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机载激光雷达系统初步方案研究

钟棉卿  
【摘要】:机载激光雷达是近年来比较热门的主动式三维数据采集技术,相比传统测量方法、航空摄影测量技术、微波雷达等具有采集速度快,数据量大,精度高等优点,引起了人们的广泛关注。但目前,国内技术应用严重依赖国外成熟系统产品进口,技术研发相对滞后。本文根据多方调研,对国内生产机载激光雷达系统的可行性和相关技术难点作了大量的研究,并提出了一套初步的设计方案。 根据调研,国内IMU/DGPS定位导航产品精度达不到机载雷达系统的使用要求,因此本文的设计思想为采购一整套的进口POS产品来确定飞行平台的位置及姿态,核心内容为主要传感器——机载激光扫描仪的设计。 设计系统采用低空遥感平台,飞行高度300~1000m,不超过1500m,巡航速度160~220km/h,扫描带宽300~800m。采用美国Spectra-Physics(理波)公司NavigatorTM系列的一款激光器产品Navigator1064-5作为探测光源,激光波长1064nm,每秒可产生20000~50000个数据点,经扩束镜准直后激光发散角0.55mrad。采用交流电机驱动正六面镜旋转扫描方式,使用最大扫描角±30°,视场角30°~60°可调。设计扫描频率45~60Hz,激光脚点间距小于1m。设置两个探测器,PIN管用于主波探测,APD管用作回波探测,由FPGA完成时间间隔测量。各种传感器获取的信息,包括电机转速、回波强度、其他设备监测信息等也被FPGA数字电路高速采集,通过接口传输给ARM嵌入式系统。ARM是扫描仪的主控制器,通过键盘或上位机获取控制指令,再由FPGA执行具体的测量操作。 本文还就集成系统各个组件获取的距离、角度、坐标、姿态等信息进行组合,由极坐标原理得到了激光点云定位模型。并分析了设计系统的理论精度和影响精度的各种因素,最后对系统设计中发现的问题进行总结,分析了国内产品研发滞后的部分原因,肯定了该项技术的产品化前景。


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