基于线状阵列扫描的激光雷达快速三维成像

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第３ ９卷第 ７期 ２ １ 年 ７月 ０１
吲 济 大 学 学 报（ 然 科 学 版） 自
Ｊ Ｕ Ｎ Ｌ Ｏ Ｏ Ｇ Ｉ ＮＩＥ Ｓ ’（ Ａ Ｕ Ａ ＩＮ Ｅ Ｏ Ｒ Ａ ＦＴ Ｎ Ｊ Ｕ Ｖ Ｒ ｎ Ｙ Ｎ Ｔ Ｒ ＬＳ Ｅ Ｃ ） Ｃ
Ｖｏ ． ９ Ｎｏ ７ １３ ．
蔡 银 桥 Ｌ ， 小华 舒 童 ， 嵘
（． １ 中国科学 院 上海技术物理研究所 ， 上海 ２ ０ ８ ；２ 同济大学 测量与国土信息工程 系， ００３ ． 上海 ２ ０ ９ ） ００ ２
摘要 ：介绍 了一种线 阵快 扫描 三维激 光雷达 成像仪 ， 出 了 给 线 阵激 光雷 达的系统结构和工作 原理 ． 阵列探 测器 中的某 从
一
激 光 具 有 单 色性 、 直性 、 功率 、 脉 冲等 特 准 大 短 点， １ 纪 ６ 从 ９世 ０年代 以来 ， 在 测距 和 成 像 等领 域 它
获得 了广 泛应 用 ． 民用方 面 ， 在 激光 技 术 最初 主要 用 于 电 子 测 距 （ ｌ ｔ ｎｃ ｄｓ ｎ ｅ ｅｅ ｒ ｉ ｉ ａ ｃ ｍｅ ｓｒ ｍｅ ｔ， ｃｏ ｔ ａｕ ｅ ｎｓ
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓ ｒ ｃ ：Ａ ａ ｅ ｃ ｎ ｅ ｓｎ ｉｅ ｒ ａ ｒ ｙ ｓ ａ ｎ ｎ ｏ ａ ｔ ｌｓ ｒ ｓ ａ ｎ ｒ ｕ ｉ ｇ ｌ ａ ｒａ ｃ ｎ ｉ ｇ ｆ ｒ ｆｓ ｎ
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第 一作者 ： 蔡银桥 （９ ９ ， ， １ ７ 一） 男 博士生 ， 主要研究方向为激光雷达三维成像 数据处 理． — ａ ：ｑａ Ｏ ０ １ｎ ｃｍ Ｅｍ ｉ ｙ ｃｉ ０ ＠２ ｃ ． ｌ ｌ ｏ 通 讯作 者 ： 舒 嵘 （９ １ ）男 ， １ ７ 一 ， 研究员 ， 博士生导师 ， 工学博士 ， 主要研究方向为激光遥感 技术、 超光谱 成像技术 ．
仪器厂商尝试将激光测距 仪安装在 云台单元上， 它
很 类 似 现 在 的激 光 扫 描 仪 ， 是 其 扫 描 速 度 和成 像 但
精 度 均较低 ； 同时 ， 些学 者 提 出利 用包 含 两 个 镜子 一
关键 词 ： 遥感 ；激光扫描 ；三维成像 ； 阵 线
中 图分 类 号 ： Ｎ ９ ８ Ｔ ５ 文献 标 识 码 ： Ａ
根据多元线阵激光光学原理 ， 结合解析几何 知 光 雷 达 成像 系 统 ， 系统 的测 距 方 式 和 光束 偏 转 单 识 ， 以推 导 出激光 雷达 成像 方 程 ． 阵激 光 光 路如 该 可 线
场地 而 言 ， 面在 激光 扫描 工作 中会 有微 小 的震 动 ， 地
激光扫描时间越长 ， 三维成像的误差越大ｌ ＿ ９ 一些 …．
研究 人 员提 出 了不 同于 单 点 扫 描 方 式 的激 光 雷 达 ，
以实现 目标 区域 的高效 、 时成像 ， 实 主要 包括线 扫
收 稿 日期 ：２ １ 一（ ０ ００ １ ５ ６ 基金项 目：国家“ 九七三” 重点基础研究发展计划（ ０ ９ Ｂ ２ ０ ４ ２０Ｃ ７４０ ）
Ｓ ａ ｇｈ ｉ ０ ０ ３， Ｃ ｎａ ２．Ｄｅ ａ ｔ ｎｔ ｆ ｕｒ ｅ ｎ ａ ｄ ｈ ｎ ａ ２ ０ ８ ｈｉ ； ｐ ｒ ｍｅ ｏ Ｓ ｖ ｙｉｇ ｎ Ｇｅ — ｏ
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的光机扫描仪 来成像 ， 两个镜子用来控制激光光束
在 相 互 正 交 的 方 向上偏 转 ， 这些 仪 器 被 称 为 成像 激 光 雷 达＿ ． ２ 由于有 效距 离较 远 ， ］ 目前 大 多数 激 光 扫描 仪是 采用 飞 行 时 间 法 （ｉ ｆｆｇ ｔＴ Ｆ 来 测 距 ｔ ｏ ｌ ｈ， Ｏ ） ｍｅ ｉ 的ｌ； ３ 在工 业领 域 中 ， 了获取 物体 表 面更 高 的测 量 为 精度 （ 微米 级 ）一 些 仪 器 设 计 人 员 采 用 三 角 测 量 原 ， 理来 精 确测 距 ［ ； 于相 位法 测 距 的成 像 激 光 雷 达 ４基 工作 距 离 和 成 像 精 度 介 于 上 述 两 种 测 距 方 式 之 间＿ ． 光雷 达可 以搭 载在 不 同 平 台上 ， 可 以放 在 ｌ激 ５ ］ 既 地 面 上 静 态 测 量 小 目 标 ， 为 地 面 激 光 雷 达 称
一
（） １
＝ ０ △ ０＋ （） ２ 了一种线 阵激光雷达扫描 的理论 ， 但没有详细描述 其成像 方 程和 实验结 果 ＿ Ｃ ｌ １ ｏｉ 人用 面 阵探 测 器 式 中 ： 为 光线水 平 方 向的最 大 偏 移角 度 ； ． ｎ等 一 。为 光 相 位 调 制 凝 视 成 像 实 现 国 际 空 间 站 三 维 成 像 ［ 线垂 直方 向的最大高 ， 但在需要获取一 个大范围场景 的三维点云图像 时， 激光扫描仍然要
花 费较 长 的时 问 ． 外 ， 于 正在 作 业 的工 厂 、 工 另 对 施
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距 离分 辨率可以达到 ５ｃ 能够探 测到 直径在 ８ｃ 以上 的 ｍ， ｍ
目标 ， 而 拟 合 后 的残 差 的标 准 偏 差 在 ５ｃ 左 右 ． 平 ｍ
Ｅ Ｍ）后来 ， 光技术 逐渐 应用 到 全站 仪 中 ， 生 了 Ｄ ； 激 诞 无 反射棱 镜 全站 仪［ ； ２ 纪 ９ １ 在 ０世 ０年 代 ， 些测 量 一
单元 出发 ， 在分 析激光 光束 发射 与接 收光 路 的基 础上 ， 利
用光学原理 和解 析几 何推 导 了线阵激 光雷 达成 像严 密 的计 算方程 ， 并分 析 了影 响激 光 雷达 成像 质 量 的 内部 和 外部 因
素． 外场测 试实验 表 明， ３ 的距离 ， 仪 器原理 样 机 的 在 ０ｍ 该
Ｅ ｍａｌｓ ｕ ｏ ｇ ｍａｌｓ ｐ ａ ． ｎ － ｉ ｈ ｒｎ ＠ ： ｉ ｉ ．ｃ ｃ ．ｔ
第 ７期
蔡银桥 ， ： 等 基于线状阵列扫描的激光雷达快速 三维成像
则 描， 面扫描和 Ｆ Ａ Ｈ激光雷达． ＬＳ 陈宇伟 等人提 出了 方 式扫 描 ， 扫描 角度 的数 学表 达式 为 个 应用 于机 载 的线 扫 描 激 光 雷 达［ １ ，卜 毅 提 出 弘 ０ ＝ 一 ｃｓ２ｃｆ ０（７ ） ，
飞机、 宇宙 飞船 等平 台上 实施 大 范 围观 测 ， 为 机载 称
激 光 雷达 （ ｉ ｏｎ ｓｒｓａ ｎ ｒＡ Ｓ Ｌ ． ａ ｂ ｒｅｌ ｅ ｃｎ ｅ ， Ｌ ） ｊ ｒ ａ ８
对 于 目前 大 多数 商用 的 地 面 激 光 雷 达 来 说 ， 每 次激 光 脉 冲只 能 获 取一 个 目标 点 的三 维 坐标 ． 管 尽
Ｃ ｉ ｉｏ ． Ｏ ＡＩＹｎｑａ Ｔ ＮＧ Ｘｉｏ ｕ ． ＨＵＲｏ ｇ ａｈａ Ｓ ｎ
（ Ｓ ａ ｇｈ ｉＩｓ ｉ ｔ ｆＴｅ ｈ ｉａ ｙ ｉｓ Ｃ ｉｅ ｅＡｃ ｄ ｍｉ ｃｅ ｃ １ ｈ ｎ ａ ｎ ｔｔ ｅｏ ｃ ｎｃ ｌ ｕ Ｐｈ ｓｃ ， ｈｎ ｓ ａ ｅ ｃＳ ｉｎ ｅ，
Ｆａｈ激光 雷达 由 面 阵雪 崩 阵列 二 极 管 焦 平 面器 件 ｌ ｓ 接 收 激光 回波 ， 时快速 输 出三 维 图像 ， 项 技 术对 实 该 探 测 器要求 很 高 ， 目前处 于探 索 阶段Ｌ ｌ ． 本 文 提 出了一种 基 于线 阵探 测 技术 的快 扫 描激
２ 激 光 雷 达 成 像 方 程
Ｊ１ ０ １ ｕ ．２ １
文 章 编 号 ： ２ ３３ ４ （ ０ １０ —０ ２０ ０ ５ —７ Ｘ ２ １ ）７１６ —６
Ｄ Ｉ１ ．９ ９ ｊｉ ｎ０ ５—７ ｘ ２ １ ．７ ０ ２ Ｏ ：０３ ６ ／． ｓ ．２ ３３ ４ ．０ １ ０ ．２ ｓ
基 于 线 状 阵列 扫 描 的激 光 雷 达 快 速 三 维成 像
（ｅ ｒｓｒ ｌａｅ ｃｎ ｅ ， Ｌ ）６ ， 可 以搭 载 在 ｔｒｅｔｉ ｓｒｓａ ｎ ｒ Ｔ Ｓ ＿ ａｌ １］ 也
Ｆ ｓ ３ ａ ｔ Ｄ Ｉ ｇｎ ｗｉ Ｔ ｍｅｏ － ｉ ｈ Ｌａ ｅ ｍａ ｉ ｇ ｔ ｈ ｉ －ｆｆ ｇ ｔ ｌ ｓｒ Ｓ ａ ｎ ｒＢａ ｅ ｎＬｉｅ ｒＡｒ ａ ｃ ｎ ｉ ｇ ｃ ｎ ｅ ｓｄｏ ｎ ａ ｒ ｙ Ｓ ａ ｎｎ