線陣快掃描三維激光雷達(dá)成像儀

線陣快掃描三維激光雷達(dá)成像儀

激光具有單色性、直徑性、大型和短脈沖等特點(diǎn)。自20世紀(jì)60年代以來，它已在測(cè)量、距離和圖像等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在民用方面，激光技術(shù)主要用于電子測(cè)量（sd）。此后，激光技術(shù)逐漸應(yīng)用于整個(gè)車站，并為無反射斜坡全車站儀制作了無反射鏡。20世紀(jì)90年代，一些測(cè)量儀器制造商將激光測(cè)距儀安裝在梯田上。這與現(xiàn)在的激光掃描儀非常相似，但掃描速度和成像精度較低。同時(shí)，一些科學(xué)家提出使用兩種光學(xué)掃描儀來繪制成像。這兩個(gè)鏡子用于控制激光光束在它們之間的傾斜方向。這些機(jī)器被稱為圖像激光儀。由于距離遙遠(yuǎn)，許多現(xiàn)代激光掃描儀采用了《時(shí)間法》（tof）測(cè)距。為了獲得物體表面（毫米級(jí)）的更高的測(cè)量精度，一些機(jī)器的設(shè)計(jì)師使用了三角形測(cè)量原理。為了在工業(yè)領(lǐng)域獲得更高的測(cè)量精度（毫米級(jí)），一些設(shè)備的設(shè)計(jì)師使用了三角形測(cè)量原理來精確測(cè)量距離。基于相位法測(cè)距的圖像激發(fā)光激發(fā)的工作距離和成像精度介于上述兩種測(cè)距方法之間。根據(jù)地激光雷達(dá)不僅可以安裝在不同的平臺(tái)上，而且也可以放置在地面上的靜態(tài)測(cè)量目標(biāo)（也稱為tls）。飛機(jī)、宇宙飛船和其他平臺(tái)也可以進(jìn)行大規(guī)模觀測(cè)，也稱為動(dòng)態(tài)激光雷達(dá)（als）。對(duì)于目前大多數(shù)商用的地面激光雷達(dá)來說,每次激光脈沖只能獲取一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo).盡管現(xiàn)在的激光脈沖頻率在不斷提高,但在需要獲取一個(gè)大范圍場(chǎng)景的三維點(diǎn)云圖像時(shí),激光掃描仍然要花費(fèi)較長的時(shí)間.另外,對(duì)于正在作業(yè)的工廠、施工場(chǎng)地而言,地面在激光掃描工作中會(huì)有微小的震動(dòng),激光掃描時(shí)間越長,三維成像的誤差越大.一些研究人員提出了不同于單點(diǎn)掃描方式的激光雷達(dá),以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域的高效、實(shí)時(shí)成像,主要包括線掃描,面掃描和FLASH激光雷達(dá).陳宇偉等人提出了一個(gè)應(yīng)用于機(jī)載的線掃描激光雷達(dá),卜弘毅提出了一種線陣激光雷達(dá)掃描的理論,但沒有詳細(xì)描述其成像方程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果.Colin等人用面陣探測(cè)器相位調(diào)制凝視成像實(shí)現(xiàn)國際空間站三維成像.Flash激光雷達(dá)由面陣雪崩陣列二極管焦平面器件接收激光回波,實(shí)時(shí)快速輸出三維圖像,該項(xiàng)技術(shù)對(duì)探測(cè)器要求很高,目前處于探索階段.本文提出了一種基于線陣探測(cè)技術(shù)的快掃描激光雷達(dá)成像系統(tǒng),該系統(tǒng)的測(cè)距方式和光束偏轉(zhuǎn)單元與單點(diǎn)掃描激光雷達(dá)一樣,它的最大特征是激光雷達(dá)每次脈沖可以獲取多個(gè)點(diǎn)的位置信息,與目前單元激光雷達(dá)成像相比,該儀器的成像速度可以提高十倍甚至幾十倍.1光光束掃描原理激光雷達(dá)主要由激光器及其驅(qū)動(dòng)、二維擺鏡及其驅(qū)動(dòng)、激光探測(cè)單元、信息處理單元、二次電源等5部分組成,其工作原理框圖如圖1所示.激光器在激光驅(qū)動(dòng)電路的控制下產(chǎn)生高重頻激光脈沖,激光器由柱透鏡擴(kuò)束為線列激光光束,在二維高速擺鏡的驅(qū)動(dòng)下對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行掃描.多元接收組件主要由線狀激光和多元線陣探測(cè)裝置組成.激光器發(fā)射的激光脈沖經(jīng)柱透鏡壓縮后形成狹長的線列,返回的回波脈沖由多元線陣探測(cè)器獨(dú)立接收.一維擺鏡按連續(xù)的正弦模式進(jìn)行往復(fù)掃描,另一維擺鏡按步進(jìn)的方式掃描,在極短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)某一特定區(qū)域的三維成像.設(shè)X維以常用的正弦方式進(jìn)行掃描,Y維按照該方向上掃描角度線性遞增方式掃描,則掃描角度的數(shù)學(xué)表達(dá)式為θx=θmaxcos(2πft)(1)θy=θ0+tΔθ(2)θx=θmaxcos(2πft)(1)θy=θ0+tΔθ(2)式中:θmax為光線水平方向的最大偏移角度;θ0為光線垂直方向的最大偏移角度.2激光雷達(dá)系統(tǒng)成像的成像方程根據(jù)多元線陣激光光學(xué)原理,結(jié)合解析幾何知識(shí),可以推導(dǎo)出激光雷達(dá)成像方程.線陣激光光路如圖2所示.圖2中OX,OY是兩個(gè)平面擺鏡的中心,A為激光光源,AS→SS′→S′P為線陣激光某一單元的光路,θk為AOX與AS的夾角,其大小是由激光探測(cè)單元編號(hào)決定的,e和b是已知的儀器設(shè)計(jì)參數(shù),分別為激光點(diǎn)與M鏡中心距離以及M,N鏡中心之間距離.激光掃描儀的直角坐標(biāo)系OY-XYZ的建立原則:當(dāng)兩面鏡子轉(zhuǎn)角處于45°的初始平衡狀態(tài)時(shí),以N鏡中心為坐標(biāo)系原點(diǎn),X軸定義為入射光AOX的反方向,Y軸定義為AOX經(jīng)M鏡反射后的方向,Z軸定義為AOX經(jīng)N鏡反射后的方向.假定陣列激光掃描儀的接收單元數(shù)為p,激光雷達(dá)系統(tǒng)獲取的原始觀測(cè)量包括兩個(gè)鏡子的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角(θx,θy)和多路激光距離(R1,R2,…,Ri,…,Rp).下面詳細(xì)推導(dǎo)由觀測(cè)量、已知量(e,b)構(gòu)成的激光掃描儀三維成像方程.2.1激光雷達(dá)本體坐標(biāo)系的建立假若線陣激光的大小為?,掃描布設(shè)接收單元數(shù)為N,第k條激光光線AS與X軸的夾角為θk=-φ2+(k-1)φΝ-1(3)θk=?φ2+(k?1)φN?1(3)以O(shè)Y為坐標(biāo)中心建立直角坐標(biāo)系,OX在激光雷達(dá)本體坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)為(0,-e,0).光線AS的起始點(diǎn)A在激光雷達(dá)本體坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)為(b,-e,0),與N鏡的交點(diǎn)S在激光雷達(dá)本體坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)為(0,-e,-btanθk),lAS直線方程可表示為x-bb=y+e0=zbtanθk(4)x?bb=y+e0=zbtanθk(4)M鏡沿X到Y(jié)軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)角度θx后,平面方程可表示為Πx:x+tan(θx+45°)y+tan(θx+45°)e=0(5)Πx:x+tan(θx+45°)y+tan(θx+45°)e=0(5)假設(shè)ˉAS經(jīng)M鏡反射后的光線為ˉSA′,且|ˉAS|=|ˉSA′|,令A(yù)′在激光雷達(dá)本體坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)為(xA′,yA′,zA′),直線lA′A滿足:lA′A//Πx,得到xA′-b+tan(θx+45°)(yA′+e)=0(6)假定ˉA′A的中點(diǎn)為M,則有ˉSΜ⊥Πx,得到xA′+b1=yA′+etan(θx+45°)=zA′+2btanθk0(7)由式(6),(7)得到{xA′=-bsin2θxyA′=bcos2θx-ezA′=-2btanθk(8)即A′在激光雷達(dá)本體坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)為(-bsin2θx,bcos2θx-e,-2btanθk).N鏡沿Y軸負(fù)方向到Z軸正向旋轉(zhuǎn)θy后,平面方程可表示為Πy:-tan(θy+45°)y+z=0(9)lA′S的直線方程為xbsin2θx=y+e-bcos2θx=z+btanθkbtanθk(10)假定S′在激光雷達(dá)本體坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)為(xS′,yS′,zS′),聯(lián)合方程(9),(10)可得{xS′=sin2θx(btanθk-etan(θy+45°))cos2θxtan(θy+45°)+tanθkyS′=-tanθk(e+bcos2θx)cos2θxtan(θy+45°)+tanθkzS′=-tanθk(e+bcos2θx)tan(θy+45°)cos2θxtan(θy+45°)+tanθk(11)2.2激光雷達(dá)本體坐標(biāo)系下的三維直角坐標(biāo)確定反射后ˉS′Ρ上的點(diǎn)S″在激光雷達(dá)本體坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)為(xS″,yS″,zS″),令|ˉSS′|=|ˉS′S?|,其中S在激光雷達(dá)本體坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)為(0,-e,-btanθk),ˉSS?的中點(diǎn)R在激光雷達(dá)本體坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)為(xS″/2,(yS″-e)/2,(zS″-btanθk)/2),同樣可以得到-tan(θy+45)(yS″+e)+(zS″+btanθk)=0(12)xS″2-xS′0=yS″-e2-yS′-tan(θy+45°)=zS″-btanθk2-zS′1(13)利用方程(12),(13)求得{xS″=2xS′yS″=yS′-(e+yS′)sin2θy+(btanθk+zS′)cos2θyzS″=zS′+(e+yS′)cos2θy+(btanθk+zS′)sin2θy(14)故可以確定反射后的直線向量lS′S″(nx,ny,nz),其中:{nx=xS′ny=-(e+yS′)sin2θy+(btanθk+zS′)cos2θynz=(e+yS′)cos2θy+(btanθk+zS′)sin2θy(15)將式(15)生成的向量進(jìn)一步化簡(jiǎn)為{n′x=-sin2θxn′y=-cos2θxsin2θy-cos2θytanθkn′z=cos2θxcos2θy-sin2θytanθk(16)最后求得P點(diǎn)在激光雷達(dá)本體坐標(biāo)系下的三維直角坐標(biāo)為{xΡ=xS′+R′in′x|n|yΡ=yS′+R′in′y|n|zΡ=zS′+R′in′x|n|(17)式中:|n|=√n′2x+n′2y+n′2z;R′i=Ri-e-b/cosθk,i=1,2,…,p).聯(lián)立公式(11),(16),(17)即為多元線陣探測(cè)器各個(gè)單元在激光雷達(dá)本體坐標(biāo)系下的三維直角坐標(biāo).令θk=0,式(11),(16)可轉(zhuǎn)化為{x′S′=-etan2θxy′S′=0z′S′=0(18){n″x=-sin2θxn″y=-cos2θxsin2θyn″z=cos2θxcos2θy(19)根據(jù)式(18),(19),公式(17)可以簡(jiǎn)化為{x″Ρ=-sin2θx?R″i-etan2θxy″Ρ=-cos2θxsin2θy?R″z″Ρ=cos2θxcos2θy?R″(20)式中:R″=Ri-e.式(20)即為單元掃描型激光雷達(dá)在激光雷達(dá)本體坐標(biāo)系下的三維成像方程.3影響激光雷達(dá)成像質(zhì)量的主要因素3.1激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)誤差距離是激光雷達(dá)成像中最基本、最重要的觀測(cè)量之一.測(cè)距誤差又分為偶然誤差和系統(tǒng)誤差.激光掃描儀的距離測(cè)量產(chǎn)生的隨機(jī)誤差精度與信噪比(SNR)密切相關(guān),而SNR又受到接受的激光能量、探測(cè)器特性影響.除了SNR,距離測(cè)量精度還受激光脈沖特征、閾值探測(cè)器的敏感性及光學(xué)串?dāng)_等影響.距離測(cè)量中的系統(tǒng)誤差主要包括時(shí)間測(cè)量單元、零位誤差、尺度誤差和混合像元.激光雷達(dá)掃描儀通過組合激光光束偏轉(zhuǎn)單元來獲取高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù).這部分引入了另一種儀器誤差,它影響了角度測(cè)量精度.電流掃描儀的精度由其組件確定.從電機(jī)角度看,主要是電流計(jì)的磁滯和非線性.來源于掃描鏡產(chǎn)生的角度測(cè)量誤差包括掃描鏡安裝過程中產(chǎn)生的變形、在快速扭轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的鏡子表面變形、由于溫度變化而產(chǎn)生的振鏡表面變形、振鏡表面受到不斷腐蝕以及在制造過程中振鏡表面的非平坦性.激光掃描儀垂直軸是與兩個(gè)相互正交的振鏡垂直的軸,準(zhǔn)直軸是第二個(gè)反射鏡的中心和對(duì)象表面的激光點(diǎn)中心的連線,水平軸是第二個(gè)掃描鏡的旋轉(zhuǎn)軸.由于制造的缺陷,這些軸不能完全對(duì)齊,會(huì)產(chǎn)生準(zhǔn)直誤差和水平軸誤差.3.2影響激光雷達(dá)成像質(zhì)量的因素具有某些特征的掃描對(duì)象會(huì)影響激光雷達(dá)成像質(zhì)量.其中最重要的一個(gè)因素就是對(duì)象表面的反射率.反射率定義為反射與入射激光能力之比,它的影響因素包括對(duì)象的材料屬性、表面顏色、激光波長、激光束的入射角度、表面粗糙度、極化強(qiáng)度以及表面溫度與濕度.環(huán)境因素,例如周圍的溫度、壓力、相對(duì)濕度和震動(dòng)等在激光雷達(dá)成像過程中很重要,對(duì)測(cè)量誤差的貢獻(xiàn)很大,而且是很難控制的不斷變化的因素.激光雷達(dá)成像質(zhì)量受環(huán)境的影響主要包括激光光束在大氣里傳播,由于惡劣天氣條件對(duì)掃描成像的影響,包括大霧和陰霾等,周圍環(huán)境產(chǎn)生的輻射干擾以及掃描過程中平臺(tái)不穩(wěn)定性的影響.4激光雷達(dá)實(shí)際應(yīng)用根據(jù)多元線陣激光雷達(dá)原理,設(shè)計(jì)了一種包含24個(gè)接收單元的激光雷達(dá)掃描儀原理樣機(jī),相鄰探測(cè)單元間隔為2mrad.為了研究多元線陣激光雷達(dá)掃描儀的性能,在天氣狀況良好的時(shí)候?qū)⒃搩x器放置于室內(nèi)某固定平臺(tái)上,在0.2s內(nèi)掃描視場(chǎng)角為±15°的室外場(chǎng)景,測(cè)試靶板放在距離掃描儀30m的區(qū)域,整個(gè)掃描過程一次性完成,沒有進(jìn)行重復(fù)掃描.利用上述點(diǎn)云坐標(biāo)反演公式將獲取的原始測(cè)角、測(cè)距數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為激光雷達(dá)本體坐標(biāo)系統(tǒng)下的三維直角坐標(biāo),為了點(diǎn)云能更直觀地顯示,按照目標(biāo)點(diǎn)與掃描儀的距離差異將不同位置的點(diǎn)賦予不同的RGB(紅綠藍(lán))值.4.1點(diǎn)云的采樣分辨率是指利用激光掃描儀可以探測(cè)到的最小特征,主要包括兩個(gè)指標(biāo):①角度(平面)分辨率,可以分辨同質(zhì)表面的最小范圍,受激光光束發(fā)散角和電機(jī)掃描采樣間隔的影響;②距離(深度)分辨率,掃描儀可以識(shí)別的在測(cè)距方向上的最小距離變化.如圖3所示,為了測(cè)量儀器的平面分辨率,設(shè)計(jì)了一個(gè)等角度的“雪花”狀檢測(cè)板.6個(gè)扇形的內(nèi)角均為30°,邊長為1m,且等角度均勻分布,中心相交于一個(gè)直徑為5cm的圓心,檢測(cè)板表面距離后面的擋板為30cm.很明顯,激光雷達(dá)成像掃描儀獲取的點(diǎn)云包括兩部分:一部分是扇形表面上的點(diǎn),另外一部分是其身后擋板表面上的點(diǎn).按照目標(biāo)點(diǎn)與掃描儀的距離提取扇面上的點(diǎn)云,可以看到,在靶板中心某一范圍內(nèi)沒有坐標(biāo)點(diǎn),如圖4,手工選取該空白區(qū)域的邊緣點(diǎn),利用最小二乘法擬合成一個(gè)圓,圓的直徑約為8cm.因此,在目前的條件下,激光雷達(dá)可以探測(cè)到直徑8cm以上的目標(biāo).用于距離分辨率測(cè)試的靶板如圖5所示,靶板上面的一行矩形方塊的平面尺寸為20cm×40cm,靶面的高度從左到右分別為20.0,15.0,10.0,5.0和2.5cm.確定掃描儀點(diǎn)云圖像的距離分辨率的詳細(xì)步驟:①根據(jù)人眼識(shí)別靶板大概位置,按照其在掃描儀下的精確坐標(biāo),從掃描的場(chǎng)景中提取點(diǎn)云數(shù)據(jù).②以1.0cm的寬度截取用于測(cè)試距離分辨率的狹窄平面,將三維立體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到二維平面,以更清晰顯示其表面特征.假定該平面上、下邊緣對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)值分別為ψmax和ψmin,則由狹窄平面中的點(diǎn)Pi(xi,yi,zi)組成的集合P可以表示為Ρ={Ρi(xi,yi,zi)|ψmin<yi<ψmax,ψmax-ψmin=1.0cm}(21)③進(jìn)一步平滑點(diǎn)云數(shù)據(jù).將得到的剖面圖重采樣,假設(shè)X坐標(biāo)的最大和最小值分別為xmax,xmin,重采樣的間隔為Δx,采樣數(shù)為N,即NΔx=xmax-xmin,則重采樣后樣本區(qū)間(xmin,xmax)內(nèi)所有點(diǎn)的z坐標(biāo)均值可表示為z=(n∑k=1zk)/n(22