一種機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統及其掃描方法與流程
本發明涉及機載測繪激光雷達掃描系統及其掃描方法。
背景技術：
基于線陣探測器的機載激光雷達通常具有探測視場寬、測距精度高、距離景深大、作用距離遠和數據更新率高等顯著優點，已被廣泛應用于地形測繪、海岸帶監測、城市三維重構、森林生態研究、城市變化監測等領域中。基于線陣探測激光雷達的三維測繪技術是一種可以快速獲得目標三維空間信息的新型光學探測手段，在遠距離目標三維圖像重建和高空機載寬幅測繪中具有巨大的潛在應用價值。
目前基于線陣探測激光雷達的機載測繪應用中，一般均采用推帚式掃描體制，如圖1所示，X為機載平臺飛行方向，10為線型激光腳點。在推帚式掃描體制下，線型激光腳點的長軸方向與飛機飛行方向垂直，激光束出射方向相對于飛機固定不變，激光腳點對地面的掃描完全依賴于飛機平臺的運動。這種掃描方式雖然結構簡單，但是沿平臺運動軌跡上被測區域的寬度將受到探測器視場角的限制，不利于進行寬幅三維測繪任務。因此，如何建立一種適用于遠距離寬幅測繪的掃描裝置是機載測繪應用中一個亟待解決的問題。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統及其掃描方法；以解決現有推帚式掃描體制雖然結構簡單，但是沿平臺運動軌跡上被測區域的寬度將受到探測器視場角的限制，不利于進行寬幅三維測繪任務的問題。
一種機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統包括激光器、負柱面鏡、第一正柱面鏡、第二正柱面鏡、鍍膜反射鏡、反射鏡安裝架、光柵編碼器、諧波減速器及伺服電機；
激光器射出的激光束依次經過負柱面鏡聚焦、第一正柱面鏡準直及第二正柱面鏡擴束形成發散角為θT的扇形激光束，并射到鍍膜反射鏡上，經鍍膜反射鏡反射后在地面形成線型激光腳點，且線型激光腳點的長軸方向與機載平臺飛行方向平行；
所述的鍍膜反射鏡設置在反射鏡安裝架上，反射鏡安裝架連接有光柵編碼器，在光柵編碼器及伺服電機之間設有諧波減速器，諧波減速器在伺服電機的驅動下進行轉動，諧波減速器帶動反射鏡安裝架轉動；設機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統中鍍膜反射鏡的轉動角度為掃描角α，設垂直于機載平臺指向天空方向為Y軸，當線型激光腳點沿Y軸反方向出射時掃描角α為0°，鍍膜反射鏡的轉動角度由光柵編碼器讀出并反饋給伺服電機；
所述的負柱面鏡、第一正柱面鏡及第二正柱面鏡的母線相互平行。
一種機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統的掃描方法，是按以下步驟進行的：
設機載平臺飛行方向為X軸，垂直于機載平臺指向天空方向為Y軸，飛機右側機翼方向為Z軸，且Z軸與XY平面垂直；
在機載平臺對地面測繪中，機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統在機載平臺沿X軸直線運動的基礎上，激光器射出的激光束依次經過負柱面鏡聚焦、第一正柱面鏡準直及第二正柱面鏡擴束形成發散角為θT的扇形激光束，并射到鍍膜反射鏡上，經鍍膜反射鏡反射后在地面形成線型激光腳點，通過鍍膜反射鏡的往復轉動來實現地面上的線型激光腳點沿Z軸方向發生平移，最終實現對地面被測區域的掃帚式掃描；
設機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統中鍍膜反射鏡的轉動角度為掃描角α，單位為°；設線型激光腳點沿Y軸反方向出射時掃描角α為0°；設t1為機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統的掃描時間，單位為s；設t2為機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統的復位時間，單位為s；設±α0為線型激光腳點的偏轉范圍，單位為°；
掃描角α在t1時間內先由-α0變化至α0，隨后在t2時間內由α0復位至-α0，并按此模式往復轉動；
且機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統的掃描速度ω與機載平臺的飛行參數間存在如下關系：
式中V——機載平臺飛行速度，單位為m/s；
H——機載平臺飛行高度，單位為m；
θT——激光束發散角，單位為°；
t1為機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統的掃描時間，單位為s；
t2為機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統的復位時間，單位為s；
復位時間t2將由諧波減速器最高轉速ωmax和線型激光腳點的偏轉范圍±α0共同決定：
式中ωmax——諧波減速器最高轉速，單位為°/s；
將(b)式帶入(a)式可以得到掃描速度ω的設定值為：
式中ω——掃描速度，單位為°/s。
本發明的有益效果是：針對機載線陣掃描測繪系統中測繪幅寬受到探測器視場角限制這一技術難題，提出了一種可大幅提高測繪效率的機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統及其掃描方法。基于該機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統，在3000m和5800m飛行高度下，測距均方根誤差分別可以達到0.11m和0.16m，對面積為30km2區域所需的測繪時間為2分13秒，相比于傳統的推帚式掃描體制測繪效率提高了近10倍。其測繪幅寬將由掃描鏡的轉動范圍決定，當飛機飛行高度為5km時，±15°掃描角對應的測繪幅寬可達2680m，僅需要兩次往復飛行就可以完成對5km×5km區域的測繪任務，測繪效率相比于推帚式掃描方式得到了了大幅提升。
本發明用于一種機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統及其掃描方法。
附圖說明
圖1為推帚式掃描示意圖，X為機載平臺飛行方向，10為線型激光腳點；
圖2為本發明掃帚式掃描示意圖，X為機載平臺飛行方向，10為線型激光腳點；
圖3為本發明一種機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統的結構示意圖；
圖4為本發明一種機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統的鍍膜反射鏡轉動模式示意圖；
圖5為對比實驗一推帚式掃描下飛機沿直線飛行時激光腳點覆蓋區域的仿真結果，X為機載平臺飛行方向，A為激光腳點覆蓋區域；
圖6為實施例一中掃帚式掃描下飛機沿直線飛行時激光腳點覆蓋區域的仿真結果，X為機載平臺飛行方向，A為激光腳點覆蓋區域。
具體實施方式
本發明技術方案不局限于以下所列舉的具體實施方式，還包括各具體實施方式之間的任意組合。
具體實施方式一：下面結合圖3具體說明本實施方式。本實施方式的一種機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統包括激光器1、負柱面鏡2、第一正柱面鏡3、第二正柱面鏡4、鍍膜反射鏡5、反射鏡安裝架6、光柵編碼器7、諧波減速器8及伺服電機9；
激光器1射出的激光束依次經過負柱面鏡2聚焦、第一正柱面鏡3準直及第二正柱面鏡4擴束形成發散角為θT的扇形激光束，并射到鍍膜反射鏡5上，經鍍膜反射鏡5反射后在地面形成線型激光腳點10，且線型激光腳點10的長軸方向與機載平臺飛行方向平行；
所述的鍍膜反射鏡5設置在反射鏡安裝架6上，反射鏡安裝架6連接有光柵編碼器7，在光柵編碼器7及伺服電機9之間設有諧波減速器8，諧波減速器8在伺服電機9的驅動下進行轉動，諧波減速器8帶動反射鏡安裝架6轉動；設機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統中鍍膜反射鏡5的轉動角度為掃描角α，設垂直于機載平臺指向天空方向為Y軸，當線型激光腳點10沿Y軸反方向出射時掃描角α為0°，鍍膜反射鏡5的轉動角度由光柵編碼器7讀出并反饋給伺服電機9；
所述的負柱面鏡2、第一正柱面鏡3及第二正柱面鏡4的母線相互平行。
本具體實施方式諧波減速器8能夠降低轉速增大扭矩，最終帶動反射鏡安裝架6共同轉動。
本具體實施方式的有益效果：針對機載線陣掃描測繪系統中測繪幅寬受到探測器視場角限制這一技術難題，提出了一種可大幅提高測繪效率的機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統及其掃描方法。基于該機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統，在3000m和5800m飛行高度下，測距均方根誤差分別可以達到0.11m和0.16m，對面積為30km2區域所需的測繪時間為2分13秒，相比于傳統的推帚式掃描體制測繪效率提高了近10倍。其測繪幅寬將由掃描鏡的轉動范圍決定，當飛機飛行高度為5km時，±15°掃描角對應的測繪幅寬可達2680m，僅需要兩次往復飛行就可以完成對5km×5km區域的測繪任務，測繪效率相比于推帚式掃描方式得到了了大幅提升。
具體實施方式二：本實施方式與具體實施方式一不同的是：所述的激光器1單脈沖能量＞5mJ。其它與具體實施方式一相同。
具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式一或二之一不同的是：所述的諧波減速器8減速比＞1000:1。其它與具體實施方式一或二相同。
具體實施方式四：本實施方式與具體實施方式一至三之一不同的是：所述的鍍膜反射鏡5反射率＞95％。其它與具體實施方式一至三相同。
具體實施方式五：本實施方式與具體實施方式一至四之一不同的是：所述的θT為5°～120°。其它與具體實施方式一至四相同。
具體實施方式六：下面結合圖2及圖3具體說明本實施方式。本實施方式的一種機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統的掃描方法，是按以下步驟進行的：
設機載平臺飛行方向為X軸，垂直于機載平臺指向天空方向為Y軸，飛機右側機翼方向為Z軸，且Z軸與XY平面垂直；
在機載平臺對地面測繪中，機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統在機載平臺沿X軸直線運動的基礎上，激光器1射出的激光束依次經過負柱面鏡2聚焦、第一正柱面鏡3準直及第二正柱面鏡4擴束形成發散角為θT的扇形激光束，并射到鍍膜反射鏡5上，經鍍膜反射鏡5反射后在地面形成線型激光腳點10，通過鍍膜反射鏡5的往復轉動來實現地面上的線型激光腳點10沿Z軸方向發生平移，最終實現對地面被測區域的掃帚式掃描；
設機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統中鍍膜反射鏡5的轉動角度為掃描角α，單位為°；設線型激光腳點10沿Y軸反方向出射時掃描角α為0°；設t1為機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統的掃描時間，單位為s；設t2為機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統的復位時間，單位為s；設±α0為線型激光腳點10的偏轉范圍，單位為°；
掃描角α在t1時間內先由-α0變化至α0，隨后在t2時間內由α0復位至-α0，并按此模式往復轉動；
且機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統的掃描速度ω與機載平臺的飛行參數間存在如下關系：
式中V——機載平臺飛行速度，單位為m/s；
H——機載平臺飛行高度，單位為m；
θT——激光束發散角，單位為°；
t1為機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統的掃描時間，單位為s；
t2為機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統的復位時間，單位為s；
復位時間t2將由諧波減速器8最高轉速ωmax和線型激光腳點10的偏轉范圍±α0共同決定：
式中ωmax——諧波減速器8最高轉速，單位為°/s；
將(b)式帶入(a)式可以得到掃描速度ω的設定值為：
式中ω——掃描速度，單位為°/s。
本具體實施方式要求機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統的復位過程在盡量短的時間內完成。
圖4為本發明一種機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統的鍍膜反射鏡轉動模式示意圖，設機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統中鍍膜反射鏡5的轉動角度為掃描角α，單位為°；設線型激光腳點10沿Y軸反方向出射時掃描角α為0°；鍍膜反射鏡5的轉動模式可由掃描角α隨時間的變化關系表示，如圖4所示，掃描角α在t1時間內先由-α0變化至α0，隨后在t2時間內由α0復位至-α0，并按此模式往復轉動。其中，t1為機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統的掃描時間(s)，t2為機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統的復位時間(s)，±α0為鍍膜反射鏡5的轉動范圍。
本具體實施方式的有益效果：針對機載線陣掃描測繪系統中測繪幅寬受到探測器視場角限制這一技術難題，提出了一種可大幅提高測繪效率的機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統及其掃描方法。基于該機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統，在3000m和5800m飛行高度下，測距均方根誤差分別可以達到0.11m和0.16m，對面積為30km2區域所需的測繪時間為2分13秒，相比于傳統的推帚式掃描體制測繪效率提高了近10倍。其測繪幅寬將由掃描鏡的轉動范圍決定，當飛機飛行高度為5km時，±15°掃描角對應的測繪幅寬可達2680m，僅需要兩次往復飛行就可以完成對5km×5km區域的測繪任務，測繪效率相比于推帚式掃描方式得到了了大幅提升。
具體實施方式七：本實施方式與具體實施方式六不同的是：所述的激光器1單脈沖能量＞5mJ。其它與具體實施方式六相同。
具體實施方式八：本實施方式與具體實施方式六或七之一不同的是：所述的鍍膜反射鏡5反射率＞95％。其它與具體實施方式六或七相同。
具體實施方式九：本實施方式與具體實施方式六至八之一不同的是：所述的α0<60°。其它與具體實施方式六至八相同。
具體實施方式十：本實施方式與具體實施方式六至九之一不同的是：所述的θT為5°～120°；所述的ωmax<360°/s。其它與具體實施方式六至九相同。
采用以下實施例驗證本發明的效果：
實施例一：
一種機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統包括激光器1、負柱面鏡2、第一正柱面鏡3、第二正柱面鏡4、鍍膜反射鏡5、反射鏡安裝架6、光柵編碼器7、諧波減速器8及伺服電機9；
激光器1射出的激光束依次經過負柱面鏡2聚焦、第一正柱面鏡3準直及第二正柱面鏡4擴束形成發散角為θT的扇形激光束，并射到鍍膜反射鏡5上，經鍍膜反射鏡5反射后在地面形成線型激光腳點10，且線型激光腳點10的長軸方向與機載平臺飛行方向平行；
所述的鍍膜反射鏡5設置在反射鏡安裝架6上，反射鏡安裝架6連接有光柵編碼器7，在光柵編碼器7及伺服電機9之間設有諧波減速器8，諧波減速器8在伺服電機9的驅動下進行轉動，諧波減速器8帶動反射鏡安裝架6轉動；設機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統中鍍膜反射鏡5的轉動角度為掃描角α，設垂直于機載平臺指向天空方向為Y軸，當線型激光腳點10沿Y軸反方向出射時掃描角α為0°，鍍膜反射鏡5的轉動角度由光柵編碼器7讀出并反饋給伺服電機9；
所述的負柱面鏡2、第一正柱面鏡3及第二正柱面鏡4的母線相互平行。
上述一種機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統的掃描方法，是按以下步驟進行的：
設機載平臺飛行方向為X軸，垂直于機載平臺指向天空方向為Y軸，飛機右側機翼方向為Z軸，且Z軸與XY平面垂直；
在機載平臺對地面測繪中，機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統在機載平臺沿X軸直線運動的基礎上，激光器1射出的激光束依次經過負柱面鏡2聚焦、第一正柱面鏡3準直及第二正柱面鏡4擴束形成發散角為θT的扇形激光束，并射到鍍膜反射鏡5上，經鍍膜反射鏡5反射后在地面形成線型激光腳點10，通過鍍膜反射鏡5的往復轉動來實現地面上的線型激光腳點10沿Z軸方向發生平移，最終實現對地面被測區域的掃帚式掃描；
設機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統中鍍膜反射鏡5的轉動角度為掃描角α，單位為°；設線型激光腳點10沿Y軸反方向出射時掃描角α為0°；設t1為機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統的掃描時間，單位為s；設t2為機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統的復位時間，單位為s；設±α0為線型激光腳點10的偏轉范圍，單位為°；
掃描角α在t1時間內先由-α0變化至α0，隨后在t2時間內由α0復位至-α0，并按此模式往復轉動；
且機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統的掃描速度ω與機載平臺的飛行參數間存在如下關系：
式中V——機載平臺飛行速度，單位為m/s；
H——機載平臺飛行高度，單位為m；
θT——激光束發散角，單位為°；
t1為機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統的掃描時間，單位為s；
t2為機載測繪激光雷達掃帚式掃描系統的復位時間，單位為s；
復位時間t2將由諧波減速器8最高轉速ωmax和線型激光腳點10的偏轉范圍±α0共同決定：
式中ωmax——諧波減速器8最高轉速，單位為°/s；
將(b)式帶入(a)式可以得到掃描速度ω的設定值為：
式中ω——掃描速度，單位為°/s。
本實施例采用V＝70m/s，H＝5000m，θT＝3°，α0＝15°，ωmax＝60°/s，ω＝10°/s。
對比實驗一：
采用V＝70m/s，H＝5000m的條件下進行推帚式掃描。
圖5為對比實驗一中推帚式掃描下飛機沿直線飛行時激光腳點覆蓋區域的仿真結果，X為機載平臺飛行方向，A為激光腳點覆蓋區域；
圖6為實施例一中掃帚式掃描下飛機沿直線飛行時激光腳點覆蓋區域的仿真結果，X為機載平臺飛行方向，A為激光腳點覆蓋區域。
由圖可知，圖中將激光腳點位置(黑色數據點)與數字高程地圖相結合，從而能夠更加直觀地看出激光腳點對被測區域的覆蓋能力。可以看出在掃帚式掃描體制下激光腳點覆蓋區域的寬度明顯大于推帚式掃描體制，并且相鄰掃描周期內的激光腳點可實現無縫銜接。
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