整扫描速度和脉冲频率来调整扫描点在横向和纵向的间距，从而控制地面点的密度，为不同的用户提供满足其要求的产品。这种方式可以使旋转速度保持的很均勻，有利于数据密度分布均勻，而且机械装置相对简单，设备的稳定性和可靠性相对较好。理想情况下载荷平台按照设定好的飞行航线勻速直线地平稳飞行，但受到大气气流、发动机振动等因素的影响，实际飞行中载荷平台的速度、姿态都会发生波动。其中姿态角的变化，会对激光点云的分布产生影响，而侧滚角使扫描带左右平移偏离设定的位置，如果侧滚角过大，则该扫描带会与相邻一侧的扫描带之间没有重叠而产生漏扫现象，与另一侧的扫描带产生过度重叠的现象。现有的机载激光雷达系统，扫描带重叠度都在30%以上，这不仅增加了冗余的数据而且还降低了测量的效率。对侧滚角进行补偿，不仅可以确保漏扫现象的不发生，还可以降低扫描带的重叠度，减小冗余数据，提高测量效率。因此，对侧滚角偏差的补偿具有重要的实际意义。目前，针对遥感载荷平台的姿态角偏差补偿方法都是针对航空摄影载荷平台，如专利200910089155. 6，通过大载重的控制平台带动整个载荷转动来实现姿态角偏差的补偿，其控制精度和实时性都受到很大的限制。针对激光雷达载荷的姿态角偏差补偿的文章和专利鲜有看到。本发明专利只针对姿态角偏差中的侧滚角偏差进行补偿，通过调整机构改变入射光线的入射方向，能够准确、实时地实现侧滚角偏差的补偿。
发明内容
决定激光脚点位置的因素有激光发射点和发射角度。要想改变激光脚点的位置， 就从发射点和发射角度出发。发射点在反射镜面上，其变化的大小相对于飞行高度来说， 可以忽略不计。因此想改变激光脚点的位置，应该从发射角度出发。角度有入射角和摆镜的摆动角和多面镜的旋转角。当入射角和镜面倾斜角确定时，根据反射定律，反射角也就唯一确定了。同样由于飞行高度很高，入射角很小的变化就会造成激光脚点的大位移变化。这也是载荷平台侧滚角偏差对激光脚点影响严重的原因，同样也是在有限的空间时间内对侧滚角偏差进行补偿可行的原因。本发明是基于现有的多面转镜扫描方式的机载激光雷达系统基础上实现，以电机带动调整镜作为执行机构，通过改变激光束的入射光线方向，实现对载荷平台侧滚角的实时补偿，消除因侧滚角的偏差对扫描带的影响。本发明提出的一种实现机载激光雷达侧滚角偏差补偿的方法采用以下技术方案通过调整激光光束的入射角度补偿由于载荷平台的滚动造成的扫描带的平移。其中，根据载荷平台的侧滚角偏差，计算出所需补偿的角度大小，通过电机带动调整镜转动， 实时补偿侧滚角偏差，从而保证扫描带不因载荷平台侧滚而产生左右平移，以免出现漏扫现象和过度重叠现象。其中，多面转镜扫描方式是指正多面体棱镜作为反射镜，沿其中心轴设一转轴，通过电机带动转轴转动，使正多面体棱镜做勻速转动，随着镜面的转动，其位置周期性变化， 入射角也就周期性变化，反射光束方向也周期性地变化，地面上激光脚点的位置也在一定范围内往复移动，飞机沿着转轴的轴向进行飞行，就会实现激光束在地面上沿飞行方向的扫描。其中，由载荷平台POS测量系统、调整电机和调整镜组成机载激光雷达侧滚角偏差补偿系统；所述POS测量系统为机载激光雷达测量系统本身具有的，包括位置测量系统和姿态测量系统，其中姿态测量输出载荷平台的偏航角、俯仰角和侧滚角，其侧滚角的大小就是载荷平台以飞行方向为转动轴的实际转动姿态与理想姿态之间的偏差；所述调整电机带有高精度角度码盘，利用电机的控制系统可以使电机快速精确地转动；所述调整镜是同轴固连在调整电机的转轴上，在激光雷达系统中激光器输出激光波段上具有高反射率，其大小稍大于激光器输出激光光斑的大小，激光器输出激光首先照射在调整镜上，经调整镜的反射入射到正多面体棱镜上。其中，所述机载激光雷达侧滚角偏差补偿系统中，调整电机和调整镜组成补偿系
4统的执行机构，POS系统为补偿系统的测量机构，电机控制系统即为补偿系统的控制系统； 所述POS系统测得载荷平台的侧滚角偏差，作为控制系统的输入，控制系统通过计算得到需要补偿的角度，即电机需要转动的角度，然后发出指令，让电机带动调整镜转动相应的角度，改变入射在多面转镜上的入射激光的入射方向，随着多面转镜的转动，从而改变出射激光的出射方向分布，使得出射光线形成的扫描线不因侧滚角偏差而发生左右移动，补偿侧滚角偏差造成的出射光线方向的变化，从而保证扫描带不因载荷平台侧滚而产生左右平移，以免出现漏扫现象和过度重叠现象。其中，当载荷平台侧滚角偏差为零时，机载激光雷达系统中的激光器、补偿系统的执行机构、正多面体棱镜之间的相对位置满足激光器发射的激光入射在调整镜上，出射光照射在正多面体棱镜上，调整镜的出射光即为正多面体棱镜的入射光；随着正面体棱镜的旋转，形成一个外接圆，每一个棱镜面视为一个弦，对应外接圆的一段弧，当入射光穿过这段弧的中点以45度入射角照射在镜面上，即镜面与水平方向呈45度角时，出射光竖直向下照射在地面上；当正多面体棱镜单向、勻速、连续旋转，则出射光线的分布以竖直向下出射的光线为中心呈左右对称状；建立以正多面体棱镜中心为原点的坐标系，其χ轴沿水平方向指向载荷平台飞行方向的右侧，y轴沿竖直方向指向地面，所述调整镜中心与正多面体棱镜中心之间的相对位置用由原点指向调整镜中心的向量表示，记为尾，其大小为&，与坐标系χ轴的夹角记为β，正多面体棱镜外接圆的半径记为r，则正多面体棱镜中心与调整镜中心之间的相对位置满足R2Sin (β) = rcos ( π /4)。其中，当载荷平台侧滚角偏差不为零时，激光雷达系统随着整个载荷平台发生侧滚，则出射光线的也随着发生指向偏转，沿载荷平台竖直向下方向出射的激光也不再是没有侧滚角偏差时那个位置的激光，出射激光的整体分布就不再以竖直向下方向为中心呈左右对称状。其中，为调整出射光分布，控制系统计算调整镜需要转动的角度，其转动角度由调整镜中心与正多面体棱镜中心之间的相对位置和载荷平台的侧滚角偏差共同决定；当载荷平台发生侧滚时，以正多面体棱镜中心为原点的坐标系也随着一起发生转动，但正多面体棱镜中心与调整镜中心之间的相对位置不变；载荷平台的侧滚角偏差记为θ，调整镜转
动的角度用表示，则满足如下方程tan^--妁]=^ 二"H ο φ2 」 尺2 cos(p + u)-r cos(^)本发明的有益效果本发明公开一种在现有机载激光雷达系统基础上，通过调整激光束入射方向消除平台侧滚角对扫描带影响的方法。本发明能够降低扫描带的重叠度， 从而减少冗余数据，提高扫描效率。本发明在遥感及测绘领域具有广阔的应用前景。
图1为平台侧滚角偏差补偿流程图；图2为平台侧滚角偏差对出射光线方向影响的光路原理示意图；图3为平台侧滚角偏差补偿光路原理图；图4为调整镜补偿角度随侧滚角偏差变化的曲线图。
具体实施例方式下面结合附图来详细说明本发明的具体实施方式
。所述方法如图1所示，分三个步骤，步骤一 101 由平台自身的POS系统实时获得平台的侧滚角偏差，步骤二 102 通过电机的控制系统计算需要补偿的角度，步骤三调整电机带动调整镜转动适当的角度。调整相对于多面转镜的入射光线的入射角度，以保证激光沿预设方向出射，从而不产生漏扫和过
度重叠现象。在平台的三个姿态角中，侧滚角偏差影响扫描带的左右分布，为保证相邻扫描带之间不出现漏扫现象，常常设置较大的扫描带重叠度。高的扫描带重叠度，增加了测量数据的冗余，降低了测量效率。下面通过图2、图3对侧滚角偏差对激光出射方向的影响以及其补偿方法进行详细的描述。理想情况下，飞机作勻速直线运动，机载激光雷达系统的相对位置如图2中虚线所示。首先建立机载激光雷达系统的参考坐标系，即当地垂直坐标系200，其Z轴平行于大地水平面的法向量；然后建立载体坐标系，也就是飞机坐标系210，其X轴沿着飞行方向，其 Y轴211沿着机翼方向，其Z轴212垂直向下和当地垂直坐标系的Z轴平行，当飞机以理想状态飞行，各个姿态角为零；最后建立转镜坐标系220，其χ轴沿着扫描方向，与211平行， y轴垂直与扫描方向，与212平行，其原点在转镜的转轴上。转镜坐标系220与飞机坐标系 210的相对位置由向量215来确定。多面转镜做勻速转动，221为正多面体棱镜的其中一个镜面，转动后形成的外接圆为222。激光器2 发射激光束225，当225水平穿过镜面221 对应的一段弧的中点223以45度入射角照射在多面转镜镜面221上，出射光线2 则垂直向下照射在地面上。只要保证当出射光线2 垂直照射在地面上时，入射光线225能够穿过镜面221对应的弧的中点，根据反射定律，当镜面221转动起来时，出射光线在地面上脚点分布就会以垂直向下的出射光线2 为中心左右对称分布，当飞机向前飞行时，就形成理想的扫描带。实际情况下，由于受到大气湍流、发动机振动等因素的影响，实际飞行中平台的速度、姿态都会发生一定的波动而偏离理想情况。另外飞行航线的设计一般也不是一条直线， 当飞机调整飞行方向时，飞机的飞行速度、姿态同样也会发生改变。假设受到各种因素的影响，使飞机平台产生了一个侧滚角偏差217，从而使整个系统由虚线位置转动到了实线位置，如果此时没有补偿侧滚角偏差，则激光器234发射的光束235照射穿过镜面231对应的弧线中点233，出射光线236就不再垂直向下，以出射光线236形成的激光脚点为对称中心的扫描线就向左发生了平移，从而致使整个扫描带发生平移。当该条扫描带左右的扫描带是理想的、没有平移的情况下，则会在与其左侧扫描带过度重叠，与其右侧扫描可能产生漏扫现象。为了避免在非理想情况下扫描带的平移，更是为了避免由扫描带平移所产生的过度重叠和漏扫现象，必须对侧滚角偏差进行补偿，将扫描带调整到与理想情况下的扫描带相吻合。为了调整出射光线的分布，根据反射定律，可以通过调整入射光线的方向实现，也可以通过调整反射面的法线方向实现。由于多面转镜是正多面体的棱镜，当其转动起来时， 反射镜面的法向量是周期性连续变化。因此，只能通过改变入射光线的方向来改变出射光线的方向，如图3所示。通过电机351带动连接在转轴352上的调整镜336转动来改变入射光线337的方向。电机351带动调整镜336转动的角度358必须满足改变后的入射光线354穿过镜面356对应的弧线的中点355照射在镜面356上时，经过356反射后的出射光线357垂直向下照射在地面上。转镜坐标系330与飞机坐标系310相对位置由向量316确定，用衣表示，其大小为R1，与飞机坐标系的Y轴313的夹角为315，用α表示；调整镜中心与多面转镜坐标系中心的相对位置由向量341确定，用尾表示，其大小为&，与多面转镜坐标系χ轴的夹角为342， 用β表示；飞机平台转动形成的侧滚角偏差为317，用θ表示；转镜外接圆332的半径用 r来表示；调整镜转动的角度358用表示。当飞机平台姿态变动时，整个机载激光雷达系统都跟着一起转动，但系统内部的各个部分之间的相对位置不变。正多面体棱镜中心与调整镜中心之间的相对位置必须满足R2sin(3) = rcos(Ji/4)(1)调整镜转动的角度由下式求解，
权利要求
1.一种基于多面转镜扫描方式的机载激光雷达侧滚角偏差补偿方法，通过调整激光光束的入射角度补偿由于载荷平台的滚动造成的扫描带的平移；其特征在于，机载激光雷达侧滚角偏差补偿系统由载荷平台POS(position & orientation system)测量系统、调整电机和调整镜组成；所述POS测量系统为机载激光雷达测量系统本身具有，包括位置测量系统和姿态测量系统，侧滚角偏差为姿态测量系统输出的侧滚角；所述调整电机带有高精度角度码盘，利用电机的控制系统可以使电机快速精确地转动；所述调整镜同轴固连在调整电机的转轴上，在激光雷达系统中的激光器输出激光波段上具有高反射率，其大小稍大于激光器输出激光光斑的大小，激光器输出激光首先照射在调整镜上，经调整镜的反射入射到正多面体棱镜上；所述机载激光雷达侧滚角偏差补偿系统中，执行机构包括调整电机和调整镜，所述POS系统为补偿系统的测量机构，所述电机的控制系统即为补偿系统的控制系统；所述POS系统测得载荷平台的侧滚角偏差，作为控制系统的输入，控制系统通过计算得到需要补偿的角度，即电机需要转动的角度，然后发出指令，电机带动调整镜转动相应的角度，改变入射在正多面体棱镜上的激光的入射方向，随着正多面体棱镜的转动，从而改变出射激光的出射方向分布，使得出射光线照射在地面上的激光脚点形成的扫描线不因侧滚角偏差而发生左右移动，从而保证扫描带不因载荷平台侧滚运动而产生左右平移，以免出现漏扫和过度重叠现象。
2.按照权利要求1所述的一种基于多面转镜扫描方式的机载激光雷达侧滚角偏差补偿方法，其特征在于，当载荷平台侧滚角偏差为零时，机载激光雷达系统中的激光器、补偿系统的执行机构、正多面体棱镜之间的相对位置满足激光器发射的激光入射在调整镜上， 出射光照射在正多面体棱镜上，调整镜的出射光即为正多面体棱镜的入射光；每一个棱镜面相当于正多面体棱镜外接圆的一个弦，每一个弦对应外接圆的一段弧，当入射光穿过这段弧的中点以45度入射角照射在镜面上时，即镜面与水平方向呈45度角，出射光竖直向下照射在地面上；建立以正多面体棱镜中心为原点的坐标系，其χ轴沿水平方向指向载荷平台飞行方向的右侧，y轴沿竖直方向指向地面，所述调整镜中心与正多面体棱镜中心之间的相对位置用由原点指向调整镜中心的向量表示，记为尾，其大小为&，与坐标系χ轴的夹角记为β，正多面体棱镜外接圆的半径记为r，则正多面体棱镜中心与调整镜中心之间的相对位置满足 I^2Sin (β) = rcos ( π /4)。
3.按照权利要求1所述的一种基于多面转镜扫描方式的机载激光雷达侧滚角偏差补偿方法，其特征在于，当载荷平台侧滚角偏差不为零时，控制系统计算调整镜需要转动的角度由调整镜中心与正多面体棱镜中心之间的相对位置和载荷平台的侧滚角偏差共同决定； 当载荷平台发生侧滚时，以正多面体棱镜中心为原点的坐标系也随着一起发生转动，但正多面体棱镜中心与调整镜中心之间的相对位置不变；载荷平台的侧滚角偏差记为θ，调整镜转动的角度用表示，由如下方程求得办
全文摘要
本发明公开一种基于多面转镜扫描方式的机载激光雷达侧滚角偏差补偿方法，该方法通过调整激光光束的入射角度，补偿由于载荷平台的滚动造成的扫描带的平移；机载激光雷达侧滚角偏差补偿系统的执行机构包括一个调整电机和一个调整镜，测量机构是机载激光雷达系统本身具有的位置、姿态测量系统(POS系统)；POS系统测得载荷平台的侧滚角偏差，作为控制系统的输入；控制系统通过计算得到需要补偿的角度，即电机需要转动的角度，然后发出指令，使电机带动调整镜转动相应的角度，改变入射在多面转镜上的激光束的入射方向，从而改变出射激光的指向，使得出射光在地面上的激光脚点形成的扫描线不因侧滚角偏差而发生左右移动，进而保证扫描带不产生左右平移。
文档编号G01S7/48GK102508221SQ20111031060
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月13日 优先权日2011年10月13日
发明者张超曾, 徐立军, 李小路, 王建军, 田祥瑞 申请人:北京航空航天大学