專利名稱：自適應變速掃描激光成像裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種獲取目標三維圖像的裝置，屬于對地觀測成像的技術領域。主要應用在基于掃描激光的對地觀測地面目標三維成像之中，也可應用于近景目標三維激光成像和斷層掃描。
直接利用高亮度、高方向性和相干性的激光對地探測而進行激光直接成像技術，可以構成對地觀測激光直接成像三維系統(tǒng)。采用激光作有源照射，不僅僅利用激光測距，還探測激光回波攜帶的目標反射強度信息，通過探測激光回波脈沖攜帶的目標距離和反射強度及波形特征信息，可以獲得地物目標每個像元高分辨率的距離數(shù)據(jù)和灰度像。結合GPS和INS可以直接得到地物目標的三維影像信息，而且，其圖像和三維坐標是完全匹配的，無需另外的地面控制點。進一步，還可以達到對目標的三維識別與分類，實現(xiàn)高分辨率、高效率、準確、主動、直接地對地面三維成像。激光遙感成像可以獲得很高的空間分辨率，無須內插運算即可獲得均勻高分辨率的數(shù)字高程圖，信息處理的效率將比較高。激光遙感成像以激光作有源照射，主動遙感方式較少受環(huán)境、氣候、目標光照和對比度的影響，可以全天時工作，特別適合于工程應用和軍事偵察。隨著激光器及其探測技術的日益發(fā)展，在這方面的研究與應用必將越來越廣泛。
對地觀測激光成像由機載激光測高發(fā)展而來，有著二三十余年的發(fā)展歷史，早期實現(xiàn)機下點測高，精度較差。后來發(fā)展到機載掃描測高，這是目前發(fā)展與應用的主流，也已在這方面進行了一定的研究，并完成了幾種試驗或應用系統(tǒng)?，F(xiàn)在幾乎所有的機載激光測高+光譜成像系統(tǒng)或機載直接激光三維成像系統(tǒng)均采取激光光束的掃描探測方式，通過平面轉鏡、平面擺鏡、多面鏡等的運動控制激光束的有規(guī)律對地掃描并探測激光回波，掃描方式有線性掃描和圓錐掃描等。它們大多以二極管泵浦固體激光器作為脈沖激光輻射源，要求激光器具有很高的脈沖重復率。
在掃描方式下，如果激光器的重復頻率足夠高，可以實現(xiàn)很高密度的對地面采樣，然后通過對激光回波信號的處理而生成地面目標的三維圖像，達到對地觀測掃描激光成像的目的。
目前的激光重復頻率達到數(shù)十到一百多千赫茲，地面采樣點間隔最小達到1米以下，距離測量分辨率10厘米左右，機載作業(yè)高度大多數(shù)在數(shù)百米，個別的達到2000米以上。典型的系統(tǒng)有美國的GLRS、SHOALS、AOL/ATM、RASCAL和ABS系統(tǒng)，加拿大的LARSEN 500、ALTM 1025系列，德國的TopoSys、ALS40，澳大利亞的LADS和WRELADSII，以及中國國家863計劃支持ASLRIS線性和圓錐掃描兩套系統(tǒng)。
一般的對地觀測掃描激光成像信息獲取系統(tǒng)的組成如

圖1所示，掃描激光成像光機頭部3在系統(tǒng)同步信號的控制下，激光器2輸出脈沖激光到光機頭部3中的掃描鏡，同時，掃描電機帶動與之同軸的掃描鏡轉動，該掃描鏡將激光器2的輸出激光束折轉而射向地面目標，地面目標的后向反射激光信號再經(jīng)過這個掃描反射鏡折轉向望遠鏡，從而被位于望遠鏡焦點上的激光探測器所接收，通過處理后就得到目標的距離等信息和其它信息。這些信息首先送到數(shù)據(jù)采集與處理電路7，經(jīng)過處理之后送到數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)視器6中存儲和實時監(jiān)視顯示。圖中的導航裝置1安裝于飛機駕駛艙內，用于飛機導航，保證按照相對直線航線飛行。姿態(tài)測量陀螺5用來取得光機頭部3的姿態(tài)，由姿態(tài)測量電路10進行姿態(tài)測量，姿態(tài)測量陀螺5和光機頭部3一起硬連接安裝于一個基座4上。GPS接收機9和天線13提供光機頭部3的空間三維坐標，它的數(shù)據(jù)以及姿態(tài)測量數(shù)據(jù)、激光測量數(shù)據(jù)一起由數(shù)據(jù)采集與處理電路7進行匯總處理。整體驅動電路8提供整個系統(tǒng)的同步時序和各種驅動信號。電源12和電源變換器11通過對工作現(xiàn)場的電源變換給整個系統(tǒng)提供所需各種電源。
通過研究，可以明顯看出，上述系統(tǒng)中的掃描激光成像的效果與激光的地面采樣間隔有很直接的關系，采樣間隔越小，則激光成像效果越好。而地面采樣間隔大小(反映地面分辨率的大小)與脈沖激光重復率成反比，與掃描速度和平臺的飛行速度成正比。目前，為了減小地面采樣間隔，需要提高脈沖激光重復率、降低飛行速度和掃描速度。但是，激光器的脈沖重復率受到各種技術條件的限制而難以達到理想的高水平，傳感器平臺飛行速度的降低也不現(xiàn)實，所以，從表面上看，需要降低掃描速度，但是，掃描速度的降低表現(xiàn)為在平臺運行一定的時間之內，掃描線的數(shù)目變少，導致飛行方向的地面采樣間隔增大，所以，也是不可取的。那么，通過什么辦法可以取得滿意的地面采樣間隔，一直是掃描激光成像領域需要解決的技術問題。
由奈奎斯特采樣定律可以得到，采樣結果能夠真實反映目標特征的采樣速率是其大于目標變化速率的兩倍以上。所以，要獲得較好的激光成像效果，就要應用恰當?shù)牟蓸铀俾?。過高的采樣速率固然可以得到好的效果，但是會造成浪費，有時也難于實現(xiàn)。過低的采樣速率會丟失目標的三維特征信息。所以，通過對地面目標的起伏情況的預測處理，實時調整采樣速率會在資源有限的情況下，獲得較好的激光成像效果。在激光重復率一定、飛行速度一定的前提下，自適應改變掃描速率將是獲得較好三維成像效果最有效途徑。
本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的在一般對地觀測掃描激光成像信息獲取系統(tǒng)中，重新設計光機頭部，使之構成本發(fā)明的自適應變速掃描激光成像裝置。常規(guī)系統(tǒng)的掃描激光對地面的采樣是勻速進行的，通過光機頭部中的掃描電機帶動掃描鏡以一定速度的旋轉而實現(xiàn)。在本發(fā)明中，掃描電機以步進電機代替，它的轉動速度是隨時可調的，也就是可實時變速掃描。變速掃描的控制信號來自于自適應變速驅動信號產生電路，該變速驅動信號受距離測量和起伏情況預測電路給出的地面起伏情況預測結果的控制。因此，本發(fā)明的特點就是由一個閉環(huán)回路實現(xiàn)掃描鏡的變速掃描，這種閉環(huán)回路由電信號、機械轉動、激光探測幾個環(huán)節(jié)實現(xiàn)閉環(huán)。該閉環(huán)回路由四部分組成，分別為光學部件與激光探測部分(多個部件)、可變速步進電機、距離測量和起伏情況預測電路(包括預測算法)、自適應變速驅動信號產生電路，通過它們的有機組合，以及與系統(tǒng)中的其它部分相結合，最終實現(xiàn)自適應變速掃描激光成像。
本發(fā)明與已有技術相比，具有突出的實質性特點和顯著進步，本發(fā)明使用步進電機取代已有的掃描電機，由速率可控掃描步進電機帶動與之同軸的掃描鏡轉動，該掃描鏡將激光器的輸出激光束折轉而射向地面目標，地面目標的后向反射激光信號再經(jīng)過這個掃描反射鏡折轉向望遠鏡，從而被位于望遠鏡焦點上的激光探測器所接收，通過處理后就得到目標的距離等信息；將一個時刻以前的若干個這樣的距離信息進行處理，可以作出對未來地面目標起伏情況的預測，該預測結果就作為一個掃描行的后續(xù)點或下一掃描行的掃描速率的控制參數(shù)；通過該參數(shù)的閉環(huán)控制，步進電機的轉動速率將進行調整，實現(xiàn)變速轉動，由一個閉環(huán)回路實現(xiàn)掃描鏡的變速掃描，并最終實現(xiàn)自適應變速掃描激光成像，使得在激光重復率不變的情況下，對地面起伏較大區(qū)域進行密集采樣，對地面起伏較小的區(qū)域快速掃過，其等效的掃描速率不會有較大變化，但實際的三維激光成像效果得到了明顯的改善。
圖2是本發(fā)明的掃描激光成像光機頭部結構示意圖。
圖3是本發(fā)明的光機頭部中的距離測量和起伏情況預測電路框圖。
圖4是本發(fā)明圖3中預測計算電路采用的預測處理程序的流程圖。
圖5是本發(fā)明的圖4中之預測算法中地面采樣當前點與其之前的m和n點的關系示意圖。
圖6是本發(fā)明的光機頭部中的自適應變速驅動信號產生電路。
如圖2所示，光機頭部3接收激光器2發(fā)射的激光束，并由其一分束片32分成取樣激光束和探測激光束。其中，該取樣激光束經(jīng)激光發(fā)射取樣器33的輸出端331輸出發(fā)射激光取樣脈沖信號至距離測量和起伏情況預測電路38的一個輸入端；而該探測激光束則經(jīng)由依次以光路連接的激光準直鏡34、立方棱鏡35、掃描地面目標14的掃描鏡36、望遠鏡37之主鏡371、望遠鏡37之次鏡372、和位于望遠鏡37的焦點上的激光探測器373后形成地面目標14的后向反射激光信號而輸入激光回波探測與處理電路37’，再由其輸出端371’向該距離測量和起伏情況預測電路38的另一輸入端饋入激光回波脈沖信號，之后，由該距離測量和起伏情況預測電路38向自適應變速驅動信號產生電路39饋入8bits速率變化指數(shù)信號，最后由其向可變速掃描步進電機31提供驅動信號，使之與其成同軸聯(lián)結的掃描鏡36自適應變速掃描，實現(xiàn)系統(tǒng)的自適應變速掃描激光成像。圖2中，還可看到，距離測量和起伏情況預測電路38的輸入端還連接一人工干預信息輸入部件38’，以及有一個同步編碼器30與該可變速掃描步進電機31連接。
再概括地說，變速掃描步進電機31是本發(fā)明中的執(zhí)行部件，是自適應變速掃描的執(zhí)行機構，它帶動與之同軸的掃描鏡36轉動，可以選擇通常的步進電機來實現(xiàn)。它帶負載能力的選擇由掃描鏡的轉動慣量和啟動力矩決定；其轉動速率的選擇由對地面的激光掃描速度決定；步進間隔的選擇由系統(tǒng)對最小掃描取樣間隔的要求來決定。例如，若要求掃描速度為每秒60行，掃描取樣間隔要求為0.63mrad，則要求步進電機最小步進間隔為0.63mrad(0.036°)，掃描電機轉速為60轉/秒，此時要求提供驅動脈沖的頻率為600kHz。改變掃描速率就是改變驅動脈沖的頻率，對該步進電機31施加變頻驅動信號就可以實現(xiàn)變速掃描，該變頻驅動信號由本發(fā)明所涉及的自適應變速驅動信號產生電路39提供。
距離測量和起伏情況預測電路框圖見圖3。首先，由主波脈沖變換電路381和回波脈沖變換電路382分別對激光發(fā)射取樣器33和激光回波探測與處理電路37’送來的脈沖進行電平和相位變換，然后，它們一起進入距離門生成電路383生成距離波門，該波門信號送到距離測量電路385中。在距離測量電路385中，由時鐘振蕩器384輸入的250MHz振蕩脈沖信號對該波門寬度進行計數(shù)測量，同時，利用累計積分方法作更精密測量，其共同測量結果就是發(fā)射主波和激光回波之間的時間延遲，可以換算成目標的距離。該距離數(shù)據(jù)要送到距離數(shù)據(jù)緩存器386中，該緩存器386是RAM存儲器，緩存當前采樣點以前的若干掃描行的所有數(shù)據(jù)，其數(shù)量多少應該滿足預測處理電路的數(shù)量要求。與此同時，預測處理單片機387在程序控制下，調用前若干距離數(shù)據(jù)進行處理，通過對以前各距離數(shù)據(jù)推算出地面的起伏狀況，然后預測后面的地面起伏情況，進而給出下一步的掃描速率變化指數(shù)，送到圖2中的自適應變速驅動信號產生電路39。速率變化指數(shù)為8位二進制數(shù)，這時可以將速率變化分為256檔。
預測處理電路由數(shù)字信號處理單片機(TMS320C30-DSP)387實現(xiàn)。預測程序100流程圖如圖4所示，其數(shù)據(jù)來源是距離數(shù)據(jù)緩存器406?；痉椒檫x取當前時刻之前的本掃描行的m點距離數(shù)據(jù)(步驟101)、當前時刻所在列(沿軌方向)以前n點的距離數(shù)據(jù)(步驟102)，這兩部分數(shù)據(jù)對應的地面點成十字形排列，交叉于當前點，基本反映著當前點周圍的地面起伏狀況。再計算出此前的地面起伏狀況(步驟103)，地面起伏狀況就是地面高度起伏的空間頻率和幅度。通過對它們進行線性預測運算(步驟107)，可以推知當前取樣點周圍的地面起伏情況。然后，給出一個地面起伏情況的變化指數(shù)，該指數(shù)將作為變速控制信號速率調整的依據(jù)，送到自適應變速驅動信號產生電路。那么，本行的后續(xù)點和后續(xù)掃描行的同一列的比鄰點的取樣掃描速率就會按照預測的結果得到控制。在預測過程中，為了控制預測精度，很重要的一點是需要計算上次預測結果和已經(jīng)測量得到的結果之間的誤差(步驟108，104，105)，生成樣本點數(shù)控制字m和n，作為當前選擇預測樣本點個數(shù)的依據(jù)(步驟106)。預測樣本點個數(shù)就是掃描內行當前點之前的地面點距離數(shù)據(jù)的個數(shù)m和當前點所在列中此前的地面點距離數(shù)據(jù)的數(shù)目n，m和n影響著預測誤差。預測算法的當前點與其之前的m和n點的關系如圖5所示。
自適應變速驅動信號產生電路39的組成見圖6。它接受距離測量和起伏情況預測電路38送來的8bits速率變化指數(shù)數(shù)據(jù)，送到速率變化指數(shù)鎖存器390鎖存。該數(shù)據(jù)加到可預置計數(shù)分頻器392的預置端，以此改變對振蕩電路391的輸出信號頻率的分頻比。由于分頻比的改變以1-256的整數(shù)規(guī)律變化，分頻輸出的變頻間隔成倍數(shù)變化，所以，需要運用一個變頻信號合成電路393將分頻后的信號與未分頻的信號按照一定規(guī)律進行合成，使得頻率變化按照等差規(guī)律進行。因而，變頻信號合成電路393的輸出脈沖頻率可以等間隔變化，該輸出信號經(jīng)過多相信號生成電路394之后，輸出若干個(依步進電機31要求而定)不同相位的變頻信號到變頻驅動放大電路395。該電路395將信號進行功率放大之后提高其驅動能力而送給步進電機31。由于步進電機31的驅動信號是脈沖串，它的脈沖間隔大小決定著轉動速率，所以，用于驅動步進電機的驅動信號頻率控制電路的關鍵就是完全實時地改變脈沖間隔。該電路由可預置分頻比的分頻電路實現(xiàn)，分頻比就是前級送來的速率變化指數(shù)。由于振蕩電路輸出的脈沖串頻率較高，約為電機31實際所需頻率的數(shù)十倍，其時間間隔比步進電機31驅動信號的最小間隔小很多倍。這時，速率變化指數(shù)送來之后，就可以立即改變驅動信號頻率控制電路當前輸出脈沖與上一個脈沖之間的時間間隔，輸出變速控制信號。
權利要求
1.一種自適應變速掃描激光成像裝置，包括安裝在飛行平臺的安裝基座上的光機頭部(3)，其含有一將激光器(2)發(fā)射入光機頭部(3)的激光束分成取樣激光束和探測激光束的分束片(32)，該取樣激光束經(jīng)一激光發(fā)射取樣器(33)后形成發(fā)射激光取樣脈沖信號；該探測激光束經(jīng)由依次以光路連接的激光準直鏡(34)、立方棱鏡(35)、掃描地面目標(14)的掃描鏡(36)和望遠鏡(37)后，形成地面目標(14)的后向反射激光信號，再經(jīng)一激光回波探測與處理電路(37’)輸出回波脈沖信號；其特征在于a.還有一與該掃描地面目標(14)的掃描鏡(36)成同軸聯(lián)結的一可變速掃描步進電機(31)；b.設有一接收所述的發(fā)射激光取樣脈沖信號和回波脈沖信號的距離測量和起伏情況預測電路(38)，其輸出速率變化指數(shù)信號，最后經(jīng)一自適應變速驅動信號產生電路(39)與該可變速掃描步進電機(31)以電-機聯(lián)結而形成一閉環(huán)回路結構。
2.根據(jù)權利要求1所述的自適應變速掃描激光成像裝置，其特征在于所述的距離測量和起伏情況預測電路(38)包括分別接受所述發(fā)射激光取樣脈沖信號和回波脈沖信號的主波脈沖變換電路(381)和回波脈沖變換電路(382)，以及后接它們并生成距離門信號的一距離門生成電路(383)；該距離門生成電路(383)和一時鐘振蕩器(384)分別與一距離測量電路(385)相連接而輸出地面目標(14)距離數(shù)據(jù)信號，該距離數(shù)據(jù)信號送入一依次以電路聯(lián)結并形成閉環(huán)電路結構的一距離數(shù)據(jù)緩存器(386)，運行預測程序(100)的預測處理單片機(387)和一地址控制器(388)，并由該預測處理單片機(38)輸出速率變化指數(shù)信號。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的自適應變速掃描激光成像裝置，其特征在于所說速率變化指數(shù)信號，其長度為8bit。
4.根據(jù)權利要求1所述的自適應變速掃描激光成像裝置，其特征在于所說的自適應變速驅動信號產生電路(39)包括接受來自所述距離測量和起伏情況預測電路(38)輸出的速率變化指數(shù)信號的一速率變化指數(shù)鎖存器(390)，該鎖存器(390)與一振蕩電路(391)分別連接一可預置計數(shù)分數(shù)頻器(392)的預置端和時鐘信號輸入端，其輸出端后接依次以電路連接的一變頻信號合成電路(393)、一多相信號生成電路(394)和一變頻驅動放大電路(395)，該振蕩電路(391)還連接該變頻信號合成電路(393)。
全文摘要
一種自適應變速掃描激光成像裝置，用于獲取目標三維圖像，屬于對地觀測成像的技術領域。主要應用在基于掃描激光的對地觀測地面目標三維成像之中，也可應用于近景目標三維激光成像和斷層掃描。其主要由一個閉環(huán)回路實現(xiàn)掃描電機帶動掃描鏡的變速掃描，變速的依據(jù)是地面目標的起伏情況。這種閉環(huán)回路由電信號、機械轉動、激光探測幾個環(huán)節(jié)實現(xiàn)閉環(huán)。該閉環(huán)回路由四部分組成，分別為光學部件與激光探測部分、可變速步進電機、距離測量和起伏情況預測電路(包括預測算法)、自適應變速驅動信號產生電路，通過它們的有機組合，以及與系統(tǒng)中的其它部分相結合，最終實現(xiàn)自適應變速掃描激光成像。
文檔編號G01S17/00GK1424591SQ0215769
公開日2003年6月18日 申請日期2002年12月24日 優(yōu)先權日2002年12月24日
發(fā)明者胡以華, 舒嶸, 方抗美, 趙淑華, 王建宇, 薛永祺 申請人:中國科學院上海技術物理研究所