第3讲LiDAR数据获取基本原理(2)1-系统关键技术

第三讲第三讲机载激光雷达数据获取基本原理机载激光雷达数据获取基本原理第三讲第三讲机载激光雷达数据获取基本原理机载激光雷达数据获取基本原理————系统关键技术系统关键技术机载LiDAR系统系统原理已知空间点Os的坐标机载已知空间点Os的坐标（Xs，Ys，Zs）及该点到地面点P（X，Y，Z）的向量S，则P点的坐标可以由Os加得到S得到2机载LiDAR系统机载LiDAR系统系统组成遥感平台激光测距装置激光测距装置定位定姿装置差分GPS（D-GPS）差分GPS（DGPS）惯性导航系统（INS）控制处理系统控制其它传感器3遥感平台搭载机载激光雷达系统的飞行器遥感平台搭载机载激光雷达系统的飞行器4激光测距装置激光测距装置5机载LiDAR系统机载LiDAR系统6（1）激光测距单元包括：激光发射器和接收机激光测单元括激光发射和接收机（2）光学机械扫描装置主动工作方式激光发射器产生激光，由扫描装置控制激光束发激光发射器产激光由扫描装置控制激光束发射出去的方向扫描方向一般与飞机飞行方向垂直扫描方向般与飞机飞行方向扫描宽度由扫描视场（FOV，fieldofview）决定7（3）发射和接收激光束的光孔是同一光孔，孔径一般为8~15cm保证发射光路和接收光路是同一光路（4）发射的激光束是一束很窄的光，发散度很小形成的瞬时视场（IFOV，instantaneonsfieldofview）是由一个很小的角度确定的，一般为0.3毫弧（mrad）到0.2毫弧，激光束形成的一个照射角照射在一小块地面（5）接收机接收被反射回来的激光束后由记录单元进行记录8关键技术关键技术激光测距技术全球定位系统技术球定位统技术惯性测量系统技术高性能二维扫描技术9第一节激光测距基本原理本测量激光往返目标所需要时间，然后通过光速c（299792458m/s）和大气折射系数计算出距离10第一节激光测距）脉冲测距1、信号形式1）脉冲测距发射脉冲波测量脉冲信号往返时间差测量脉冲信号往返时间差11测距分辨率可以理解为，在光束方向能够区分的两个物体的昀小距离。实际上它是取决于t，也就是计时器的精度。实际上它是取决于t，也就是计时器的精度。12对于脉冲激光，计时器主要依脉冲的特殊点进行记录对于脉冲激光，计时器主要依脉冲的特殊点进行记录脉冲发生点作为记录的开始脉冲发生点作为记录的开始图中脉冲的“升”起时刻（leadingedge或risingside）side）实际脉冲并非一个完全的矩形波，一般事先确定一个实际脉冲并非个完全的矩形波，般事先确定个阈值，当信号电压到达这一阈值时，计时器即开始记录，由阈值触发器电路控制，结束记录时也是如此录，由阈值触发器电路控制，结束记录时也是如此13记时误差如果所接收的激光幅值很低，电压值未调整到如果所接收的激光幅值很低，电压值未调整到与发射时相同电压值，所记录时间就会过长！一般在记时器的前端安置一个放大器进行信号调整整为避免因激光幅值变化造成记时错误采用分数鉴别器，代替阈值鉴别器采用分数鉴别器，代替阈值鉴别器按信号峰值的比例系数作为记时参照常量14昀大量测距离：昀大量测距离：采用激光器发射激光脉冲时要考虑，避免昀远目标所反射的激光束还未返回就发射下一束激光目标所反射的激光束还未返回就发射下束激光需要考虑可能的昀大量测距离与昀远的目标有关与昀远的目标有关地形起伏？15脉冲发射频率是指一秒钟内能发射多少次激光束决脉冲发射频率是指秒钟内能发射多少次激光束，决定了相邻的两束脉冲的时间间隔，由此决定了昀大量测距离测距离。例：脉冲发射率为150KHz时，昀大量测距离为1km（LeicaALS50II）16目前影响距离量测的主要因素激光功率光束发散度大气传输大气传输目标反射特性探测器灵敏度探测器灵敏度飞行高度飞机姿态误差机姿误172）连续波相位差测距发射连续波发射连续波测量往返连续波的相位差18连续波的测距分辨率和昀大量测距离连续波的测距分辨率和昀大量测距离19结论：结论：结论：结论：无论是脉冲激光还是连续波激光，在其它条件不无论是脉冲激光还是连续波激光，在其它条件不无论是脉冲激光还是连续波激光，在其它条件不无论是脉冲激光还是连续波激光，在其它条件不变的情况下，昀大测距与反射率的平方根和激光变的情况下，昀大测距与反射率的平方根和激光功率的平方根成正比。功率的平方根成正比。要获得较好的测距效果要获得较好的测距效果，，气候条件：大气气候条件：大气条件十分重要，干、冷和透明的大气条件十分重要，干、冷和透明的大气气候条件：大气气候条件：大气条件十分重要，干、冷和透明的大气条件十分重要，干、冷和透明的大气条件下，效果条件下，效果昀好；昀好；时间条件：夜间昀好，昀坏的情况是白天阳光强烈；时间条件：夜间昀好，昀坏的情况是白天阳光强烈；波段选择：选择大气透过率高的波段；波段选择：选择大气透过率高的波段；20测距误差测距误差测距误差是指测距仪的显示结果与实际距离之差。测距误差主要来源于噪声脉冲宽度和幅度电光系统的延迟误差主要来源于噪声、脉冲宽度和幅度、电光系统的延迟以及时间测量单元中基准振荡频率的稳定性。21脉冲激光测距仪测距误差脉冲激光测距仪测距误差系统误差计数器频率误差大气折射误差电光延迟误差随机误差随机误差噪声误差距离误差距离误差漂移误差22连续波激光测距仪测距误差连续波激光测距仪测距误差比例误差（与距离有关的误差，系统误差）真空光速误差真空光速误差大气折射率误差测尺频率误差固定误差（与距离无关的误差，偶然误差）数字测相误差幅相误差幅相误差照准误差23机载LiDAR系统对测距仪的要求机载LiDAR系统对测距仪的要求精度高精度高功率高功率高体积小体积小波长合适波长合适24机载LiDAR系统对测距仪的要求精度高机载LiDAR系统对测距仪的要求精度高激光测距系统的测距精度与测距信号的信噪比的平方根成反比，信噪比愈高，测距精度也越高2526信号参量之间的关系以及对信噪比的影响测距精度和信噪比测距精度和信噪比测距误差与测距信号的信噪比的平方根成反比；信噪比愈高测距误差越小精度也越高信噪比愈高，测距误差越小，精度也越高1~而信噪比取决于很多因素如：/SN而，信噪比取决于很多因素，如：接收信号功率、信号带宽、背景辐射、探测器响应灵敏度放大器噪声等探测器响应灵敏度、放大器噪声等27信噪比（S/N）简化信噪比（S/N）简化2B相位差测距时噪声带宽Bcw：相位差测距时噪声带宽Bpulse：脉冲测距时噪声带宽PRpeak表示脉冲接收功率峰值P表示连续波接收功率平均值PRcw表示连续波接收功率平均值28比较两种测距方式的精度：假定对同一目标进行量测,可以用发射功率代替接收功率即以脉冲激光发射功率峰值代替接收功率峰值功率,即以脉冲激光发射功率峰值代替接收功率峰值，以连续波发射功率平均值代替接收功率平均值29算例：算例：脉冲激光系统发射功率峰值为2000W，ti为1ns，连续激光波系统发射功率均值为trise为1ns，连续激光波系统发射功率均值为1W，发射频率带宽为10ＭHz，噪声频率带宽为7KHz；为7KHz；两种测距误差比是多少？两种测距误差比是多少得出：得出：脉冲和连续波测距误差比值为0.012，即脉冲测距精度在理论上比连续波高85倍脉冲测距精度在理论上比连续波高倍30现状：现状脉冲激光系统具有大功率、可远距离测距等特点，目前市场上绝大多数为脉冲激光系统，很少有半导体连续波激光系统。不过脉冲系统要达到很高的精度需要非常高的技术手段和复杂的处理方法术手段和复杂的处理方法。31机载LiDAR系统对测距仪的要求功率高机载LiDAR系统对测距仪的要求功率高由于LiDAR系统是在空中对地面进行扫描的，它需要有很高的工作功率，这样才能使激光束的能量尽可能大，经过长距离的大气损耗和目标吸收等能量损失后，回到探测器时能够有足够的能量，使得探测器能够对光束进行记录。32峰值功率与平均功率峰值功率与平均功率对于脉冲测距系统，激光能量为：tPEpulseTpulsetPEpeak为脉冲宽度；为发射功率峰值；pulsetpeakTPf如果脉冲频率为，则平均功率为：pulsefpulsepulseTfEPav33平均功率与峰值功率联立，求解，有：PTpulseTftPtEPavpeakpulsepulsepulsefttp假定脉冲频率为脉冲平均功率为假定脉冲频率为150KHz，脉冲平均功率为10W，脉冲宽度为10ns，则发射功率峰值为6670W。可见尽管平均功率不大脉冲激光测距能够产可见，尽管平均功率不大，脉冲激光测距能够产生很高的峰值功率；34发射功率与接收功率M透过率反射率反射率R目标到激光器的距离Ar接收光孔截面积Ar接收光孔截面积35算例:算例:脉冲激光工作波长为1064nm大气透过率M为08大气透过率M为0.8目标距离为500m反射系数（）为05反射系数（）为0.5接收孔径为10cm则接收功率与发射功率的比值为：则接收功率与发射功率的比值为：922222102.350005.08.05.0RAMPPrTr500RPT36LiDAR系统接收的功率只是发射功率的很小部分LiDAR系统接收的功率只是发射功率的很小部分，必须采用非常灵敏的探测器接收信号。。。接收功率与距离平方成反比：激光束刚刚发射出来由于空中的尘埃或其它的干——激光束刚刚发射出来，由于空中的尘埃或其它的干扰，会有一部分信号返回接收光路，即使这个部分非常小，也会被灵敏的探测器认为是目标的回波。小会被灵敏的探测器认为是目标的回波——为了避免这种情况，需要采取近距离消除技术（close-rangesuppressiontechniques）和其它方法。37机载LiDAR系统对测距仪的要求体积小机载LiDAR系统对测距仪的要求由于LiDAR系统安装在空中平台上，飞机体积小由于LiDAR系统安装在空中平台上，飞机的载重量和体积都是有限的，在有限的空间中需要装载LiDAR设备、操作人员等。因此，中需要装载LiDAR设备、操作人员等。因此，需要将LiDAR设备的体积和重量减小到昀小，这也要求测距仪的体积和重量都很小。这也要求测距仪的体积和重量都很小。38机载LiDAR系统对测距仪的要求波长合适机载LiDAR系统对测距仪的要求波长合适大气窗口大气窗口背景光的区别目标反射率目标反射率探测器灵敏度人眼安全人眼安全39反射率不同漫漫反射体体在900nm900nm的典典型反射射率部分LiDAR系统的激光波长系统激光波长（nm）LeicaALS50II790~8201050~1060Optech3100EA1064Optech3100EA1064TopoSysFALCONⅡ1560RieglLMS-Q560150041关键技术关键技术激光测距技术全球定位系统技术球定位统技术惯性测量系统技术高性能二维扫描技术42全球定位系统技术全球定位系统技术全球定位系统全球定位系统(GPS,GlobalPositionSystem)(GPS,GlobalPositionSystem)：：是一种利用人造地球卫星进行点位测量导航的是一种利用人造地球卫星进行点位测量导航的是种利用人造地球卫星进行点位测量导航的是种利用人造地球卫星进行点位测量导航的技术。技术。全称是全称是NAVSTARGPS(NAVSTARGPS(NAVigationNAVigationSatelliteSatelliteTimingAndTimingAndRangingGlobalPositioningRangingGlobalPositioningSystem)System)。。System)System)。。43GPSGPS定位原理定位原理GPSGPS定位原理定位原理GPS定位是利用测距交会确定点位D1会确定点位。D2D3准确位置由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同由于用户接受机使用的时钟与星星载时钟不可能