三维激光成像

激光测距系统是复合光电系统的一个重要单元，将激光测距技术与摄影测量技术相结合，实现三维激光成像，对提高目标识别准确性和观测能力有重要意义。请尽快确定课题完成方式，完善相关技术路线，开展课题调研论证工作。80

三维激光成像

根据有无照明光源，成像系统可以分为主动成像系统和被动成像系统两种。被动成像系统最大的特点就是本身不带光源，依赖于环境或目标的发光，容易受到环境光源的影响。主动成像系统采用一个人造光学辐射源(一般为激光器)和接收器，其接收器用于收集和探测目标景物直接或反射的部分光辐射，具有成像清晰、对比度高，不受坏境光源的影响等优点。

激光由于它有亮度高、单色性和方向性好三个方面的优点，是人们早就渴望得到的理想的测距光源，因此在它出现后不到一年的时间就被用于测距。激光测距系统是复合光电系统的一个重要单元，它虽然经过了多代的更新和变化，且型号繁多，诸如激光测月系统、火炮激光测距系统、测地激光测距系统、测距光雷达等系统，但无论怎么变，其基本原理和技术还是大同小异。

一．激光测距分类

随着激光测距的广泛应用和不断发展，测距系统的种类也愈来愈多样化。按照激光测距的原理区分，大体有如下三类。

1.脉冲测距法

在测距点向被测目标发射一束短而强的激光脉冲，光脉冲发射到目标上后其中一小部分激光反射到测距点被光功能接受器所接收。假定光脉冲在发射点与目标间来回一次所经历的时间间隔为t ，那么被测目标的距离R 为:

2ct

R = (1)

式中，c 为光速。

当认为光速一定时(不考虑大气中光速的微小变化)，测距精度

2t c R ∆=∆ (2)

2.相位测距法

相位法是通过测量单色连续激光的调制波在待测距离上往返传播所发生的相位变化，间接测量时间t 2D 。来计算距离D

)2/)(2/()2/(2f c t c D D πΦ== (3)

式中:c 为光速在空气中传播的速度，Ф为调制光信号经过被测距离D 而产生的相位移，f 为信号的调制频率。

图1 光波经距离2D后的相位变化

图中，A表示调制光波的发射点，B表示安置反射器的地点，A’表示所发出的调制光波经反射器反射后的接收地点，A-A' 两点间的距离即是待测距离D的两倍。

3. 干涉测距法

干涉测距法也是一种相位法测距。该测距法不是通过测量激光调制信号的相位来测定距离的，而是通过测量激光光波本身的干涉条纹变化来测定距离。这是它和相位测距法的区别。因为光波波长很短，而且激光的单色性使其波长值很准确，所以距离分辨率可达半个激光波长，一般在微米量级。利用现代技术还可以把干涉条纹细分到1%，因此干涉法测距的精度极高，这是其它任何测距方法都不能比拟的。激光的单色性又使其光波带宽极窄，增加了光的相干长度，从原理上讲测程将大大提高。然而，由于这种方法只能测量反射镜的动态位移量，所以它仅用于测量相对距离，而不能测量绝对距离。目前，在测量地壳形变、大陆漂移、地震火山爆发预报、侦察地下核爆发方面等，相对激光干涉测距以其特有的精度而获得了应用。

二．激光成像

激光雷达图像表征了目标物空间方位信息；光学图像以光谱信息为主，反映了目标物反射强度变化。将激光测距技术与摄影测量技术相结合，融合二者成像数据，对提高目标识别准确性和观测能力有重要意义。

激光三维成像方法按照目前获取信息类型可分为辐射成像和几何成像两种，见图2

图2. 激光成像方法分类示意图

激光辐射成像利用激光测距同时获取目标物高程信息和强度信息，实现难度大，目前国际上都在攻关，须解决高速采样，弱信号提取等关键技术。

激光几何成像利用激光测距获取目标物高程信息，按照高程信息是否与其他传感器获取的目标物强度信息融合成像分为两种。其中几何信息融合强度信息的成像模式须解决的关键技术包括激光脚点定位、两维摆扫精度提高、数据融合时外方位元素误差影响等。

无扫描3-D距离选通成像激光雷达在军事和工业领域有着广阔的应用，如水下探测、目标识别、直升飞机避障、汽车自动驾驶等。传统的激光雷达多为光机扫描激光雷达，采用光机扫描方式因而成像速率低，图像像素少，体积较大，限制了激光雷达的使用。近年来开始研究的无扫描激光雷达抛弃了传统的光机扫描设备，在成像速度和图像分辨率以及距离精度方面有了很大的提高，在小型化、低功耗、轻量化方面有很大的进展，使成像激光雷达有了更加广阔的应用前景。

图3 距离选通成像激光雷达系统结构

3-D成像激光雷达主要是获得目标的距离图像。距离选通成像激光雷达是通过距离选通原理来获得目标的距离图像的，起结构图如图（3）所示。

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