[发明专利]机载分频激光三维成像装置及其成像方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光雷达和激光三维扫描仪，特别是一种机载分频激光三维成像装置及其成像方法，该装置能够实现高重频、远距离、无距离模糊的机载激光三维成像。

背景技术

在激光雷达和激光三维扫描仪领域，目前常用的激光测距方式主要有基于飞行时间的脉冲直接测距法和相位测量法等。相位测量因为发射的激光功率较低，往往用于近距离测量，不适合机载平台。对于飞行高度在300米以上的机载平台而言，采用激光雷达或激光三维扫描仪对地面地形进行测绘，通常采用脉冲飞行时间测距方法。脉冲飞行时间方法存在距离模糊问题，为了能够获取准确的距离信息，测距距离和激光重复频率的乘积要小于光速的一半。对于飞行高度较高的机载激光雷达，往往需要降低激光重复频率，来克服距离模糊可能带来的测距错误。以常规的1200m飞行高度的机载激光雷达，受模糊距离限制，其最高测量频率不超过125kHz，这将大大降低机载激光雷达对地测绘的分辨率和效率。为了克服距离模糊，通常使用的方式是采用脉冲同步计数技术，通过对发射和接收脉冲进行同步计数，能够缩小模糊距离，从而一定程度上克服距离模糊对激光重频的限制，实现对远距离目标的高重频测距。但是该方法需要对目标距离的变化范围有先验知识或准确记录第一个脉冲的回波时间，且目标距离的变化范围不大，当目标距离变化较大且无先验知识时，该方法就会失效。也可以采用脉冲编码方式，对发射的激光脉冲进行单个或双脉冲间隔时间编码，通过对脉冲进行间隔时间解码，能够获得准确的距离信息，克服距离模糊。但是该方法在测量具有穿透性的目标时(如植被测量)，会因为产生多个相邻回波而导致编码错位，产生错误的测距信息。而且双脉冲激光编码的双回波信号到达一个测距通道，由于测距通道的响应时间通常要达到几十纳秒，即脉冲距离间隔为几米，脉冲间隔时间需要较长，过宽的脉冲间隔也影响了编码的效率。因此，对于当前的高重频激光测距和激光三维扫描仪，测距距离和激光重复频率仍然存在一定的矛盾，限制了测距和激光扫描的速度。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前机载激光雷达对地测绘中面临的距离模糊对测量频率的限制问题，提供一种机载分频激光三维成像装置及其成像方法，该装置能够实现高重频、远距离、无距离模糊的机载激光三维成像。

本发明的工作原理是:

通过现场可编程门阵列(FPGA)电路对激光测量频率进行分频，每个分频信号之间的相位差为2π/分频数，分频后，每个测量通道的激光输出频率降低到总激光输出频率的1/分频数，采用多个独立时间测量通道对分频后的每个激光发射和接收进行单独测量。同时，同步采集扫描电机的角度，合成被测地表的三维表面数据。最终通过对单条地表测量剖面数据的圆弧曲率判别，提取出真正的地表三维数据。该技术相当于把高重频的激光输出分频为若干个独立的激光输出通道，从而降低了每个通道的激光输出频率，满足距离模糊的限制。

该装置不增加激光器、接收光学、探测器和放大电路等核心硬件的数量，仅仅增加了数字电路的处理复杂度，对于现有的高集成度数字电路芯片而言，不增加任何硬件成本。在激光器和数字电路芯片硬件条件允许的情况下，该技术可通过提高分频数来成倍提高测距的模糊距离，提高模糊距离的倍数与分频数一致，从而成倍提高在同样飞行高度下机载激光雷达对地测绘的速率。以二分频为例，具体工作原理参见图2。

本发明的技术解决方案如下：

一种机载分频激光三维成像装置，其特点在于：该装置包括信号发生器、信号分频器、激光器、回波探测器、整形器、多通道时间测量电路、扫描镜、角度编码器、编码计数电路、数据同步采集器和数据处理模块，上述元部件的连接关系如下：