本發(fā)明涉及機(jī)載LiDAR對(duì)地形高程變化的自適應(yīng)調(diào)節(jié)問(wèn)題。

背景技術(shù)：

機(jī)載LiDAR是基于激光測(cè)距原理的地形測(cè)繪新技術(shù)，是多種最新技術(shù)測(cè)量設(shè)備的集成體，包括機(jī)載平臺(tái)、激光掃描儀、全球定位系統(tǒng)GPS和慣性測(cè)量單元IMU等。

機(jī)載LiDAR工作過(guò)程如下：飛機(jī)以設(shè)定航線勻速直線飛行，飛行高度事先規(guī)劃好，在當(dāng)?shù)厮矫鎱⒖甲鴺?biāo)系中，理想飛行高度保持不變。由GPS和IMU實(shí)時(shí)測(cè)出激光掃描儀載荷平臺(tái)的航跡和姿態(tài)角信息，根據(jù)激光掃描儀發(fā)射脈沖的飛行時(shí)間計(jì)算出激光掃描儀掃描鏡到地面激光腳點(diǎn)的距離，由光電軸角編碼器獲得該激光脈沖發(fā)射時(shí)刻的掃描角，根據(jù)以上數(shù)據(jù)可計(jì)算出地面激光腳點(diǎn)的三維坐標(biāo)。大量的激光腳點(diǎn)形成激光點(diǎn)云，經(jīng)過(guò)后續(xù)點(diǎn)云處理，可獲得被測(cè)地形的重建三維成像產(chǎn)品。

激光雷達(dá)掃描點(diǎn)云的帶寬和點(diǎn)密度決定了被測(cè)地形的三維重建產(chǎn)品質(zhì)量。理想激光點(diǎn)云為當(dāng)被測(cè)地形高程保持不變時(shí)激光雷達(dá)所獲得的掃描點(diǎn)云，而實(shí)際激光點(diǎn)云為當(dāng)被測(cè)地形有高程變化時(shí)由激光雷達(dá)所獲得的掃描點(diǎn)云。當(dāng)?shù)匦胃叱虩o(wú)變化時(shí)，所獲得的理想激光點(diǎn)云帶寬始終不變，點(diǎn)云分布密度均勻一致。當(dāng)被測(cè)地形高程有變化時(shí)，實(shí)際激光點(diǎn)云分布帶寬和點(diǎn)密度均發(fā)生了顯著變化。當(dāng)被測(cè)地形高程增加時(shí)，飛機(jī)與被測(cè)地面相對(duì)高度將減小，此時(shí)點(diǎn)云帶寬將減小，會(huì)造成重要地形區(qū)域漏掃。當(dāng)被測(cè)地形高程減小時(shí)，飛機(jī)與被測(cè)地形相對(duì)高度將增加，此時(shí)點(diǎn)云帶寬將增大，但由于激光脈沖重復(fù)頻率不變，故每一條掃描行的激光點(diǎn)數(shù)固定不變，故點(diǎn)密度降低，使測(cè)量分辨率降低，地形重建三維成像失真將增大。因此，針對(duì)機(jī)載LiDAR進(jìn)行地形高程變化的自適應(yīng)調(diào)節(jié)非常必要，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，現(xiàn)有的各種點(diǎn)掃描式三維成像機(jī)載LiDAR及其他相關(guān)類型的LiDAR，如推掃式線掃描機(jī)載LiDAR等，均沒(méi)有針對(duì)地形高程變化的實(shí)時(shí)補(bǔ)償功能及裝置，同時(shí)現(xiàn)有文獻(xiàn)中也沒(méi)有關(guān)于機(jī)載LiDAR對(duì)地形高程變化的實(shí)時(shí)補(bǔ)償技術(shù)的研究、描述和報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供的一種可自適應(yīng)補(bǔ)償被測(cè)地形高程變化的機(jī)載LiDAR裝置（1），其特征在于包括自適應(yīng)激光LiDAR（11）、地形高程變化自適應(yīng)調(diào)節(jié)器（12）和激光掃描帶寬測(cè)量?jī)x（13）；所述自適應(yīng)激光LiDAR（11），其特征在于包括可調(diào)頻率激光脈沖測(cè)距儀（111）、反射鏡（112）、正6面旋轉(zhuǎn)棱鏡（113）、旋轉(zhuǎn)電機(jī)（114）、光電軸角編碼器（115），其出射激光脈沖掃描方向是垂直于飛行軌跡的機(jī)載平臺(tái)正下方視線方向；所述激光掃描帶寬測(cè)量?jī)x（13），其特征在于包括固定頻率激光脈沖測(cè)距儀（131）、反射鏡（132）和斜6面椎體旋轉(zhuǎn)棱鏡（133），其出射激光脈沖掃描方向是前向斜下方視線方向。所述可調(diào)頻率激光脈沖測(cè)距儀（111）經(jīng)所述反射鏡（112）打在所述正6面旋轉(zhuǎn)棱鏡（113）的側(cè)面上，經(jīng)反射后對(duì)飛機(jī)平臺(tái)正下方視線方向進(jìn)行掃描，獲得被測(cè)地面的激光腳點(diǎn)三維坐標(biāo)。所述固定頻率激光脈沖測(cè)距儀（131）發(fā)出的激光脈沖，經(jīng)所述反射鏡（132）反射到所述斜6面椎體旋轉(zhuǎn)棱鏡（133）的一個(gè)側(cè)面上，經(jīng)反射后打在飛行方向的正前方一個(gè)掃描行間距的地形表面上，進(jìn)行預(yù)掃描，可獲得掃描激光腳點(diǎn)的測(cè)距值，提供給所述地形高程變化自適應(yīng)調(diào)節(jié)器（12），結(jié)合所述GPS（2）和所述IMU（3）測(cè)量的飛行參數(shù)信息，可獲得掃描激光腳點(diǎn)的三維坐標(biāo)，進(jìn)而計(jì)算出該掃描線的預(yù)測(cè)帶寬；通過(guò)進(jìn)一步計(jì)算，可獲得在下一條激光掃描行時(shí)、能夠使掃描點(diǎn)云帶寬和點(diǎn)密度都始終保持不變的掃描視場(chǎng)角修正值和激光脈沖頻率修正值；由所述光電軸角編碼器（115）獲得所述正6面旋轉(zhuǎn)棱鏡（113）的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，反饋給所述地形高程變化自適應(yīng)調(diào)節(jié)器（12），只在修正的掃描視場(chǎng)角范圍內(nèi)產(chǎn)生規(guī)定頻率的方波信號(hào)，提供給所述可調(diào)頻率激光脈沖測(cè)距儀（111），使所述可調(diào)頻率激光脈沖測(cè)距儀（111）發(fā)出修正頻率的激光脈沖，從而可保證在正下方視線方向的激光掃描點(diǎn)云帶寬和點(diǎn)密度始終保持不變，不受地形高程變化的影響。所述可調(diào)頻率激光脈沖測(cè)距儀（111）采用頻率可調(diào)的外調(diào)制激光器，其留有專用的信號(hào)接口，由用戶輸入方波信號(hào)來(lái)控制激光脈沖的發(fā)射頻率，調(diào)制頻率可高達(dá)10MHz。由所述地形高程變化自適應(yīng)調(diào)節(jié)器（12）產(chǎn)生要求頻率的方波信號(hào)，觸發(fā)所述可調(diào)頻率激光脈沖測(cè)距儀（111），產(chǎn)生相應(yīng)頻率的激光脈沖。

其中，所述一種可自適應(yīng)補(bǔ)償被測(cè)地形高程變化的機(jī)載LiDAR裝置（1）、全球定位系統(tǒng)GPS（2）、慣性測(cè)量單元IMU（3）均安裝在機(jī)載平臺(tái)（4）上。所述一種可自適應(yīng)補(bǔ)償被測(cè)地形高程變化的機(jī)載LiDAR裝置（1）可同時(shí)進(jìn)行兩個(gè)方向的激光掃描，一是機(jī)載平臺(tái)的正下方視線方向，二是前向斜下方視線方向。正下方視線方向的激光掃描是主要的工作掃描器，對(duì)每一個(gè)激光腳點(diǎn)進(jìn)行測(cè)距，結(jié)合所述GPS（2）和所述IMU（3）測(cè)量的飛行狀態(tài)信息，可求得每個(gè)地面激光腳點(diǎn)的三維坐標(biāo)。前向斜下方視線方向的激光掃描是帶寬預(yù)測(cè)激光器，其掃描方向與正下方視線方向之間有一個(gè)小夾角β，可獲得前方一定距離處的地形的掃描帶寬，與正下方視線方向的激光掃描初始測(cè)量帶寬相比，若有偏差，就可對(duì)正下方視線方向的激光掃描器的掃描角和激光脈沖頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，最終使正下方視線方向的激光掃描點(diǎn)云帶寬和點(diǎn)密度始終不變。

其中，所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)（114）與所述光電軸角編碼器（115）、所述正6面旋轉(zhuǎn)棱鏡（113）和所述斜6面椎體旋轉(zhuǎn)棱鏡（133）同軸固連。所述斜6面椎體旋轉(zhuǎn)棱鏡（133）的側(cè)面與旋轉(zhuǎn)軸之間有一個(gè)小傾角β。所述固定頻率激光脈沖測(cè)距儀（131）發(fā)出固定頻率的激光脈沖，通過(guò)所述反射鏡（132），射向所述斜6面椎體旋轉(zhuǎn)棱鏡（133）的側(cè)面上，經(jīng)反射后的出射激光脈沖指向前向斜下方視線方向，并隨所述斜6面椎體旋轉(zhuǎn)棱鏡（133）的旋轉(zhuǎn)而進(jìn)行垂直于飛行方向的切向掃描。打在被測(cè)地面上的激光腳點(diǎn)的回波反射回所述固定頻率激光脈沖測(cè)距儀（131）中，獲得激光測(cè)距，結(jié)合所述GPS（2）和所述IMU（3）測(cè)量的飛行參數(shù)信息，可計(jì)算出每個(gè)激光腳點(diǎn)的三維坐標(biāo)，進(jìn)而可獲得一條掃描行的帶寬。所述可調(diào)頻率激光脈沖測(cè)距儀（111）發(fā)出可調(diào)頻率的激光脈沖，通過(guò)所述反射鏡（112），射向所述正6面旋轉(zhuǎn)棱鏡（113）的側(cè)面，經(jīng)反射后的出射激光脈沖指向機(jī)載平臺(tái)的正下方視線方向，并隨所述正6面旋轉(zhuǎn)棱鏡（113）的旋轉(zhuǎn)而進(jìn)行垂直于飛行方向的切向掃描。打在被測(cè)地面上的激光腳點(diǎn)的回波反射回所述可調(diào)頻率激光脈沖測(cè)距儀（111）中，獲得激光測(cè)距，結(jié)合所述GPS（2）和所述IMU（3）測(cè)量的飛行參數(shù)信息，可計(jì)算出每個(gè)激光腳點(diǎn)的三維坐標(biāo)。所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)（114）勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，并由所述光電軸角編碼器（115）獲得所述正6面旋轉(zhuǎn)棱鏡（113）及所述斜6面椎體旋轉(zhuǎn)棱鏡（133）的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)角度。根據(jù)所述光電軸角編碼器（115）的測(cè)角值，可在要求的轉(zhuǎn)角內(nèi)控制所述可調(diào)頻率激光脈沖測(cè)距儀（111）發(fā)射激光脈沖，激光脈沖的頻率能滿足使掃描點(diǎn)云帶寬和點(diǎn)密度始終保持不變。

其中，O₁是所述正6面旋轉(zhuǎn)棱鏡（113）的鏡面激光反射點(diǎn)，O₂是所述斜6面椎體旋轉(zhuǎn)棱鏡（133）的鏡面激光反射點(diǎn)，O₁O₂之間距離為L(zhǎng)，激光掃描角為±θo，飛機(jī)與被測(cè)地面之間的相對(duì)高度為H，設(shè)被測(cè)地面是平面，D₁和D₂分別是正下方視線的掃描線和前方斜下方視線的掃描線的帶寬，L₁為D₁和D₂之間的距離。所述斜6面椎體旋轉(zhuǎn)棱鏡（133）的側(cè)面與旋轉(zhuǎn)軸之間的傾角為βo，故經(jīng)側(cè)面反射后的掃描面與鉛垂線之間的夾角為2βo。經(jīng)計(jì)算可得，D₁=D₂*cos2β，因此，由所述斜6面椎體旋轉(zhuǎn)棱鏡（133）測(cè)量獲得掃描線帶寬D₂后，經(jīng)計(jì)算可獲得此位置時(shí)若采用正下方視線方向激光掃描測(cè)量時(shí)的掃描線帶寬D₁，此即為預(yù)測(cè)的正下方視線方向的掃描線帶寬。

其中，設(shè)機(jī)載激光雷達(dá)開(kāi)始測(cè)量時(shí)的地形高程位置為理想地形高程位置，理想掃描視場(chǎng)角為±θ₀o，在測(cè)量有高程變化的實(shí)際地形時(shí)，要求掃描帶寬不變，則有D₁*tan(θ₀)= D₂ *tan(θ_B)，由此可求出補(bǔ)償后的掃描視場(chǎng)角 o。另外，設(shè)所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)（114）的角速度為o/s，設(shè)每條掃描線的掃描點(diǎn)數(shù)為常數(shù)m，則當(dāng)掃描視場(chǎng)角為±θ₀o時(shí)，獲得一條激光掃描線的掃描時(shí)間為 ，則理想地形高程時(shí)激光脈沖重復(fù)頻率為 (Hz)。當(dāng)掃描視場(chǎng)角為o時(shí)，此時(shí)的激光脈沖重復(fù)頻率為 (Hz)。由此可見(jiàn)，根據(jù)預(yù)測(cè)的激光掃描線帶寬D₂，可獲得補(bǔ)償后的掃描視場(chǎng)角o，進(jìn)而可求得補(bǔ)償后的脈沖重復(fù)頻率。通過(guò)自適應(yīng)地調(diào)整正下方視線方向激光掃描的掃描視場(chǎng)角和激光發(fā)射頻率的大小，可實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)匦胃叱套兓瘜?duì)激光掃描點(diǎn)云的不利影響，使地面激光點(diǎn)云的掃描帶寬和點(diǎn)密度始終不變，從而有效保證機(jī)載LiDAR三維成像產(chǎn)品的分辨率和質(zhì)量。

其中，在所述地形高程變化自適應(yīng)調(diào)節(jié)器（12）中，編制控制軟件。在主程序中主要設(shè)置好中斷1，即當(dāng)所述正6面旋轉(zhuǎn)棱鏡（113）逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度為-30o、-90o、-150o、-210o、-270o、-330o時(shí)，開(kāi)啟中斷子程序1使能，旋轉(zhuǎn)棱鏡每旋轉(zhuǎn)一周有六次中斷，與旋轉(zhuǎn)棱鏡的側(cè)面數(shù)目相同。中斷1子程序中，首先采集激光掃描測(cè)距值、GPS和IMU測(cè)量的飛行狀態(tài)值、光電軸角編碼器的轉(zhuǎn)角實(shí)際測(cè)量值；計(jì)算激光腳點(diǎn)的三維坐標(biāo)，獲得理想掃描線帶寬D₁和預(yù)測(cè)的掃描線帶寬D₂；進(jìn)而，計(jì)算下一條正下方視線方向激光掃描經(jīng)修正后的掃描視場(chǎng)角和方波頻率值；最后，根據(jù)所述光電軸角編碼器（115）的實(shí)測(cè)值，在每一面所述正6面旋轉(zhuǎn)棱鏡（113）的掃描過(guò)程中，只在修正的掃描視場(chǎng)角范圍內(nèi)輸出修正后頻率的方波信號(hào)，觸發(fā)所述可調(diào)頻率激光脈沖測(cè)距儀（111）發(fā)出相應(yīng)頻率的激光脈沖。中斷子程序2中，當(dāng)所述光電軸角編碼器（115）測(cè)量的所述正6面旋轉(zhuǎn)棱鏡（113）的實(shí)際轉(zhuǎn)角為時(shí)，啟動(dòng)中斷2，所述地形高程變化自適應(yīng)調(diào)節(jié)器（12）開(kāi)始輸出頻率為的方波信號(hào)，觸發(fā)所述可調(diào)頻率激光脈沖測(cè)距儀（111）發(fā)出頻率為的激光脈沖。中斷子程序3中，當(dāng)所述光電軸角編碼器（115）測(cè)量所述正6面旋轉(zhuǎn)棱鏡（113）的實(shí)際轉(zhuǎn)角為時(shí)，啟動(dòng)中斷3，所述地形高程變化自適應(yīng)調(diào)節(jié)器（12）停止輸出頻率為的方波信號(hào)，使所述可調(diào)頻率激光脈沖測(cè)距儀（111）停止發(fā)出激光脈沖。

其中，所述地形高程變化自適應(yīng)調(diào)節(jié)器（12）控制系統(tǒng)由ARM(LPC2138)嵌入式系統(tǒng)作為控制器。由所述GPS（2）和所述IMU（3）測(cè)量的飛行狀態(tài)值通過(guò)串口1輸入給ARM(LPC2138)；所述可調(diào)頻率激光脈沖測(cè)距儀（111）和所述固定頻率激光脈沖測(cè)距儀（131）的激光測(cè)距值通過(guò)串口2輸入給ARM(LPC2138)；由所述光電軸角編碼器（115）測(cè)量的轉(zhuǎn)角通過(guò)串口3輸入給ARM(LPC2138)。ARM(LPC2138)可產(chǎn)生頻率可調(diào)的方波，采用數(shù)值計(jì)算合成和D/A轉(zhuǎn)換模塊，輸出頻率范圍1 Hz~50 kHz的方波信號(hào)。方波的產(chǎn)生，由大小不同的兩個(gè)信號(hào)數(shù)據(jù)交替輸出形成，每個(gè)信號(hào)數(shù)據(jù)輸出的時(shí)間長(zhǎng)短根據(jù)所要求的信號(hào)頻率決定。在測(cè)量某一高程的地形時(shí)，設(shè)要求的掃描視場(chǎng)角為、激光脈沖頻率為，根據(jù)所述光電軸角編碼器（115）測(cè)量的所述正6面旋轉(zhuǎn)棱鏡（113）的掃描角度，ARM(LPC2138)可控制方波信號(hào)輸出的開(kāi)始和停止。當(dāng)所述光電軸角編碼器（115）測(cè)量的所述正6面旋轉(zhuǎn)棱鏡（113）的掃描角度為時(shí)，ARM(LPC2138)輸出頻率為的方波信號(hào)，觸發(fā)所述可調(diào)頻率激光脈沖測(cè)距儀（111），發(fā)出頻率為的激光脈沖。當(dāng)所述光電軸角編碼器（115）測(cè)量的所述正6面旋轉(zhuǎn)棱鏡（113）的掃描角度為時(shí)，ARM(LPC2138)停止輸出方波信號(hào)，觸發(fā)所述可調(diào)頻率激光脈沖測(cè)距儀（111）停止輸出激光脈沖。

附圖說(shuō)明

圖1是激光雷達(dá)對(duì)地形有正弦波動(dòng)時(shí)的測(cè)量示意圖。

圖2是地形高程變化時(shí)對(duì)激光掃描點(diǎn)云分布帶寬和點(diǎn)密度的影響示意圖。

圖3是對(duì)被測(cè)地形高程變化具有自適應(yīng)補(bǔ)償功能的機(jī)載LiDAR裝置工作原理圖。

圖4是一種可自適應(yīng)補(bǔ)償被測(cè)地形高程變化的機(jī)載LiDAR裝置（1）系統(tǒng)組成框圖。

圖5為一種可自適應(yīng)補(bǔ)償被測(cè)地形高程變化的機(jī)載LiDAR裝置（1）的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是掃描點(diǎn)云帶寬的預(yù)測(cè)測(cè)量方法示意圖。

圖7是機(jī)載激光掃描對(duì)地形高程變化自適應(yīng)補(bǔ)償方法示意圖。

圖8是所述地形高程變化自適應(yīng)調(diào)節(jié)器（12）的軟件工作流程圖。

圖9為所述地形高程變化自適應(yīng)調(diào)節(jié)器（12）硬件系統(tǒng)連接示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明專利實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

圖1是激光雷達(dá)對(duì)地形有正弦波動(dòng)時(shí)的測(cè)量示意圖。機(jī)載激光雷達(dá)的飛機(jī)模擬飛行高度是100米，采用勻速直線運(yùn)動(dòng)飛行，速度是60米/秒。被測(cè)地形的起伏變化為幅值20米、周期120米的正弦變化。激光雷達(dá)安裝在機(jī)載平臺(tái)上，對(duì)正下方視線方向的被測(cè)地形采用旋轉(zhuǎn)多面棱鏡體制進(jìn)行線性掃描。

圖2是地形高程變化時(shí)對(duì)激光掃描點(diǎn)云分布帶寬和點(diǎn)密度的影響示意圖。激光雷達(dá)掃描點(diǎn)云的帶寬和點(diǎn)密度決定了被測(cè)地形的三維重建產(chǎn)品質(zhì)量。理想激光點(diǎn)云為當(dāng)被測(cè)地形高程保持不變時(shí)激光雷達(dá)所獲得的掃描點(diǎn)云，而實(shí)際激光點(diǎn)云為當(dāng)被測(cè)地形為幅值20米、周期120米的正弦變化時(shí)由激光雷達(dá)所獲得的掃描點(diǎn)云。設(shè)開(kāi)始測(cè)量時(shí)飛機(jī)距被測(cè)地面的初始高度為100米，飛行速度為60米/秒，掃描視場(chǎng)角為。地形高程無(wú)變化時(shí)，所獲得的理想激光點(diǎn)云帶寬始終不變，點(diǎn)云分布密度均勻一致。當(dāng)被測(cè)地形高程有變化時(shí)，實(shí)際激光點(diǎn)云分布帶寬和點(diǎn)密度均發(fā)生了顯著變化。t=0時(shí)，掃描帶寬為44.3米，每條掃描線的激光點(diǎn)數(shù)為20個(gè)，則激光點(diǎn)的間距為2.215米；t=0.5秒時(shí)，掃描帶寬為35.5米，激光點(diǎn)的間距為1.775米；t=1.5秒時(shí)，掃描帶寬為53.2米，激光點(diǎn)的間距為2.66米?？梢?jiàn)，被測(cè)地形高程增加時(shí)，飛機(jī)與被測(cè)地面相對(duì)高度減小，此時(shí)點(diǎn)云帶寬減小，造成重要地形區(qū)域漏掃。當(dāng)被測(cè)地形高程減小時(shí)，飛機(jī)與被測(cè)地形相對(duì)高度增加，此時(shí)點(diǎn)云帶寬增大，但由于每一條掃描行的點(diǎn)數(shù)不變，故點(diǎn)密度降低，使測(cè)量分辨率降低，地形重建三維成像失真將增大。

圖3是對(duì)被測(cè)地形高程變化具有自適應(yīng)補(bǔ)償功能的機(jī)載LiDAR裝置工作原理圖。所述一種可自適應(yīng)補(bǔ)償被測(cè)地形高程變化的機(jī)載LiDAR裝置（1）、全球定位系統(tǒng)GPS（2）、慣性測(cè)量單元IMU（3）均安裝在機(jī)載平臺(tái)（4）上。所述一種可自適應(yīng)補(bǔ)償被測(cè)地形高程變化的機(jī)載LiDAR裝置（1）可同時(shí)進(jìn)行兩個(gè)方向的激光掃描，一是機(jī)載平臺(tái)的正下方視線方向，二是前向斜下方視線方向。正下方視線方向的激光掃描是主要的工作掃描器，對(duì)每一個(gè)激光腳點(diǎn)進(jìn)行測(cè)距，結(jié)合所述GPS（2）和所述IMU（3）測(cè)量的飛行狀態(tài)信息，可求得每個(gè)地面激光腳點(diǎn)的三維坐標(biāo)。前向斜下方視線方向的激光掃描是帶寬預(yù)測(cè)激光器，其掃描方向與正下方視線方向之間有一個(gè)小夾角β，可獲得前方一定距離處的地形的掃描帶寬，與正下方視線方向的激光掃描初始測(cè)量帶寬相比，若有偏差，就可對(duì)正下方視線方向的激光掃描器的掃描角和激光脈沖重復(fù)頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，使正下方視線方向的激光掃描點(diǎn)云帶寬和點(diǎn)密度始終不變。

圖4是一種可自適應(yīng)補(bǔ)償被測(cè)地形高程變化的機(jī)載LiDAR裝置（1）系統(tǒng)組成框圖。本發(fā)明提供的一種可自適應(yīng)補(bǔ)償被測(cè)地形高程變化的機(jī)載LiDAR裝置（1），其特征在于包括自適應(yīng)激光LiDAR（11）、地形高程變化自適應(yīng)調(diào)節(jié)器（12）和激光掃描帶寬測(cè)量?jī)x（13）；所述自適應(yīng)激光LiDAR（11），其特征在于包括可調(diào)頻率激光脈沖測(cè)距儀（111）、反射鏡（112）、正6面旋轉(zhuǎn)棱鏡（113）、旋轉(zhuǎn)電機(jī)（114）、光電軸角編碼器（115），其出射激光脈沖掃描方向是垂直于飛行軌跡的機(jī)載平臺(tái)正下方視線方向；所述激光掃描帶寬測(cè)量?jī)x（13），其特征在于包括固定頻率激光脈沖測(cè)距儀（131）、反射鏡（132）和斜6面椎體旋轉(zhuǎn)棱鏡（133），其出射激光脈沖掃描方向是前向斜下方視線方向。所述可調(diào)頻率激光脈沖測(cè)距儀（111）經(jīng)所述反射鏡（112）打在所述正6面旋轉(zhuǎn)棱鏡（113）的側(cè)面上，經(jīng)反射后對(duì)飛機(jī)平臺(tái)正下方視線方向進(jìn)行掃描，獲得被測(cè)地面的激光腳點(diǎn)三維坐標(biāo)。所述固定頻率激光脈沖測(cè)距儀（131）發(fā)出的激光脈沖，經(jīng)所述反射鏡（132）反射到所述斜6面椎體旋轉(zhuǎn)棱鏡（133）的一個(gè)側(cè)面上，經(jīng)反射后打在飛行方向的正前方一個(gè)掃描行間距的地形表面上，進(jìn)行預(yù)掃描，可獲得掃描激光腳點(diǎn)的測(cè)距值，提供給所述地形高程變化自適應(yīng)調(diào)節(jié)器（12），結(jié)合所述GPS（2）和所述IMU（3）測(cè)量的飛行參數(shù)信息，可獲得掃描激光腳點(diǎn)的三維坐標(biāo)，進(jìn)而計(jì)算出該掃描線的預(yù)測(cè)帶寬；通過(guò)進(jìn)一步計(jì)算，可獲得在下一條激光掃描行時(shí)、能夠使掃描點(diǎn)云帶寬和點(diǎn)密度都始終保持不變的掃描視場(chǎng)角修正值和激光脈沖頻率修正值；由所述光電軸角編碼器（115）獲得所述正6面旋轉(zhuǎn)棱鏡（113）的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，反饋給所述地形高程變化自適應(yīng)調(diào)節(jié)器（12），只在修正的掃描視場(chǎng)角范圍內(nèi)產(chǎn)生規(guī)定頻率的方波信號(hào)，提供給所述可調(diào)頻率激光脈沖測(cè)距儀（111），使所述可調(diào)頻率激光脈沖測(cè)距儀（111）發(fā)出修正頻率的激光脈沖，從而可保證在正下方視線方向的激光掃描點(diǎn)云帶寬和點(diǎn)密度始終保持不變，不受地形高程變化的影響。所述可調(diào)頻率激光脈沖測(cè)距儀（111）采用頻率可調(diào)的外調(diào)制激光器，其留有專用的信號(hào)接口，由用戶輸入方波信號(hào)來(lái)控制激光脈沖的發(fā)射頻率，調(diào)制頻率可高達(dá)10MHz。由所述地形高程變化自適應(yīng)調(diào)節(jié)器（12）產(chǎn)生要求頻率的方波信號(hào)，觸發(fā)所述可調(diào)頻率激光脈沖測(cè)距儀（111），產(chǎn)生相應(yīng)頻率的激光脈沖。

圖5為一種可自適應(yīng)補(bǔ)償被測(cè)地形高程變化的機(jī)載LiDAR裝置（1）的結(jié)構(gòu)示意圖。所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)（114）與所述光電軸角編碼器（115）、所述正6面旋轉(zhuǎn)棱鏡（113）和所述斜6面椎體旋轉(zhuǎn)棱鏡（133）同軸固連。所述斜6面椎體旋轉(zhuǎn)棱鏡（133）的側(cè)面與旋轉(zhuǎn)軸之間有一個(gè)小傾角β。所述固定頻率激光脈沖測(cè)距儀（131）發(fā)出固定頻率的激光脈沖，通過(guò)所述反射鏡（132），射向所述斜6面椎體旋轉(zhuǎn)棱鏡（133）的側(cè)面上，經(jīng)反射后的出射激光脈沖指向前向斜下方視線方向，并隨所述斜6面椎體旋轉(zhuǎn)棱鏡（133）的旋轉(zhuǎn)而進(jìn)行垂直于飛行方向的切向掃描。打在被測(cè)地面上的激光腳點(diǎn)的回波反射回所述固定頻率激光脈沖測(cè)距儀（131）中，獲得激光測(cè)距，結(jié)合所述GPS（2）和所述IMU（3）測(cè)量的飛行參數(shù)信息，可計(jì)算出每個(gè)激光腳點(diǎn)的三維坐標(biāo)，進(jìn)而可獲得一條掃描行的帶寬。所述可調(diào)頻率激光脈沖測(cè)距儀（111）發(fā)出可調(diào)頻率的激光脈沖，通過(guò)所述反射鏡（112），射向所述正6面旋轉(zhuǎn)棱鏡（113）的側(cè)面，經(jīng)反射后的出射激光脈沖指向機(jī)載平臺(tái)的正下方視線方向，并隨所述正6面旋轉(zhuǎn)棱鏡（113）的旋轉(zhuǎn)而進(jìn)行垂直于飛行方向的切向掃描。打在被測(cè)地面上的激光腳點(diǎn)的回波反射回所述可調(diào)頻率激光脈沖測(cè)距儀（111）中，獲得激光測(cè)距，結(jié)合所述GPS（2）和所述IMU（3）測(cè)量的飛行參數(shù)信息，可計(jì)算出每個(gè)激光腳點(diǎn)的三維坐標(biāo)。所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)（114）勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，并由所述光電軸角編碼器（115）獲得所述正6面旋轉(zhuǎn)棱鏡（113）及所述斜6面椎體旋轉(zhuǎn)棱鏡（133）的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)角度。根據(jù)所述光電軸角編碼器（115）的測(cè)角值，可在要求的轉(zhuǎn)角內(nèi)控制所述可調(diào)頻率激光脈沖測(cè)距儀（111）發(fā)射激光脈沖，激光脈沖的頻率能滿足使掃描點(diǎn)云帶寬和點(diǎn)密度始終保持不變。

圖6是掃描點(diǎn)云帶寬的預(yù)測(cè)測(cè)量方法示意圖。O₁是所述正6面旋轉(zhuǎn)棱鏡（113）的鏡面激光反射點(diǎn)，O₂是所述斜6面椎體旋轉(zhuǎn)棱鏡（133）的鏡面激光反射點(diǎn)，O₁O₂之間距離為L(zhǎng)，激光掃描角為±θo，飛機(jī)與被測(cè)地面之間的相對(duì)高度為H，設(shè)被測(cè)地面是平面，D₁和D₂分別是正下方視線的掃描線和前方斜下方視線的掃描線的帶寬，L₁為D₁和D₂之間的距離。所述斜6面椎體旋轉(zhuǎn)棱鏡（133）的側(cè)面與旋轉(zhuǎn)軸之間的傾角為βo，故經(jīng)側(cè)面反射后的掃描面與鉛垂線之間的夾角為2βo。經(jīng)計(jì)算可得，D₁=D₂*cos2β，因此，由所述斜6面椎體旋轉(zhuǎn)棱鏡（133）測(cè)量獲得掃描線帶寬D₂后，經(jīng)計(jì)算可獲得此位置時(shí)若采用正下方視線方向激光掃描測(cè)量時(shí)的掃描線帶寬D₁，此即為預(yù)測(cè)的正下方視線方向的掃描線帶寬。

圖7是機(jī)載激光掃描對(duì)地形高程變化自適應(yīng)補(bǔ)償方法示意圖。圖中，D₁是理想地形高程位置時(shí)由正下方視線方向掃描獲得的點(diǎn)云帶寬，D₂是實(shí)際地形高程位置時(shí)由前向斜下方視線方向掃描獲得的激光點(diǎn)云預(yù)測(cè)帶寬。設(shè)機(jī)載激光雷達(dá)開(kāi)始測(cè)量時(shí)的地形高程位置為理想地形高程位置，理想掃描視場(chǎng)角為o，在測(cè)量實(shí)際高程地形位置時(shí)，要求掃描帶寬不變，則有D₁*tan(θ₀)= D₂ *tan(θ_B)，由此，可求出補(bǔ)償后的掃描視場(chǎng)角o。另外，設(shè)所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)（114）的角速度為o/s，同時(shí)，每條掃描線的掃描點(diǎn)數(shù)m為常數(shù)，則當(dāng)掃描視場(chǎng)角為±θ₀o時(shí)，獲得一條激光掃描線的掃描時(shí)間為 ，則理想地形高程時(shí)的激光脈沖頻率為 (Hz)。當(dāng)掃描視場(chǎng)角為o時(shí)，此時(shí)的激光掃描脈沖頻率為 (Hz)。由此可見(jiàn)，根據(jù)預(yù)測(cè)的激光掃描線帶寬D₂，可獲得補(bǔ)償后的掃描視場(chǎng)角o，進(jìn)而可求得補(bǔ)償脈沖頻率。通過(guò)自適應(yīng)地調(diào)整正下方視線方向激光掃描的掃描視場(chǎng)角和激光發(fā)射頻率的大小，可實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)匦胃叱套兓瘜?duì)激光掃描點(diǎn)云的不利影響，使地面激光點(diǎn)云的掃描帶寬和點(diǎn)密度始終不變，從而有效保證機(jī)載LiDAR三維成像產(chǎn)品的分辨率和質(zhì)量。

圖8是所述地形高程變化自適應(yīng)調(diào)節(jié)器(12)的軟件工作流程圖。在所述地形高程變化自適應(yīng)調(diào)節(jié)器(12)中，編制控制軟件。在主程序中主要設(shè)置好中斷1，即當(dāng)所述正6面旋轉(zhuǎn)棱鏡(113)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度為-30°、-90°、-150°、-210°、-270°、-330°時(shí)，開(kāi)啟中斷子程序1使能，旋轉(zhuǎn)棱鏡每旋轉(zhuǎn)一周有六次中斷，與旋轉(zhuǎn)棱鏡的側(cè)面數(shù)目相同。中斷1子程序的控制流程圖如圖8(a)所示，觸發(fā)中斷1子程序，首先采集激光掃描測(cè)距值、GPS和IMU測(cè)量的飛行狀態(tài)值、光電軸角編碼器的轉(zhuǎn)角實(shí)際測(cè)量值；計(jì)算激光腳點(diǎn)的三維坐標(biāo)，獲得理想掃描線帶寬D₁和預(yù)測(cè)掃描線帶寬D₂；進(jìn)而，計(jì)算下一條正下方視線方向的激光掃描經(jīng)補(bǔ)償后的掃描視場(chǎng)角和方波頻率值；最后，根據(jù)所述光電軸角編碼器(115)的實(shí)測(cè)值，在每一面所述正6面旋轉(zhuǎn)棱鏡(113)的掃描過(guò)程中，只在規(guī)定的掃描視場(chǎng)角范圍內(nèi)輸出要求頻率的方波信號(hào)，觸發(fā)所述可調(diào)頻率激光脈沖測(cè)距儀(111)發(fā)出相應(yīng)頻率的激光 脈沖。中斷子程序2的流程圖如圖8(b)所示，當(dāng)所述光電軸角編碼器(115)測(cè)量的所述正6面旋轉(zhuǎn)棱鏡(113)的實(shí)際轉(zhuǎn)角為θ_r＝-θ_B時(shí)，啟動(dòng)中斷2，所述地形高程變化自適應(yīng)調(diào)節(jié)器(12)開(kāi)始輸出頻率為f_B的方波信號(hào)，觸發(fā)所述可調(diào)頻率激光脈沖測(cè)距儀(111)發(fā)出頻率為f_B的激光脈沖。中斷子程序3的流程圖如圖8(c)所示，當(dāng)所述光電軸角編碼器(115)測(cè)量所述正6面旋轉(zhuǎn)棱鏡(113)的實(shí)際轉(zhuǎn)角為θ_r＝+θ_B時(shí)，啟動(dòng)中斷3，所述地形高程變化自適應(yīng)調(diào)節(jié)器(12)停止輸出頻率為f_B的方波信號(hào)，使所述可調(diào)頻率激光脈沖測(cè)距儀(111)停止發(fā)出激光脈沖。

圖9為所述地形高程變化自適應(yīng)調(diào)節(jié)器（12）硬件系統(tǒng)連接示意圖。所述地形高程變化自適應(yīng)調(diào)節(jié)器（12）控制系統(tǒng)由ARM(LPC2138)嵌入式系統(tǒng)作為控制器。由所述GPS（2）和所述IMU（3）測(cè)量的飛行狀態(tài)值通過(guò)串口1輸入給ARM(LPC2138)；所述可調(diào)頻率激光脈沖測(cè)距儀（111）和所述固定頻率激光脈沖測(cè)距儀（131）的激光測(cè)距值通過(guò)串口2輸入給ARM(LPC2138)；由所述光電軸角編碼器（115）測(cè)量的轉(zhuǎn)角通過(guò)串口3輸入給ARM(LPC2138)。ARM(LPC2138)可產(chǎn)生頻率可調(diào)的方波信號(hào)，通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換模塊，輸出頻率范圍1 Hz~50 kHz的方波信號(hào)。方波的產(chǎn)生，由大小不同的兩個(gè)信號(hào)數(shù)據(jù)交替輸出形成，每個(gè)信號(hào)數(shù)據(jù)輸出的時(shí)間長(zhǎng)短根據(jù)所要求的信號(hào)頻率決定。在測(cè)量某一高程的地形時(shí)，設(shè)要求的掃描視場(chǎng)角為、激光脈沖頻率為，根據(jù)所述光電軸角編碼器（115）測(cè)量的所述正6面旋轉(zhuǎn)棱鏡（113）的掃描視場(chǎng)角值，ARM(LPC2138)可控制方波信號(hào)輸出的開(kāi)始和停止。當(dāng)所述光電軸角編碼器（115）測(cè)量的所述正6面旋轉(zhuǎn)棱鏡（113）的掃描角度為時(shí)，ARM(LPC2138)輸出頻率的方波信號(hào)，觸發(fā)所述可調(diào)頻率激光脈沖測(cè)距儀（111）發(fā)出頻率的激光脈沖。當(dāng)所述光電軸角編碼器（115）測(cè)量的所述正6面旋轉(zhuǎn)棱鏡（113）的掃描角度為時(shí)，ARM(LPC2138)停止輸出方波信號(hào)，所述可調(diào)頻率激光脈沖測(cè)距儀（111）停止輸出激光脈沖。

以上對(duì)本發(fā)明及其實(shí)施方式的描述，并不局限于此，附圖中所示僅是本發(fā)明的實(shí)施方式之一。在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造宗旨的情況下，不經(jīng)創(chuàng)造地設(shè)計(jì)出與該技術(shù)方案類似的結(jié)構(gòu)或?qū)嵤├?，均屬本發(fā)明保護(hù)范圍。