专利名称：一种测绘信息获取激光三维成像雷达的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光雷达技术领域，特别涉及一种测绘信息获取激光三维成像雷达。
背景技术：
传统的地面测绘数据获取利用全球定位系统(GlcAal Positioning System, GPS) 载波相位动态实时差分(Real time kinematic, RTK)与全站仪相结合，每次获取单点目标信息。虽然操作简单方便，易于上手，但因为测量速度慢、采点密度不够、易丢漏等原因，在一些要求精度高、对地物地貌要求高的工程中就显得力不从心。摄影技术问世后，由于该技术是客观物体或目标的真实反映，信息丰富、形态逼真，从中可以提取所研究物体大量的几何信息与物理信息，广泛应用于地形测量等各个方面。在摄影测量中，一般情况下利用单幅影像是不能确定物体上的空间位置的，只能确定物体点所在的空间方向。要获得物点的空间位置一般需利用两幅相互重叠的影像构成立体像对，通过图像处理和特征匹配实现获取三维信息，不易进行自动三维信息提取。因此，该模式存在后续数据处理复杂、需要大量的人工参与、作业效率低等不足。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种测绘信息获取激光三维成像雷达，能够获取高精度三维数据，对任意物体进行扫描，且没有白天和黑夜的限制，快速将现实世界的信息转换成可以处理的数据。测绘信息获取激光三维成像雷达，包括机头和综合信息处理计算机，其特征在于， 在机头中，包含有激光发射单元、激光检测单元、多面体转鼓、接收光学单元和光电接收处理单元，在综合信息处理机中，包含距离测量单元，其中，所述激光发射单元，用于发射双路激光脉冲，其中，小部分双路激光脉冲被激光检测单元探测接收，大部分双路激光脉冲射向探测区域；所述激光检测单元，用于将探测接收激光发射单元的小部分双路激光脉冲，处理后送给距离测量单元作为距离测量的起始信号；所述多面体转鼓，用于控制激光发射脉冲射向探测区域并将经探测区域内探测目标反射回的激光光束经保护镜到达后，经转鼓表面反射给接收光学单元；所述接收光学单元，将反射光汇聚到光电接收处理单元；所述光电接收处理单元，将接收到的反射光进行光电转化和信号提取后送距离测量单元作为距离测量的终止信号；所述距离检测单元，用于根据距离测量的起始信号与距离测量的终止信号完成目标距离的测量。其中，进一步包括扫描定位单元，用于在多面体转鼓扫描时，确定双路扫描的有效起始点，并将扫描有效的起始信号送距离测量单元，距离测量单元每行进行一组距离数据的处理和存储。
其中，所述激光发射单元，用于在距离测量单元的控制下，发射双路激光脉冲，小部分激光被激光检测单元探测接收，大部分激光通过多面体转鼓反射后穿过保护镜射向探测区域。其中，所述激光发射单元采用人眼安全的超窄脉宽高重复频率光纤激光器。其中，所述综合信息处理机，进一步包含时间同步单元，用于接收GPS的时间同步信号，对激光测量点进行时间标注。其中，综合信息处理机，进一步包含图像处理和显示单元，用于根据距离单元存储的测量数据进行时间与空间的映射变换，恢复三维距离图像。另外，在动态工作时，图像处理和显示单元将激光扫描数据与其它传感器的数据融合，完成大区域场景图像的复原，其中，其它传感器包括GPS、IMU、CXD相机。进一步地，还可以包括标校指示单元，用于在激光雷达测绘作业时，对激光雷达相对其它传感器的安装位置进行标定，包括偏心标定和三轴旋转角度标定；其中，其它传感器包括GPS、IMU、CCD相机。其中，所述标校指示单元，进一步用于设置可见光源作为标校参考光，与激光光源同轴设计，当采用动态模式工作时，指示激光的出射角度和方向方便系统标定。本发明的有益效果是依照本发明的测绘信息获取激光三维成像雷达，能够主动测量方式扩展了作业时间，可实现全天时地作业，不受暗背景或黑夜的影响；直接获取地物三维信息，并进行自动化数据处理，作业效率高。
图1为激光三维成像雷达装置的原理结构示意图；图2为激光雷达机头主视图；图3为激光雷达机头右视图；图4为激光雷达综合信息处理计算机布局图；图5为多面体转鼓双向扫描示意图。
具体实施例方式以下，参考附图1 5详细描述本发明的测绘信息获取激光三维成像雷达。图1为本发明的激光三维成像雷达装置的原理结构示意图，激光三维成像雷达由机头和综合信息处理计算机组成，在机头中，包含有激光发射单元、激光检测单元、多面体转鼓、接收光学单元和光电接收处理单元，在综合信息处理机中，包含距离测量和时间同步单元。其中，激光发射单元，用于发射双路激光脉冲，其中，小部分双路激光脉冲被激光检测单元探测接收，大部分双路激光脉冲射向探测区域；激光检测单元，用于将探测接收激光发射单元的小部分双路激光脉冲，处理后送给距离测量单元作为距离测量的起始信号； 多面体转鼓，用于将经探测区域内探测目标反射回的激光光束经保护镜到达后，经转鼓表面反射给接收光学单元；接收光学单元，将反射光汇聚到光电接收处理单元；光电接收处理单元，将接收到的反射光进行光电转化和信号提取后送距离测量单元作为距离测量的终止信号；距离检测单元，用于根据距离测量的起始信号与距离测量的终止信号完成目标距离的测量。其中，机头内还可以进一步包括扫描定位单元，用于在多面体转鼓扫描时，确定双路扫描的有效起始点，并将扫描有效的起始信号送距离测量单元，距离测量单元每行进行一组距离数据的处理和存储。本发明的激光三维成像雷达采用脉冲测距体制，通过测量激光在雷达与目标间的飞行时间测量目标点的距离，通过转鼓扫描实现俯仰方向的激光扫描，通过转台实现方位方向的扫描，两者结合生成对探测目标的三维点阵测量，通过时空映射变化目标三维信息。具体如图2至图4所示，激光发射单元2采用人眼安全的超窄脉宽高重复频率光纤激光器，在距离测量单元11的控制下，发射激光脉冲，小部分激光被发射激光检测单元7 探测接收，处理后送给距离测量单元11作为距离测量的起始信号，大部分激光通过转鼓1 反射后穿过保护镜10射向探测区域，经目标反射回的激光光束经转鼓1射向接收光学单元 3，接收光学单元3将反射光汇聚到光电转换与信号处理单元8，经光电转化和信号提取后送距离测量单元11作为距离测量的终止信号，距离检测单元11完成目标距离的测量。转鼓扫描过程中，由扫描定位单元5确定扫描的有效起始点，并将扫描有效的起始信号送距离测量单元11，距离测量单元每行进行一组距离数据的处理和存储。图5为多面体转鼓双向扫描示意图。时间同步单元12接收GPS的时间同步信号，对激光测量点进行时间标注。图像处理和显示计算机13根据距离单元存储的测量数据进行时间与空间的映射变换，恢复三维距离图像。动态工作时，图像处理和显示计算机13将激光扫描数据与其它传感器(GPS、IMU)的数据融合，完成大区域场景图像的复原。另外，本发明的激光三维成像雷达具有静态和动态两种方式。静态工作时，激光扫描仪安置在固定站点，采用转鼓加转台的二维扫描方式，双向测量实现高效探测；动态工作时，激光扫描仪安置在移动平台上(车、船或飞机)，利用转鼓进行一维扫描，利用平台移动开展另一维扫描，获取目标的三维信息。本发明的激光三维成雷达的工作特点如下(a)双向扫描测量激光三维成像雷达采用六面体转鼓双向扫描测量方式，转鼓在电机带动下做高速转动，电机转动一圈，在一侧方向形成六条扫描线，双侧形成十二条扫描线。在载车移动平台工作时，载车沿道路一侧行使即可实现载车两侧目标的扫描，实现了高速率高效率扫描。(b)多目标测量激光出射后延激光飞行方向会存在激光被树木、树木后的地面或建筑物等目标多次反射的现象，激光三维成像雷达采用多目标测距方法，使激光在飞行过程中被飞行方向中的多个目标反射时，所有目标距离均被记录，使雷达具有“穿透”测量能力。(c)标校参考光激光雷达测绘作业时，需首先对激光雷达、GPS、IMU进行安装位置标定，包括偏心标定和三轴旋转角度标定，激光三维成像雷达专门设置了可见光源作为标校参考光，与激光光源同轴设计，当采用动态模式工作时，可指示激光的出射角度和方向方便系统标定。(d)扫描定位单元激光三维成像雷达扫描测量时，六面体转鼓由于存在加工误差，导致六个反射面的扫描角度存在偏差，由于结构布局的限制和激光束腰尺寸限制，反射面的理论扫描角度无法做到全部可用。在此情况下，设置扫描定位单元，使其在反射面只旋转到某一特定角度时才可以接收到反射面反射的激光，激光扫描定位单元被触发后输出同步脉冲，通知测量单元开始同步测距。调整扫描定位单元的位置可以控制扫描起始角度，在转速和激光发射频率一定的情况下，调整每行的测距次数可以控制扫描角度。上述措施的采用，保证了每条扫描线的扫描起始角度和扫描角度的一致性。本发明的激光三维成像雷达可采用固定站点、车载、机载相结合的工作方式，对测绘信息的获取将更加丰富、细致。激光雷达固定站点工作可开展小区域固定场景三维测量， 可用于建筑物内部或场景细节的三维建模，进行文物保护、土方体积、变电站布局等测量， 测量设备操作简单，数据获取快，作业效率高；车载工作模式获取的是三维空间物体立面的几何信息，开展地面大区域探测，如数字城市建设、高精细三维建模、公路铁路信息化管理等，便于大区域测绘信息的采集，数据丰富；机载工作模式提供的是一种从空中向地面已接近垂直正交方式获取数据的方法，使得制作DEM、DSM、DOM的作业效率得到极大的提升。三种工作模式相结合，可进行大范围、高精细的三维场景建模。三维激光扫描测量技术克服了传统测量技术的局限性，采用非接触主动测量方式直接获取高精度三维数据，能够对任意物体进行扫描，且没有白天和黑夜的限制，快速将现实世界的信息转换成可以处理的数据。 具有扫描速度快、实时性强、精度高、主动性强、全数字特征等特点，可以极大地降低成本， 节约时间，而且使用方便，其输出格式可直接与CAD、三维动画等工具软件接口，便于各类测绘产品的生成。综上所述，依照本发明的测绘信息获取激光三维成像雷达，具有如下优点(1)全天时工作、主动测量激光三维成像雷达主动测量方式扩展了作业时间，可实现全天时地作业，不受暗背景或黑夜的影响。(2)直接获取地物三维信息激光三维成像雷达采用的是极坐标几何定位原理， 雷达同时测量了目标的距离、俯仰角度和方位角度，通过简单的坐标转换，即可得到目标的三维信息，数据处理易于实现自动化。(3)数据处理自动化激光三维成像雷达的三维图像信息，具有全数字特征等特点，可直接进行目标点、线、面提取，长、宽、高、面积、体积测算，其输出格式可直接与CAD、三维动画等工具软件接口，可以极大地降低成本，节约时间。(4)作业效率高采用激光三维成像雷达可实现数据采集与数据处理时间比可达至Ij 1 1。以上是为了使本领域普通技术人员理解本发明，而对本发明所进行的详细描述， 但可以想到，在不脱离本发明的权利要求所涵盖的范围内还可以做出其它的变化和修改，这些变化和修改均在本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种测绘信息获取激光三维成像雷达，包括机头和综合信息处理计算机，其特征在于，在机头中，包含有激光发射单元、激光检测单元、多面体转鼓、接收光学单元和光电接收处理单元，在综合信息处理机中，包含距离测量单元，其中，所述激光发射单元，用于发射双路激光脉冲，其中，小部分双路激光脉冲被激光检测单元探测接收，大部分双路激光脉冲射向探测区域；所述激光检测单元，用于将探测接收激光发射单元的小部分双路激光脉冲，处理后送给距离测量单元作为距离测量的起始信号；所述多面体转鼓，用于控制激光发射脉冲射向探测区域并将经探测区域内探测目标反射回的激光光束经保护镜到达后，经转鼓表面反射给接收光学单元；所述接收光学单元，将反射光汇聚到光电接收处理单元；所述光电接收处理单元，将接收到的反射光进行光电转化和信号提取后送距离测量单元作为距离测量的终止信号；所述距离检测单元，用于根据距离测量的起始信号与距离测量的终止信号完成目标距离的测量。
2.如权利要求1所述的测绘信息获取激光三维成像雷达，其特征在于，进一步包括扫描定位单元，用于在多面体转鼓扫描时，确定双路扫描的有效起始点，并将扫描有效的起始信号送距离测量单元，距离测量单元每行进行一组距离数据的处理和存储。
3.如权利要求2所述的测绘信息获取激光三维成像雷达，其特征在于，所述激光发射单元，用于在距离测量单元的控制下，发射双路激光脉冲，小部分激光被激光检测单元探测接收双路激光脉冲，大部分激光通过多面体转鼓反射后穿过保护镜射向探测区域。
4.如权利要求3所述的测绘信息获取激光三维成像雷达，其特征在于，所述激光发射单元采用人眼安全的超窄脉宽高重复频率光纤激光器。
5.如权利要求2所述的测绘信息获取激光三维成像雷达，其特征在于，所述综合信息处理机，进一步包含时间同步单元，用于接收GPS的时间同步信号，对激光测量点进行时间标注。
6.如权利要求2所述的测绘信息获取激光三维成像雷达，其特征在于，综合信息处理机，进一步包含图像处理和显示单元，用于根据距离单元存储的测量数据进行时间与空间的映射变换，恢复三维距离图像。
7.如权利要求6所述的测绘信息获取激光三维成像雷达，其特征在于，在动态工作时， 图像处理和显示单元将激光扫描数据与其它传感器的数据融合，完成大区域场景图像的复原，其中，其它传感器包括GPS、IMU、CXD相机。
8.如权利要求1至7中任一项所述的测绘信息获取激光三维成像雷达，其特征在于，进一步包括标校指示单元，用于在激光雷达测绘作业时，对激光雷达相对其它传感器的安装位置进行标定，包括偏心标定和三轴旋转角度标定；其中，其它传感器包括GPS、IMU、C⑶相机。
9.如权利要求8所述的测绘信息获取激光三维成像雷达，其特征在于，所述标校指示单元，进一步用于设置可见光源作为标校参考光，与激光光源同轴设计，当采用动态模式工作时，指示激光的出射角度和方向方便系统标定。
全文摘要
本发明提供一种测绘信息获取激光三维成像雷达，包括机头和综合信息处理计算机，其中，机头中的激光发射单元发射双路激光脉冲；激光检测单元，将探测接收激光发射单元的小部分双路激光脉冲，处理后送给距离测量单元作为距离测量的起始信号；多面体转鼓，用于控制发射光束方向并将经目标反射回的激光光束射向接收光学单元；接收光学单元，将反射光汇聚到光电接收处理单元；光电接收处理单元，将接收到的反射光进行光电转化和信号提取后送距离测量单元作为距离测量的终止信号；距离检测单元，用于根据距离测量的起始信号与距离测量的终止信号完成目标距离的测量。本发明能够获取高精度三维数据，对任意物体进行扫描，且没有白天和黑夜的限制，快速将现实世界的信息转换成可以处理的数据。
文档编号G01S17/89GK102508258SQ201110386880
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月29日 优先权日2011年11月29日
发明者司光芙, 周莹, 张东晓, 李磊, 杜丽梅, 沈严, 范杰平, 薛海中, 连文泽, 邓全, 阮友田 申请人:中国电子科技集团公司第二十七研究所