激光雷达遥感课件3PDF版

（1）当遥感平台处于水平状态， 激光束垂直照射水平地面上 （接收瞬时视场角θi＝0）时 （图a），激光脚点光斑的旁 向直径：
2aL D 2 H tg( 2 )
Fiber i+2
Fiber i+3
Fiber i+4
TopoSys激光系统的光纤扫描仪
旋转棱镜
旋转一周后在地面形成椭圆扫描线
机载激光雷达系统的构像方程
构像方程是指地物点在机载激光雷达系统 中的坐标（x，y，z）和其在地面对应点的大地 坐标（X，Y，Z）之间的数学关系。
这个数学关系是对某些参量进行误差分析 的基础。
主要内容：
扫描方式与构像方程 机载激光雷达的主要参数
遥感传感器类型
摄影类型的传感器 扫描类型的传感器（LiDAR） 雷达类型的传感器 非图像类型的传感器
机载激光雷达系统共有四种典型扫描方式：
摆镜扫描方式
旋转正多面体 扫描方式
光纤扫描方式 圆锥镜扫描方式
摆动扫描镜
通过电机带动反射镜反复摆动一定的 角度，实现激光束在地面的扫描。
最小飞行高度
取决于飞行平台的类型，发射功率， 探测地区的地形，人眼的安全距离。
激光脚点光斑特性及影响 激光脚点光斑大小（激光束照射面直径） 回波的多值性 动态重合系数及其影响
激光脚点直径（激光束照射面直径 AL）
地面上瞬时激光脚点投射在地面上为一个椭圆形的 光斑，其航向直径（航线方向，短轴）与旁向直径 （扫描方向，长轴）是不等的，它们与如下因素有 关：平台的飞行高度H；激光波束发散角γ；地形 坡度α；接收瞬时视场角θi。关系如下图：
x 0, y S sin, z S cos
代入通用构像方程，有：
X XS 0
Y
YS
A
S
sin
Z Z S S cos
A为旋转矩阵：
a1 a2 a3
A b1
b2
b3
c1 c2 c3
式中：
扫描形状
扫描在地面形成的形状不仅取决于激光扫 描装置及其工作方式，也取决于飞行方向、飞 行速度和地形。
沿着扫描方向对地面目标的连续扫描是一 种等角度步进扫描，激光脚点并不是等间距的。
有时扫描速度不平衡，或加快或减慢，造 成扫描线边上的点出现异样，表现出不同的特 征，有时就需要从所采集的数据集合中去除这 些点。
主要内容：
扫描方式与构像方程 机载激光雷达的主要参数
机载激光雷达的主要参数
与LiDAR系统性能、数据质量和航线设计 相关的参数的关系式或计算公式
瞬时视场角 （instantaneous field of view，IFOV）
又称激光发散角。是指激光束发射时其 发散的角度。瞬时视场角的大小取决于激光 的衍射（diffraction），是发射孔径D和激 光波长λ的函数 。
IFOV 2.44
D
算例：
1064nm D 10cm
由上式，可以计算得到IFOV =0.026 mrad。瞬 时视场角的单位一般为毫弧（mrad），Leica ALS50II的瞬时视场角为0.22/0.15 毫弧。
机载激光雷达系统的构像方程
通过激光对地面的 扫描得到扫描仪与地面 上各点的距离，由GPS 接收机得到扫描仪的位 置，由高精度姿态量测 装置（惯导量测装置 IMU），量测出扫描仪 的姿态，即φ、ω、κ 角度，由这些量测值计 算出地面上各点的三维 坐标。
构像方程中的坐标系
W Z
Os
Y
V U
Ps（U,V,W）
2 1
3
旋转正多面体扫描镜
通过电机带动多面棱镜旋转，由于镜面的位置 在不断变化，导致反射光束的方向在一定的范围内 往复变化，从而实现激光束在地面的扫描。
光纤扫描
Flight direction
Scan Scan Scan
Scan Scan
Scan
Fiber i
Fiber i+5
Fiber i+1
视场角（Field Of View，FOV）Biblioteka Baidu
激光束的扫描角，指激光束通过扫描装 置所能达到的最大角度范围。
早期LiDAR系统的扫描角一般较小，大 约在30度，目前比较先进的LiDAR系统的扫 描角都在60度-75度左右，基本能够达到航 摄像机的视场角度范围。
脉冲频率
单位时间内激光器所能够发射的激光束数量。
扫描频率小
扫描频率大
垂直分辨率
脉冲通过的路径上所能够区分不同
目标间的最小距离 。
在一个脉冲宽度内不可能区分不同的
目标。
H min
c tmin 2
若脉冲宽度为10ns，则在一个脉冲宽 度内，不同目标距离至少为1.5m，其回波能 量才可能经接收器检出，并区别开来。
最大飞行高度（最大量测距离）
系统所能精确测定的最远距离。在实际 中的影响因素有很多：激光功率、光束的发 散性、大气折射率、地物反射率、探测器灵 敏度等
一般而言，脉冲频率越大，地面的激光脚点 的密度就越大。
在功率一定的情况下，脉冲频率越大，单束 激光的能量就越小，所能达到的距离和信噪比就 越差。因此，提高脉冲频率的同时，还必须保证 单束激光的能量值不受影响。
扫描频率
扫描频率指线扫描方式，每秒钟所扫描的行 数，即扫描镜每秒钟摆动的周期。很明显， 扫描频率越大，每秒钟的扫描线就越多，对 应的效果就越好
P（X,Y,Z）
O
X
设地面点P在地面坐标系中的坐标为（X，Y，Z）P，P 在传感器坐标系中的坐标为（U、V、W）P，投影中心S 在地面坐标系中的坐标为（XS，YS，ZS），传感器的姿 态角为：(,, )
则通用构像方程为：
X X S U
Y
YS
AV
Z P Z S W P
其中：
a1 a2 a3
A b1
b2
b3
c1 c2 c3
是传感器坐标系相对于地面坐标系的旋转 矩阵，是传感器姿态角的函数。
线扫描方式示意图
地面点P与扫描仪距离为S 扫描仪Os位置（XS、YS、ZS） 扫描仪姿态(φ、ω、κ) 扫描线方向与Z轴夹角Ө
在此系统中，外方位元素为（XS，YS，ZS，），起 点为遥感器主光学系统的投影中心，其坐标（XS，YS， ZS）可利用动态差分GPS给出；向量的模可用激光测距 仪测量投影中心到地面待定点的距离得到；姿态参数， 分别表示俯仰角、侧滚角和航偏角，可以利用高精度姿 态测量装置进行测量；扫描线方向与Z轴的夹角由编码 器按固定的激光脉冲间隔给出。对于每一个脉冲有：