专利名称：机载凝视成像三维选通成像控制数据拼接方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明属于图像控制和拼接领域，涉及一种机载凝视成像三维选通成像控制和数 据拼接方法和系统。
背景技术：
目前国内外公开报道的对地观测的激光雷达三维成像系统，大多是基于激光点扫 描三维成像方法，这是一种将地球表面点有效地映射到三维坐标中的直接方法，通过测量 激光发射与接收到回波的时间间隔，可测得激光探测雷达平台到地球表面点的距离。但该 技术是扫描型的，每次只能测表面的一个点，如果要对表面大面积成像或者进行地图测绘， 就需要在与探测目标相复合的覆盖范围内，将激光束沿航空飞行轨道方向与垂直于该方向 上对地进行二维扫描，同时逐点进行(高频率的)测距。此外，光机扫描机构从系统原理 上也存在一系列的问题，如激光束要具有高的扫描指向精度，扫描镜运动的非线性、系统机 械磨损的影响等；另外还有由于激光束发散的影响，在远方激光点云斑有一定面积，对有相 对地形起伏或地物较复杂的区域，激光测距的回波不规整会带来的较严重的测距误差；而 且光机扫描元件还增加了系统的重量、体积以及额外功耗，使系统的小型化、模块化变得较 为困难；同时为了得到高覆盖率、高垂直距离分辨力、高地元空间分辨力和高探测信号信噪 比，发射激光必须具有很高的重复频率并具有足够的脉冲能量、很小的发散角、窄脉宽等特 性，以取得比较好的三维测量结果。这要求采用很高性能的激光器，对激光器的制造与获得 提出了挑战。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有三维选通成像技术只能适用于静态成像的局限性， 提供一种机载凝视成像三维选通成像控制和数据拼接方法和系统，能够在动态选通成像， 且系统复杂度低、控制精度高。本发明的目的是通过下述技术方案实现的。第一步激光光源发出激光束经激光发射系统后直接照射成像目标，其照射范围 大于ICXD成像视场；第二步根据时序控制信号，激光光源发射照明激光脉冲，同时ICCD对目标进行 选通成像，获取成像视场内以接收望远镜为中心的弧面层的目标位置信息；第三步通过飞机飞行时的IC⑶面阵成像推扫，即当ICXD的瞬时成像覆盖范围向 前推进一个像元所对应的瞬时视场覆盖的目标尺度时，发射激光脉冲，并进行选通成像；第四步判断第三步的选通成像的开启时间是否与前一次选通成像的开启时间不 同，如不同则获取另一高度层中目标的位置信息，否则返回第三步；直到mXn像元阵列的 ICXD进行推扫选通成像，其中m为垂直于飞行方向的像元行数；第五步对面阵推扫成像覆盖范围内的每个场景进行η个高度的选通成像，对面 阵推扫选通成像获得的数据进行集成处理，得到成像覆盖范围内的三维目标信息，其水平分辨力为ICCD每个像元的瞬时分视场X飞行高度，成像宽度为激光雷达的横向视场X相 对于地面的飞行高度，纵向尺度为飞行航测距离，垂直探测范围为nX三维成像的垂直分 辨力。其中成像测量中垂直探测范围与飞行航线的距离通过调整测量控制时序改变，通 过获取一段时间内成像目标平均高度的初步估算值，根据获取的成像目标平均高度的初步 估算值，通过调整测量控制时序，选择选通成像垂直探测范围。本发明的机载三维凝视成像选通成像的控制和数据拼接系统，包括激光脉冲发射 控制模块、激光脉冲发射时间检测模块、逻辑控制模块、数据传输模块、ICCD成像控制模块； 其中激光器分别与激光脉冲发射时间检测模块和激光脉冲发射控制模块连接，激光脉冲 发射时间检测模块分别与ICCD成像控制模块和逻辑控制模块连接，逻辑控制模块分别与 激光脉冲发射控制模块、ICCD成像控制模块和数据传输模块相连，数据传输模块与外部计 算机连接，ICCD成像控制模块与外部ICCD连接；其中激光脉冲发射控制模块控制激光器以 指定的频率发射激光脉冲，激光脉冲发射时间检测模块检测激光脉冲发射的时间，将该数 据与激光脉冲发射模块的指令时间相比较，获得激光脉冲发射时间的偏离数据，将该偏离 数据将传输至ICCD成像控制模块，数据传输模块将选通成像控制模块的延时信息传输至 计算机与获取的图像信息同时进行保存，逻辑控制模块根据垂直分辨率、垂直探测范围、激 光脉冲发射时间的偏离数据产生用于控制选通成像起止时间的控制脉冲，拼接模块根据选 通成像起止时间、IC⑶成像信息以及GPS定位信息获取地面目标三维信息，根据等高线拼 接的方法，重构地面目标三维模型并显示。所述的ICXD成像控制模块中ns级的延迟控制采用AD9501延迟芯片。所述的激光脉冲发射控制模块、激光脉冲发射时间检测模块、逻辑控制模块采用 可编程逻辑器件CPLD。本发明对比已有技术具有以下显著优点本发明中采用的凝视面阵成像技术，相对三维扫描成像，可以快速确定成像面阵 范围内多个点的坐标信息；由于ICCD所成图像是规则网格信息，简化了三维扫描成像中的 网格化过程；基于等高线的拼接方法可单次实现多个点的拼接，大大提高了数据拼接的效 率。高灵敏度的ICXD相机和被动调Q的Nd: YAG激光器组成的选通型三维成像激光雷达系 统，系统采用凝视成像技术，配合高精度的延时控制，实现动态过程的等高线推扫成像，在 数据拼接方面由点云数据拼接转化为等高线拼接，数据处理变得简单。
图1本发明中三维选通成像控制原理结构图；图2本发明中凝视成像三维数据流程具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。实施例飞行测量时，要求飞机的航向、航速、及飞行高度基本保持不变。此外，还要 求机载三维选通成像光子计数激光雷达系统的光学系统安装在高稳定性陀螺平台上，使三 维成像的视场高精度保持垂直向下，以避免飞机飞行时的侧滚和俯仰对三维成像测量产生影响。如图1所示，本发明是一种凝视成像机载的三维选通成像控制及三维数据拼接装 置，包括激光脉冲发射控制模块、激光脉冲发射时间检测模块、逻辑控制模块、数据传输模 块、ICCD成像控制模块和数据拼接模块。前三部分使用硬件编程语言Verilog HDL在可编 程逻辑器件CPLD上实现。激光脉冲发射控制模块根据测量时飞行高度、速度及系统水平分 辨率的要求设定激光脉冲的发射频率；激光脉冲发射时间检测模块通过雪崩光电二极管将 脉冲信号转换为电子信号，并经过放大整形处理后传输至逻辑控制模块和IC⑶成像控制 模块；逻辑控制模块按照选通成像的分辨率及激光脉冲发射时间的偏离数据等信息动态地 对ICCD成像控制模块的延迟时间进行设定，从而满足动态成像的要求；ICCD成像控制模块 由AD9501专用延迟芯片构成，通过外接电容电阻确定延迟的动态范围，完成脉冲信号的延 迟。数据传输模块使用Cypress公司的USB控制芯片cy7c68013实现，将逻辑控制模块对 ICCD成像控制模块的延迟设定信息传输至计算机，并与获取的图像信息同时进行保存，以 便于后期的三维图像构建。机载凝视成像三维选通成像控制和数据拼接方法为首先在激光脉冲发射模块根 据指令触发激光器发射激光脉冲，并记录脉冲的发射时间。当激光器实际输出脉冲时激光 脉冲发射时间检测模块将记录此时间并传输至逻辑控制模块。逻辑控制模块根据系统设定 好的垂直分辨率、垂直探测范围、激光脉冲发射时间的偏离数据等信息对ICCD成像控制模 块进行延迟设定，通过AD9501完成脉冲的延迟后输出选通成像起止时间的控制脉冲。循环 执行以上过程便可实现对凝视成像机载激光雷达三维选通成像的控制。首先读取存储在计算机上的图像数据、与各图像相对应的延时信息以及平台GPS 坐标信息，根据三者计算图像中各个像素点对应目标的三维坐标，之后即可基于等高线的 方法对数据进行拼接。由于三维成像获取的信息不光包括地形信息，还包括噪声及地物信 息，为重构三维地形模型，必须采用滤波技术将噪声和地物信息滤除，提取出地面数据。滤 除地物点之后，会造成数据点的缺失，因此在滤波之后，还须采用插值技术填补这些空缺 点，确定各个点的三维坐标。然后即可构建空间自由曲面，并进行计算机显示。
权利要求
1.一种机载凝视成像三维选通成像控制和数据拼接方法，其特征在于包括以下步骤第一步激光光源发出激光束经激光发射系统后直接照射成像目标，其照射范围大于 ICCD成像视场；第二步根据时序控制信号，激光光源发射照明激光脉冲，同时ICCD对目标进行选通 成像，获取成像视场内以接收望远镜为中心的弧面层的目标位置信息；第三步通过飞机飞行时的ICXD面阵成像推扫，即当ICXD的瞬时成像覆盖范围向前推 进一个像元所对应的瞬时视场覆盖的目标尺度时，发射激光脉冲，并进行选通成像；第四步判断第三步的选通成像的开启时间是否与前一次选通成像的开启时间不同， 如不同则获取另一高度层中目标的位置信息，否则返回第三步；直到mXn像元阵列的ICCD 进行推扫选通成像，其中m为垂直于飞行方向的像元行数；第五步对面阵推扫成像覆盖范围内的每个场景进行η个高度的选通成像，对面阵推 扫选通成像获得的数据进行集成处理，得到成像覆盖范围内的三维目标信息，其水平分辨 力为ICCD每个像元的瞬时分视场X飞行高度，成像宽度为激光雷达的横向视场X相对于 地面的飞行高度，纵向尺度为飞行航测距离，垂直探测范围为ηΧ三维成像的垂直分辨力。
2.根据权利要求1所述的一种机载凝视成像三维选通成像控制和数据拼接方法，其特 征在于其中成像测量中垂直探测范围与飞行航线的距离通过调整测量控制时序改变，通 过获取一段时间内成像目标平均高度的初步估算值，根据获取的成像目标平均高度的初步 估算值，通过调整测量控制时序，选择选通成像垂直探测范围。
3.一种机载三维凝视成像选通成像的控制和数据拼接系统，包括激光脉冲发射控制模 块、激光脉冲发射时间检测模块、逻辑控制模块、数据传输模块、ICCD成像控制模块；其特 征在于激光器分别与激光脉冲发射时间检测模块和激光脉冲发射控制模块连接，激光脉 冲发射时间检测模块分别与ICCD成像控制模块和逻辑控制模块连接，逻辑控制模块分别 与激光脉冲发射控制模块、ICCD成像控制模块和数据传输模块相连，数据传输模块与外部 计算机连接，ICCD成像控制模块与外部ICCD连接；其中激光脉冲发射控制模块控制激光器 以指定的频率发射激光脉冲，激光脉冲发射时间检测模块检测激光脉冲发射的时间，将该 数据与激光脉冲发射模块的指令时间相比较，获得激光脉冲发射时间的偏离数据，将该偏 离数据将传输至ICCD成像控制模块，数据传输模块将选通成像控制模块的延时信息传输 至计算机与获取的图像信息同时进行保存，逻辑控制模块根据垂直分辨率、垂直探测范围、 激光脉冲发射时间的偏离数据产生用于控制选通成像起止时间的控制脉冲，拼接模块根据 选通成像起止时间、ICCD成像信息以及GPS定位信息获取地面目标三维信息，根据等高线 拼接的方法，重构地面目标三维模型并显示。
4.根据权利要求3所述的一种机载凝视成像三维选通成像控制和数据拼接系统，其特 征在于所述的ICXD成像控制模块中ns级的延迟控制采用AD9501延迟芯片。
5.根据权利要求3或4所述的一种机载凝视成像三维选通成像控制和数据拼接系统， 其特征在于所述的激光脉冲发射控制模块、激光脉冲发射时间检测模块、逻辑控制模块采 用可编程逻辑器件CPLD。
全文摘要
本发明公开了一种机载凝视成像三维选通成像控制和数据拼接方法和系统，激光脉冲发射控制模块控制激光器以指定频率发射激光脉冲，激光脉冲发射时间检测模块检测激光脉冲发射的时间，将该数据与激光脉冲发射模块的指令时间相比较，获得激光脉冲发射时间的偏离数据，将该偏离数据将传输至ICCD成像控制模块，逻辑控制模块根据垂直分辨率、垂直探测范围、激光脉冲发射时间的偏离数据产生用于控制选通成像起止时间的控制脉冲，拼接模块根据选通成像起止时间、ICCD成像信息以及GPS定位信息获取地面目标三维信息，根据等高线拼接的方法，重构地面目标三维模型并显示。本发明在数据拼接方面由点云数据拼接转化为等高线拼接，数据处理变得简单。
文档编号G01S17/89GK102043155SQ20091023564
公开日2011年5月4日 申请日期2009年10月10日 优先权日2009年10月10日
发明者倪国强, 孔卫国, 张寅超, 苑朝凯, 蓝天, 陈思颖 申请人:北京理工大学