专利名称：一种用于机载激光雷达俯仰角偏差实时补偿的方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于提高点扫描式机载激光雷达三维成像分辨率的方法与装置， 尤其是一种用于机载激光雷达俯仰角偏差实时补偿的方法与装置。
背景技术：
机载激光雷达是基于激光测距原理的地形测绘技术，集成了飞机平台、激光扫描 仪、差分全球定位系统DGPS (Differential Global Positioning System)、惯性导航系统 INSdnitial Navigation System)以及计算机数据采集与处理系统等。现有激光雷达工作原理如下由激光器按一定的脉冲重复频率发出高频激光脉 冲，一个激光脉冲通过分光片后，一部分激光直接到达距离计数器，获得激光脉冲的发射时 亥|J，另一部分激光束射向扫描镜(扫描镜主要有四种结构形式，如摆镜式、旋转棱镜式、圆 锥扫描式和光纤扫描式)，经扫描镜反射后射向被测地面，在地面上投下激光脚点。地面激 光脚点漫散射光又通过扫描镜反射回到主接收镜，由主接收镜再到副接收镜，将回波激光 汇聚，由雪崩二极管探测到回波信号，产生电脉冲发给距离计数器，记录下回波时刻，在距 离接收器中，根据激光脉冲的飞行时间，可计算出激光器到地面激光脚点的距离。由飞机载 荷平台上的GPS/INS组合传感器获得载荷平台的实时姿态角，由扫描镜结构上的光电轴角 编码器获得扫描角信息，可计算获得激光脉冲空间立体角。根据激光测距和空间立体角，可 确定地面激光脚点的三维坐标。现有机载激光雷达的缺陷是缺乏对俯仰角偏差的实时补 偿，当有各种内外界干扰存在时，就会造成地面激光脚点分布区域和密度发生变化，使三维 成像质量退化。机载激光雷达在飞行作业前，技术人员要根据现有设备的情况和被测区域地形的 特点，对飞行作业和激光雷达的各个参数进行设计规划。理想工作状态下，飞机按照设计航 线飞行，飞行载荷平台姿态角恒定(理想的滚动角和俯仰角为零，偏航角为一常数)，飞机 保持勻速直线运动状态。如果激光扫描仪的各个参数(如扫描速率、激光发射脉冲重复频 率等)设置合理，可保证形成的点云规则分布，能够最优地重建真实地形。但由于受到各种 内外界因素的干扰，如阵风、湍流、发动机振动以及控制系统的性能缺陷等，飞行载荷平台 无法保持理想勻速直线运动状态和恒定的姿态角，偏离理想姿态角的角度值称为姿态角偏 差。载荷平台姿态角的非理想变化，会影响激光点云的分布和密度，其中，激光点云的分布 区域的变化会造成目标扫描区域漏扫，被测地形三维成像有缺失；而激光点云密度的变化 表现为一部分区域密度会增大，而另一部分区域密度会减小。根据香农采样定理，要想无失 真的恢复真实地形，一方面要求地面地形变化空间频率是有限的，另一方面，激光点云的采 样密度应至少大于等于被采样地形空间频率的两倍以上。因此，激光点云的密度的减小无 法实现无失真地恢复真实地形的三维图像，造成三维图像的退化，空间分辨率下降。目前机载平台有多种形式，如本身即是飞机的固定安装台，还有靠平台的重力保 持平衡的重力稳定式、采用隔振式的机械阻尼式，另外还有力矩陀螺控制式等。不管采用哪 种方式，由于载荷平台质量较大，惯性大，控制精度有限，目前的姿态角偏差变化能保持在士5°以内。而这个姿态角偏差的变化范围对激光扫描点云分布和密度的影响很大。其影响如下单独的滚动角偏差不影响点云密度，但会改变点云分布区域；单独的俯仰角偏差 对点云密度影响很大，使大部分区域的密度减小，部分区域的密度会降低3倍以上，增大了 三维成像的失真；单独的偏航角偏差对点云密度的影响较大，也会造成大部分区域点云密 度的降低，但其影响要小于俯仰角偏差对三维成像的影响。另外机载激光雷达飞行平台越来越高，目前的飞行高度为1000m-2000m，NASA提 出的目标是达到15000m。高度越高，俯仰角偏差对三维成像的影响越大，故对俯仰角偏差的 实时补偿十分重要。进行俯仰角偏差实时补偿的优点是可避免或减轻由于俯仰角偏差造成 的点云密度的减小，有效提高三维成像分辨率和恢复精度。目前，现有的各种点扫描式三维成像机载激光雷达及其他相关类型的激光雷达均 没有针对机载平台俯仰角偏差的实时补偿功能及装置，关于激光雷达的专利，例如专利号 分别为200410064660. 2,200810009609. X的中国专利所提及的激光雷达结构均未涉及机 载平台俯仰角偏差的实时补偿问题，同时现有文献也没有关于俯仰角偏差补偿技术的研究 和描述。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的问题是提供一种用于机载激 光雷达俯仰角偏差实时补偿的方法和装置，其与现有机载激光雷达的主要不同在于，增加 了一个俯仰角偏差补偿镜装置，同时利用GPS/INS组合装置获得的姿态角偏差，增加了一 个实时高精度闭环控制系统，即通过对俯仰角偏差补偿镜的闭环控制实现俯仰角偏差的补 偿，解决了现有机载激光雷达不能对载荷平台俯仰角偏差进行实时补偿的问题。本发明提供的一种用于机载激光雷达俯仰角偏差实时补偿的方法与装置采用以 下技术方案该方法与装置，包括可实现俯仰角偏差补偿的激光扫描仪装置、俯仰角补偿控 制装置和驱动装置、机载平台姿态角测量装置、机载平台。所述可实现俯仰角偏差补偿的 激光扫描仪装置，其特征在于包括激光扫描发射与接收系统、扫描棱镜、补偿镜、光电轴角 编码器、补偿镜电机；所述激光扫描发射与接收系统，其特征在于包括激光发射器、光路光 学器件、回波接收探测与接收装置；所述俯仰角补偿控制装置和驱动装置，其特征在于包括 俯仰角补偿控制器、补偿镜控制驱动装置；所述机载平台姿态角测量装置，其特征在于包括 GPS/INS组合测量系统、卡尔曼滤波器；所述机载平台用于安装各种测量载荷，其特征在于 包括各种形式的载荷平台，如重力稳定式载荷平台、机械阻尼式载荷平台、陀螺力矩控制式 载荷平台等，所述可实现俯仰角偏差补偿的激光扫描仪装置、俯仰角补偿控制装置和驱动 装置、机载平台姿态角测量装置均固定在机载平台上。本发明可实现载荷平台俯仰角偏差 对机载激光雷达成像不利影响的实时高精度补偿，有效改善激光扫描点云的分布和密度， 进而提高机载激光雷达三维成像的精度。其中，所述可实现俯仰角偏差补偿的激光扫描仪装置(1)包括激光发射器(11)、 光路光学器件(12)、旋转棱镜(13)、补偿镜(14)、回波接收探测与接收装置(15)、旋转棱镜 电机(16)、旋转棱镜光电角编码器(17)、补偿镜电机(18)、补偿镜光电角编码器(19)。其中，所述旋转棱镜(13)，其特征在于所述旋转棱镜(13)存在多个反射面，其电 机旋转轴线垂直于所述机载平台(4)平面。
其中，所述补偿镜(14)采用长方形摆镜结构，其电机旋转轴线平行于所述机载平 台(4)平面，且与所述旋转棱镜(13)的旋转轴线在空间位置上相垂直，经所述旋转棱镜
(13)反射后的激光束扫描面与所述补偿镜(14)的旋转轴线共面，以保证激光束均通过所 述补偿镜(14)的轴线位置处反射出去。其中，所述俯仰角补偿控制装置和驱动装置(2)包括俯仰角补偿控制器(21)、补 偿镜控制驱动装置(22)。所述俯仰角补偿控制器(21)用于实现对所述补偿镜(14)的闭环 控制。
其中，所述俯仰角补偿控制器(21)对所述补偿镜(14)的闭环控制可实现俯仰角 偏差的实时补偿，所述俯仰角补偿控制器(21)接收由所述机载平台姿态角测量装置(3)提 供的俯仰角偏差值，与所述补偿镜光电角编码器(19)反馈的实际转动角度进行比较获得 俯仰角差值，向所述补偿镜控制驱动装置(22)输出控制指令，由所述补偿镜控制驱动装置 (22)向所述补偿镜电机(18)输出驱动电压，所述补偿镜电机带动所述补偿镜(14)转动所 述获得的俯仰角差值，其方向与平台姿态角偏差相反，实现俯仰角偏差的补偿。本装置和方法可实现俯仰角偏差的实时补偿。此结构的优点为目前飞机上载荷 平台的姿态角偏差可控制在士5°以内，但由于载荷平台的质量较大，难以进行快速而精确 地转动控制，因此直接控制机载平台的姿态角不能收到理想的效果。但采用在激光扫描仪 中增加所述补偿镜(14)及采用高精度闭环反馈控制回路的方式，由于补偿镜(14)质量体 积小，惯性小，故控制精度和补偿实时性可达到很高的水平，可实现对机载激光雷达俯仰角 偏差的有效补偿。本发明的有益效果是可实现载荷平台俯仰角偏差的实时高精度补偿，消除载荷平 台俯仰角偏差对机载激光雷达成像的不利影响，有效改善激光扫描点云的分布和密度，进 而提高机载激光雷达三维成像的分辨率和精度。
图1是一种用于机载激光雷达俯仰角偏差实时补偿的方法与装置总体结构示意 图。图2是可实现俯仰角偏差补偿的激光扫描仪装置(1)的空间结构示意图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明专利实施例作进一步详细描述。图1是一种用于机载激光雷达俯仰角偏差实时补偿的方法与装置总体结构示意 图。在实际飞行过程中，由于受到各种内外界因素的干扰，所述机载平台⑷无法保持理想 勻速直线运动状态和恒定的姿态角(理想的滚动角和俯仰角为零，偏航角为一常数)，产生 了姿态角偏差(包括滚动角、俯仰角和偏航角的偏差)。由所述GPS/INS组合装置(31)测 量获得所述机载平台(4)的姿态角偏差，测量数据通过所述卡尔曼滤波器(32)，获得高精 度的俯仰角偏差，送入所述俯仰角补偿控制器(21)。在所述俯仰角补偿控制器(21)中，实 现一个闭环控制即所述俯仰角补偿控制器(21)和补偿镜控制驱动装置(22)用于实现对 所述补偿镜(14)的闭环控制，实现俯仰角偏差的实时高精度补偿，由所述补偿镜光电角编 码器(19)测量所述补偿镜(14)的实际俯仰角补偿转动角度，与所述卡尔曼滤波器(32)产生的俯仰角偏差比较，产生控制信号，输出给所述俯仰角偏差补偿镜驱动控制装置(22)，输出控制电压给所述补偿镜电机(18)，继而控制所述补偿镜(14)转动相应的俯仰角偏差补 偿量，来补偿由于所述机载平台(4)的俯仰角偏差对激光点云分布的不利影响。由于所述 机载平台(4)的俯仰角偏差变化较慢，如频率为IHz左右，而所述旋转棱镜(13)的旋转频 率达50Hz以上，故可近似认为激光雷达每扫描一行激光点，所述机载平台(4)的俯仰角偏 差不变。图2是可实现俯仰角偏差补偿的激光扫描仪装置(1)的空间结构示意图。所述激 光发射器(11)发出激光脉冲(点划线)，经所述分光片(121)分为大小两束，大束射向所述 反射镜(122)，一小束发往所述距离计数器(152)，用于记录激光的发射时刻。大光束激光 继续由所述反射镜(122)到达所述旋转棱镜(13)，反射后到达所述补偿镜(14)，所述旋转 棱镜(13)和所述补偿镜(14)的安装位置要保证激光束经所述旋转棱镜(13)反射后能射 向所述补偿镜(14)的旋转中轴线上，这样能保证射向地面的激光扫描点直线分布。由地面 激光脚点的反射光(虚线所示)通过所述补偿镜(14)和所述旋转棱镜(13)的光路返回， 到达所述主接收镜(124)和所述次接收镜(123)，进行光束汇聚，最后到达所述雪崩二极管 探测器(151)，获得回波信号，所述雪崩二极管探测器(151)发出电脉冲，送入所述距离计 数器(152)，记录下激光回波时刻。在所述距离计数器(152)中，根据激光的发射时刻和回 波时刻，计算出激光脉冲的飞行时间，可获得激光测距值。当所述飞行载荷平台由于干扰而 产生姿态角偏差时，由所述补偿镜(14)转动相应的角度，可实现对俯仰角偏差的补偿。以上对本发明及其实施方式的描述，并不局限于此，附图中所示仅是本发明的实 施方式之一。在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造地设计出与该技术方案类似的 结构或实施例，均属本发明保护范围。
权利要求
一种用于机载激光雷达俯仰角偏差实时补偿的方法与装置，包括可实现俯仰角偏差补偿的激光扫描仪装置、俯仰角补偿控制装置和驱动装置、机载平台姿态角测量装置、机载平台。所述可实现俯仰角偏差补偿的激光扫描仪装置，其特征在于包括激光扫描发射与接收系统、扫描棱镜、补偿镜、光电轴角编码器、补偿镜电机；所述激光扫描发射与接收系统，其特征在于包括激光发射器、光路光学器件、回波接收探测与接收装置；所述俯仰角补偿控制装置和驱动装置，其特征在于包括俯仰角补偿控制器、补偿镜控制驱动装置；所述机载平台姿态角测量装置，其特征在于包括GPS/INS组合测量系统、卡尔曼滤波器；所述机载平台用于安装各种测量载荷，其特征在于包括各种形式的载荷平台，如重力稳定式载荷平台、机械阻尼式载荷平台、陀螺力矩控制式载荷平台等，所述可实现俯仰角偏差补偿的激光扫描仪装置、俯仰角补偿控制装置和驱动装置、机载平台姿态角测量装置均固定在机载平台上。本发明可实现载荷平台俯仰角偏差的实时高精度补偿，消除载荷平台俯仰角偏差对机载激光雷达成像的不利影响，有效改善激光扫描点云的分布和密度，进而提高机载激光雷达三维成像的分辨率和精度。
2.按照权利要求1所述的一种用于机载激光雷达俯仰角偏差实时补偿的方法与装置， 其特征在于所述可实现俯仰角偏差补偿的激光扫描仪装置(1)包括激光发射器(11)、光路 光学器件(12)、旋转棱镜(13)、补偿镜(14)、回波接收探测与接收装置(15)、旋转棱镜电机 (16)、旋转棱镜光电角编码器(17)、补偿镜电机(18)、补偿镜光电角编码器(19)。
3.按照权利要求1或权利要求2所述的一种用于机载激光雷达俯仰角偏差实时补偿的 方法与装置，其特征在于所述旋转棱镜(13)存在多个反射面，其电机旋转轴线垂直于所述 机载平台(4)平面。
4.按照权利要求1或权利要求2所述的一种用于机载激光雷达俯仰角偏差实时补偿的 方法与装置，其特征在于所述补偿镜(14)采用长方形摆镜结构，其电机旋转轴线平行于所 述机载平台(4)平面，且与所述旋转棱镜(13)的旋转轴线在空间位置上相垂直，经所述旋 转棱镜(13)反射后的激光束扫描面与所述补偿镜(14)的旋转轴线共面，以保证激光束均 通过所述补偿镜(14)的轴线位置处反射出去。
5.按照权利要求1所述的一种用于机载激光雷达俯仰角偏差实时补偿的方法与装置， 其特征在于所述俯仰角补偿控制装置和驱动装置(2)包括俯仰角补偿控制器(21)、补偿镜 控制驱动装置(22)。所述俯仰角补偿控制器(21)用于实现对所述补偿镜(14)的闭环控 制。
6.按照权利要求1或权利要求5所述的一种用于机载激光雷达俯仰角偏差实时补偿 的方法与装置，其特征在于所述俯仰角补偿控制器(21)对所述补偿镜(14)的闭环控制可 实现俯仰角偏差的实时补偿，所述俯仰角补偿控制器(21)接收由所述机载平台姿态角测 量装置(3)提供的俯仰角偏差值，与所述补偿镜光电角编码器(19)反馈的实际转动角度进 行比较获得俯仰角差值，向所述补偿镜控制驱动装置(22)输出控制指令，由所述补偿镜控 制驱动装置(22)向所述补偿镜电机(18)输出驱动电压，所述补偿镜电机带动所述补偿镜 (14)转动所述获得的俯仰角差值，其方向与平台姿态角偏差相反，实现俯仰角偏差的补偿。
全文摘要
一种用于机载激光雷达俯仰角偏差实时补偿的方法与装置，包括可实现俯仰角偏差补偿的激光扫描仪装置、俯仰角补偿控制器和驱动装置、GPS/INS组合测量装置；所述实现俯仰角偏差补偿的激光扫描仪装置包括激光扫描发射与接收系统、扫描棱镜、补偿镜、光电轴角编码器、补偿镜电机；所述GPS/INS组合测量装置，实时获得机载平台的姿态角(俯仰角，滚动角，偏航角)偏差，提供给俯仰角补偿控制器和驱动装置；所述俯仰角补偿控制器和驱动装置利用补偿信号控制补偿镜电机，并接收补偿镜光电角编码器的反馈信号，完成对俯仰角偏差补偿镜的闭环控制，实现对机载激光雷达的俯仰角偏差的实时高精度补偿。
文档编号G01S17/89GK101865996SQ20101018349
公开日2010年10月20日 申请日期2010年5月19日 优先权日2010年5月19日
发明者徐立军, 李小路, 王建军, 郜蕾 申请人:北京航空航天大学