激光雷達(dá)遙感2-

主要內(nèi)容

?

機(jī)載激光雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)機(jī)載激光雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)

激光測(cè)距技術(shù)

全球定位系統(tǒng)

慣性導(dǎo)航技術(shù)

POS技術(shù)

機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)機(jī)載激光雷達(dá)基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機(jī)載激光雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)

激光測(cè)距技術(shù)

全球定位系統(tǒng)

慣性導(dǎo)航技術(shù)

POS技術(shù)

機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)（）2激光測(cè)距技術(shù)基本原理探測(cè)電壓光功率發(fā)射脈沖ToPo接收脈沖距離選通TrPr探測(cè)閾值ΔTΔT距離Z=C時(shí)間測(cè)量激光往返目標(biāo)所需要時(shí)間，然后通過(guò)光速c

（

299792458m/s）

和大氣折射系數(shù)

計(jì)算出距離激光測(cè)距技術(shù)信號(hào)形式1）脈沖測(cè)距

常見(jiàn)

瞬時(shí)功率大（

Nd:

YAG激光器能發(fā)射寬度為10-

15ns、波長(zhǎng)為1.06μm、峰值功率為2兆瓦的激光）2）連續(xù)波相位差測(cè)距

少見(jiàn)脈沖測(cè)距基本原理例：脈沖發(fā)射率為150KHz時(shí)，最大量測(cè)距離為1km

（Leica

ALS50II）測(cè)距分辨率最大量測(cè)距離測(cè)距誤差測(cè)距誤差是指測(cè)距儀的顯示結(jié)果與實(shí)際距離之差。

測(cè)距誤差主要來(lái)源于噪聲、脈沖寬度和幅度、電光

系統(tǒng)的延遲以及時(shí)間測(cè)量單元中基準(zhǔn)振蕩頻率的穩(wěn)

定性。脈沖激光測(cè)距儀測(cè)距誤差

系統(tǒng)誤差

計(jì)數(shù)器頻率誤差

大氣折射誤差

電光延遲誤差

隨機(jī)誤差

噪聲誤差

距離誤差

漂移誤差機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)距儀的要求

精度高

功率高

體積小

波長(zhǎng)合適機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)距儀的要求

精度高信噪比愈高，測(cè)距精度也越高信號(hào)參量之間的關(guān)系以及對(duì)信噪比的影響pulseRpeak信噪比（S/N）

簡(jiǎn)化B

：脈沖測(cè)距時(shí)噪聲帶寬

P

表示脈沖接收功率峰值?

最大測(cè)距與反射率的平方根和激光功率的平方根

成正比。?

要獲得較好的測(cè)距效果，大氣條件十分重要，干、

冷和透明的大氣條件下，效果最好。?

脈沖激光系統(tǒng)具有大功率、高精度測(cè)距特點(diǎn)，目

前市場(chǎng)上絕大多數(shù)為脈沖激光系統(tǒng)。機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)距儀的要求

功率高由于LiDAR系統(tǒng)是在空中對(duì)地面進(jìn)行掃描

的，它需要有很高的工作功率，這樣才能使

激光束的能量盡可能大，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的大氣

損耗和目標(biāo)吸收等能量損失后，回到探測(cè)器

時(shí)能夠有足夠的能量，使得探測(cè)器能夠?qū)?/p>

束進(jìn)行記錄。Epulse

PTpeak

t

pulsePTav

E

pulse

f

pulse平均功率與峰值功率對(duì)于脈沖測(cè)距系統(tǒng)，激光能量為：tpulse為脈沖寬度；PTpeak為發(fā)射功率峰值如果脈沖頻率為fpulse，則平均功率為

：PT

peak

E

pulset

pulse

PTavt

pulse

f

pulse平均功率與峰值功率聯(lián)立，求解，有

：脈沖頻率為150KHz，脈沖平均功率為10W，脈沖

寬度為10ns，則發(fā)射功率峰值為6670W。可見(jiàn)，盡管平均功率不大，脈沖激光測(cè)距能夠

產(chǎn)生很高的峰值功率發(fā)射功率與接收功率M

透過(guò)率

反射率R

目標(biāo)到激光器的距離

Ar

接收光孔截面積2

2222

9Pr

M

Ar

PT

R

0.5

0.8

0.05

500

3.2

10算例:脈沖激光工作波長(zhǎng)為1064nm

大氣透過(guò)率M為0.8目標(biāo)距離為500m反射系數(shù)（

）為0.5接收孔徑為10cm則接收功率與發(fā)射功率的比值為：LiDAR系統(tǒng)接收的功率只是發(fā)射功率的很小部分，必須采用非常靈敏的探測(cè)器接收信號(hào)機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)距儀的要求

體積小由于LiDAR系統(tǒng)安裝在空中平臺(tái)上，飛機(jī)

的載重量和體積都是有限的，在有限的空間

中需要裝載LiDAR設(shè)備、操作人員等。因此，

需要將LiDAR設(shè)備的體積和重量減小到最小，

這也要求測(cè)距儀的體積小和重量輕。機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)距儀的要求

體積小ALS70

重量：88kg

Trimble

Harrier

68i重量：85kg機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)距儀的要求

體積小重量：23kg重量：5.5kg機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)距儀的要求

波長(zhǎng)合適大氣窗口背景光的區(qū)別目標(biāo)反射率探測(cè)器靈敏度人眼安全800nm到1600nm反射率不同漫反射體在900nm的典型反射率部分LiDAR系統(tǒng)的激光波長(zhǎng)系統(tǒng)激光波長(zhǎng)（nm）Leica

ALS50II790~8201050~1060Optech

3100EA1064TopoSys

FALCONⅡ1560Riegl

LMS-Q5601500機(jī)載激光雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)

激光測(cè)距技術(shù)

全球定位系統(tǒng)

慣性導(dǎo)航技術(shù)

POS技術(shù)

機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)技術(shù)?

全球定位系統(tǒng)(GPS,

Global

Position

System)

：是一

種利用人造地球衛(wèi)星進(jìn)行點(diǎn)位測(cè)量導(dǎo)航的技術(shù)。?

全稱(chēng)是NAVSTAR(NAVigation

Satellite

Timing

And

Ranging)/GPS。?

GNSS(Global

Navigation

Satellite

System)技術(shù)準(zhǔn)確位置GPS定位原理

GPS定位是

利用測(cè)距D

1交會(huì)確定點(diǎn)位。D

2D

3由于用戶接受機(jī)使用的時(shí)鐘與衛(wèi)星星載時(shí)鐘不可能總是

同步，所以除了用戶的三維坐標(biāo)x、y、z外，還要引進(jìn)一個(gè)

即衛(wèi)星與接收機(jī)之間的時(shí)間差作為未知數(shù)。所以如果想知道

接收機(jī)所處的位置，至少要能接收到4個(gè)衛(wèi)星的信號(hào)。GPS組成

GPS系統(tǒng)包括三大部分：

空間部分——GPS衛(wèi)星星座

地面控制部分——地面監(jiān)控系統(tǒng)

用戶設(shè)備部分——GPS信號(hào)接收機(jī)GPS衛(wèi)星星座

由21顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星組成。

均勻分布在六個(gè)相互夾角為60度的軌道平面內(nèi)。

GPS衛(wèi)星用L波段兩種頻率的無(wú)線電波（1575.42MHz

和1227.6MHz）向用戶發(fā)射

導(dǎo)航定位信號(hào)，同時(shí)接收

地面發(fā)送的導(dǎo)航電文以及

調(diào)度命令。GPS地面監(jiān)控和用戶設(shè)備

地面監(jiān)控部分包括

位于美國(guó)科羅拉多的主控站

分布全球的三個(gè)注入站

五個(gè)監(jiān)測(cè)站實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS衛(wèi)星運(yùn)行的監(jiān)控。主要任務(wù)是采集數(shù)據(jù)（對(duì)

空中衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)），推算編制各衛(wèi)星的星歷、

衛(wèi)星鐘差及大氣層的修正參數(shù)等，并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送

到衛(wèi)星上。

用戶設(shè)備部分用來(lái)捕獲GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，并進(jìn)行處

理，根據(jù)信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間，確定接收機(jī)到衛(wèi)星

的距離。

并最終確定接收機(jī)的精確位置。??????GPS的優(yōu)點(diǎn)觀測(cè)站之間無(wú)需通視

定位精度高操作簡(jiǎn)便全天候作業(yè)實(shí)時(shí)定位速度快抗干擾性能好，保密性強(qiáng)按定位方式，GPS定位分為

單點(diǎn)定位

差分定位差分GPS（Differential

GlobalPosition

System

，DGPS）在用戶接收機(jī)附近設(shè)置一個(gè)坐標(biāo)已知的差分基準(zhǔn)站，

連續(xù)接收GPS導(dǎo)航信號(hào)，將測(cè)得的位置或距離數(shù)據(jù)與已

知的位置、距離數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，確定誤差，得出改正

值，然后將改正數(shù)發(fā)播給覆蓋區(qū)域內(nèi)的用戶，用以改正用戶的定位結(jié)果。GPS誤差包括：

接收機(jī)公有的誤差

傳播延遲誤差

接收機(jī)固有的誤差DGPS技術(shù)可以完全消除第一部分誤差，大部分消除

第二部分誤差（取決于基準(zhǔn)站和流動(dòng)站之間的距離）LiDAR系統(tǒng)的DGPS技術(shù)LiDAR系統(tǒng)要求很高的定位精度，采取的是載波相

位差分GPS技術(shù)，又稱(chēng)為RTK（Real

Time

Kinematic

）

技術(shù)，建立在實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測(cè)站的載波相位觀測(cè)值

的基礎(chǔ)上，它能實(shí)時(shí)提供觀測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，可以

達(dá)到厘米級(jí)的高精度。由于涉及到測(cè)定遙感器投影中心的位置方位元素，

在機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)中，GPS動(dòng)態(tài)定位的精度成為

影響系統(tǒng)精度的主要因素。一般而言，LiDAR系統(tǒng)

上使用的載波相位差分GPS定位精度在5cm-10cm。影響DGPS精度的主要因素

動(dòng)態(tài)GPS數(shù)據(jù)中的周跳

大氣延遲誤差的影響

多路徑誤差及作業(yè)區(qū)域的電磁干擾

GPS信號(hào)的失鎖，可視衛(wèi)星數(shù)不夠

飛機(jī)距離基準(zhǔn)站過(guò)遠(yuǎn)，誤差的空間相關(guān)性降低

……機(jī)載激光雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)

激光測(cè)距技術(shù)

全球定位系統(tǒng)

慣性導(dǎo)航技術(shù)

POS技術(shù)

機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)基本原理INS，Inertial

Navigation

System

。利用陀

螺和加速度計(jì)等慣性元件測(cè)量運(yùn)行體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程

中的旋轉(zhuǎn)角速度和加速度，計(jì)算得到運(yùn)動(dòng)體的相

對(duì)位置、速度和姿態(tài)等導(dǎo)航參數(shù)。可以定位、測(cè)速、輸出姿態(tài)信息，以及測(cè)定重

力異常和垂線偏差、相對(duì)大地水準(zhǔn)面起伏等。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)IMU慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中負(fù)責(zé)姿態(tài)測(cè)定的陀螺和加速

度計(jì)等慣性元件總稱(chēng)為慣性測(cè)量單元(Inertial

Measurement

Unit，IMU)，它是INS的核心部件。

IMU通常由三個(gè)加速度計(jì)和三個(gè)陀螺，數(shù)字電路和

CPU組成的。航測(cè)要求：尺寸小、抗干擾、長(zhǎng)壽命、穩(wěn)定可靠機(jī)載激光雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)

激光測(cè)距技術(shù)

全球定位系統(tǒng)

慣性導(dǎo)航技術(shù)

POS技術(shù)

機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)POS技術(shù)DGPS技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：使用方便、成本低廉，可量測(cè)傳感器的位

置和速率，高精度、誤差不隨時(shí)間積累缺點(diǎn)：動(dòng)態(tài)性能差、數(shù)據(jù)輸出頻率低，無(wú)法量測(cè)

瞬間的快速變化，沒(méi)有姿態(tài)量測(cè)功能等POS技術(shù)IMU技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：姿態(tài)量測(cè)功能，具有完全自主、無(wú)信號(hào)傳

播，既能定位、測(cè)速，又可快速量測(cè)傳感器瞬間

的移動(dòng)，輸出姿態(tài)信息缺點(diǎn)：定位誤差隨著時(shí)間迅速積累增長(zhǎng)，每次使

用前初始對(duì)準(zhǔn)時(shí)間長(zhǎng)，不能長(zhǎng)時(shí)間單獨(dú)工作，必

須不斷加以校準(zhǔn)。POS技術(shù)POS技術(shù)

=

GPS技術(shù)

+

IMU技術(shù)

提高了定位精度

增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性

部分解決了采樣頻率低的問(wèn)題機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)

系統(tǒng)原理已知空間點(diǎn)Os的坐標(biāo)（Xs，

Ys，Zs）及該點(diǎn)到地面點(diǎn)P（X，Y，Z）的向量S，則P點(diǎn)的坐標(biāo)可以由Os加S得到機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)

系統(tǒng)組成

遙感平臺(tái)

激光測(cè)距裝置

定姿定位裝置

差分GPS（D-GPS）

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）

控制處理系統(tǒng)

其它傳感器機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)組成遙感平臺(tái)搭載機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)，是系統(tǒng)工作的平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量裝置機(jī)載GPS接收機(jī)激光測(cè)距傳感器導(dǎo)航顯示