基于条纹阵列探测的中高空激光雷达测绘系统关键技术研究

【摘要】：相对于传统的商业激光雷达系统,基于阵列探测体制的中高空激光雷达高精度测绘技术,是一种新体制的激光雷达成像技术,具有非常重要的军事意义和实际应用价值。论文立足基于条纹阵列探测的激光三维成像雷达测绘技术的发展研制,破解新体制激光雷达系统发展中的关键技术,旨在寻求一种系统化的解决方案。论文以实现基于条纹阵列探测体制激光雷达系统完整的体系能力为目标,系统性地对其成像原理及模型构建、误差分析、设计仿真、系统定标、数据滤波处理等相关关键技术进行了研究,并通过实验验证了相关理论、算法的性能和系统能力。论文的主要工作和创新点如下:1.从摄影测量成果的精度要求出发,针对基于条纹阵列探测的激光三维成像雷达测绘系统的成像原理和技术特点,论述了该激光雷达系统的各种空间坐标系定义及其转换关系,推导和构建了系统定位的误差模型,通过仿真量化分析了激光测距误差、光束指向误差、大气影响距离误差、位置姿态测量误差、安置误差、时间同步误差和数据预处理误差等误差源对系统定位精度的影响,给出了误差分配的结果,确定了系统的总体精度指标,为论文的研究奠定了数学基础,为基于条纹阵列探测的激光三维成像雷达测绘系统的发展研制提供了理论支撑。2.针对中高空测绘性能要求,根据系统定位误差模型和激光雷达成像方程,从测绘覆盖带宽、点间距、激光扫描速度、激光雷达探测距离与激光能量设计等方面,确定了系统设计所涉及的关键参数;基于条纹原理阵列探测器成像原理以及“扫帚”扫描测绘理论,面向总体设计需求,对地面激光点覆盖性能和平原、丘陵及山地等不同地形条件下的系统定位精度等进行了仿真验证;通过仿真给出的设计参数,能够为新体制激光雷达系统的研制提供科学的参考和设计的依据,也为优化系统设计提供了一条有效的技术途径。3.依据系统仿真和误差分配的结果,分析了在18km航高实现高精度测绘的技术难度和定标需要解决的问题,针对性地设计和提出了一套中高空机载激光三维成像雷达测绘系统的静态定标和动态定标方案;提出了圆形静态定标器与金字塔、人工方形平台动态定标器相结合的定标器设计方案,对定标场地选择、GPS基准站布设、靶标布设和定标飞行航线规划等进行了详细设计;研究和实现了定标处理的相关算法,开展了系统的静态定标试验和动态飞行试验,验证了定标方法的正确性和技术的可行性。4.从基于条纹阵列探测的中高空激光雷达系统数据处理的能力需求出发,设计了系统工作流程和数据处理流程,确定了系统误差改正的方案;针对新体制中高空激光雷达,提出了数据预处理的方法和技术途径;推导了基于同平台GPS/IMU数据的三维坐标解算模型,在此基础上通过激光雷达静态几何校正、动态几何校正、大气影响校正等,对测距值、指向角等进行误差改正,实现了激光雷达点云数据的高精度解算,实验证明通过预处理解算得到的点云数据能够满足使用要求。5.在回顾整理目前激光雷达点云滤波算法的基础上,分析比较了国内外滤波算法成果的特点和局限性;为改进滤波算法对不同地形的适应性,提出了一种自适应的滤波策略;设计了点云自适应滤波的处理流程,通过进行区域分割和建立综合滤波模型,采用多元信息作为约束条件的滤波策略进行自适应滤波,并利用Pingel改进的简单形态学滤波算法进行了论文综合滤波模型的构建;设计了激光雷达点云自适应滤波实验,对论文提出方法滤波结果与人工编辑参考结果、传统形态学滤波算法处理结果进行了分析比较,全面验证了本文提出方法的处理效果和适应性。实验结果表明,本文提出的策略和方法适用于大数据量点云的自动滤波处理,取得了明显的改进效果,有效降低了滤波II类和总错误率,地形重建结果更加符合真实地形情况,具备较高的实用价值。