机载激光雷达三维成像技术研究

【摘要】：机载激光雷达技术是进几十年才发展起来的一门高新测量技术，它在军事上和商用上都有重要的应用领域。激光雷达的测量方法和数据处理方法是其关键技术，是影响激光雷达性能的重要因素。本文对机载激光雷达的整体结构和成像原理作了介绍，对测量方法和数据处理方法作了分析和仿真。论文的研究内容和得到的结论如下： 1、机载激光雷达的两种基本测距方法是脉冲法和相位法，本文详细推导了这两种方法的测距精度，当时间测量电路的时间分辨率为250ps时，计时误差产生的测距误差为0.0153m。 2、机载激光雷达获取的图像可以分为强度像和距离像，其中强度像表征了激光反射回波强度，主要与目标反射特性、激光发射角度和探测器性能有关，并且激光正入射时的激光回波最强；距离像表征了目标表面点和探测器之间距离的分布情况，通常先把它转换成数字灰度图像后再做后续处理。本文讨论了几种边缘检测算子对距离图像的边缘检测性能，其中噪声对Sobel算子和Prewitt算子的检测结果影响较小，但是这两种算子检测的边缘精度不高，Canny边缘检测法受噪声影响很大，但其边缘检测的精度很高。 3、根据距离像可以求解目标表面反射点的精确空间三维坐标，本文讨论了机载激光雷达测量中的几个参考坐标系，推导了激光脚点坐标在各个坐标系之间的转换公式，求出了激光脚点在WGS-84地球坐标系中的三维坐标表达式。 4、介绍了距离选通激光雷达的原理和结构，设计了一种快速成像的距离选通系统方案。详细推导和分析了该系统的距离像，以及距离像的误差和方差。仿真分析了系统测距误差和目标距离、选通门宽度和初始延迟时间之间的关系。在不考虑噪声系统的情况下，该方案的测距精度优于10mm。根据仿真结果，详细分析了如何选择系统参数来提高测量精度。