机载激光雷达测深系统定位模型与视准轴误差影响分析

根据机载激光测深系统扫描部分结构,针对圆镜偏轴卵形扫描方式,从光束发射方向出发,基于扫描结构轴向关系利用光线反射定律推导出激光出射方向向量,结合激光出射位置到海表点距离获得海面激光点坐标;依据光线折射定律,利用变折射率光线追踪算法推导出海底测深点坐标计算公式,建立海面激光入射点及海底测深点坐标严密计算模型。根据模型定位公式,分析扫描系统视准轴误差影响,通过数值模拟,分析扫描系统视准轴误差对定位精度影响,为扫描系统单体设备加工、装调、集成检校提供依据,为机载雷达测深系统提供海底测点精确计算、改正提供参考。     

姿态角随机测量误差对机载激光扫描成像的影响

研究了姿态角随机测量误差对机载激光雷达激光脚点定位精度和数字表面模型(DSM)精度的影响。分析了机载激光雷达的工作原理,推导了姿态角随机测量误差与激光脚点定位误差之间的传递关系。通过数值仿真,模拟了3种地形,研究了姿态角随机测量误差对点云及DSM的影响规律。通过半实物仿真实验,定量评价了姿态角随机测量误差对激光脚点定位精度和DSM精度的影响。仿真和实验结果表明,姿态角随机测量误差造成激光脚点定位精度和DSM精度降低。姿态角随机测量误差造成激光脚点平面坐标误差增加较大,是高程误差的4~5倍;当姿态角随机测量误差增大10倍时,激光点云三维坐标误差也增大约10倍,而DSM误差则增大40倍左右。     

机载平台6-D运动误差对LiDAR点云质量的影响比较

直升机载荷平台6-D（Six-Dimensional）运动误差（即飞行轨迹和姿态角运动误差）对机载LiDAR点云质量影响显著,进而影响三维重建模型精度。分析各运动误差对点云质量的影响特点,对于有针对性地消除各运动误差影响、有效提高机载LiDAR三维成像产品精度具有重要意义。建立了机载激光扫描脚点三维空间位置偏差与机载平台六方位运动误差之间的传递关系;采用数值仿真,定量比较了六方位运动误差对激光点云密度分布和的影响,获得了六方位运动误差的影响特点及规律。仿真结果表明,直升机载荷平台的三个姿态角运动误差对点云密度的影响更显著,且随飞行高度的增大而增大,而三个飞行轨迹运动误差的影响相对较小。     

阵列光束棱镜扫描光束指向及点云精度分析

在面阵扫描成像激光雷达中，阵列光束照明与棱镜扫描相结合实现了高能量利用率、高分辨率和宽探测视场，但阵列子光束倾斜入射棱镜，破坏了光束传输的旋转对称性，棱镜对子光束偏转能力存在差异，规则光束阵列产生了形状畸变，导致光束指向误差，影响点云位置精度。首先，将阵列光束与棱镜结合的圆锥扫描方式分解为多角度入射多波束并行扫描，通过所有子光束的传输特征来综合表征阵列光束传输特征；然后，采用三维矢量光学方法推导了阵列光束在棱镜中的传输过程，建立了子光束指向变化与棱镜扫描角度的关系；最后，通过对机载激光雷达棱镜扫描成像过程的数值仿真，建立了光束指向变化与点云数据质量的联系。仿真结果表明：阵列光束(3×3)棱镜扫描系统在航高0.5 km时，光束阵列畸变导致平面误差RMS约为5 cm，并随航高呈线性变化；斜率约为0.1 m/km，并随着阵列光束规模和子光束角间距增加点云平面精度随之下降。通过对棱镜扫描过程中光束阵列畸变规律掌握，为后续机载飞行试验数据的校正、阵列光束结合多棱镜扫描系统的设计提供了基础。     

定向棱镜激光腔模式模拟研究

为了探究定向棱镜谐振腔激光模式分布情况,通过连续利用反射系统的光线矢量的反射定律,推导出具有二面角误差的角锥棱镜相位模型,首次创新性地建立了定向棱镜腔的光场数学模型,并运用FOX-LI的理论。研制了一套求解各种腔形的稳态模的场分布软件。用这套软件模拟出了定向棱镜谐振腔自再现模的分布。同时,针对免调试固体激光器（定向棱镜腔）进行实验,将模拟所得结果与实际激光器的输出近场、远场光斑,以及与光束质量分析仪检测分析结果进行了对比,取得了较好的效果。     

机载LiDAR中工作参数的控制误差和测量误差对点云产品精度的影响机理及其比较

机载Li DAR中的一些工作参数既有控制误差,又有测量误差,如机载平台的飞行轨迹、姿态角和激光扫描仪的扫描角等,两种误差均会造成点云产品质量降低。为分析两种误差对点云产品精度的影响机理,从理论上分析了两种误差对点云和数字表面模型(DSM)精度的影响,通过数值仿真,模拟了机载Li DAR的测量过程,以机载平台姿态角参数为例,定量评价及比较了姿态角的控制误差和测量误差对点云分布及DSM精度的影响大小。结果表明,机载Li DAR的测量精度取决于这两种误差的影响,其中控制误差主要造成点云分布区域及密度改变,继而导致DSM失真增大,而测量误差造成点云定位精度和重建DSM精度降低。因此,需采取措施分别对两种误差进行抑制补偿。     

利用波形匹配实现卫星激光测高脚点精确定位的方法

激光测高仪分米量级的绝对高程精度可以满足地面高程控制点的需求,但其十几米甚至几十米的平面偏移使得其激光脚点仅能在平坦地表区域作为高程控制点使用。通过推导激光回波模型建立回波模型仿真器,综合考虑激光能量时空分布、地表轮廓、地表反射率等器件和目标参数的影响,对没有考虑地表反射率影响的现有波形匹配方法进行改进;进而,使用机载LiDAR点云数据和GLAS波形、能量数据,以仿真波形和真实波形相关系数最大原则进行波形匹配,寻找GLAS激光脚点中心坐标的精确位置。结果表明:在GLAS系统接收能量正常的工作周期内,波形匹配的平均相关系数大于0.9,通过波形匹配提高GLAS激光脚点的平面精度,能够实现约2 m的平面定位精度。研究方法能解决复杂地表条件下的激光高程控制点获取问题。     

机载激光雷达电力线提取的布料模拟法

为了实现长距离直线型机载激光雷达电力线提取,提出了一种基于布料模拟的长距离机载激光雷达电力线提取方法,在数据预处理的基础上,通过模拟布料下落过程,分析布料与对应机载雷达点云之间的作用,确定布料由重力下降后所停留的位置作为相近高度的电力线点云,然后在xOy平面内拟合直线,利用点到拟合直线的距离对电力线条数进行奇偶判断,通过点在直线两侧判断,实现单根电力线的提取。结果表明,所提出的方法对长距离电力线的提取精度达到98.9%,具有较高的自动化程度,且对局部点云缺失不敏感。该研究在电力线智能巡检及输电廊道空间结构自动分析领域具有良好的工程应用价值。     

机载激光测深技术的研究进展

机载激光测深技术因其灵活性好、速度快和测量精度高的特点,逐渐取代了传统测量水深的方法,并且在河道、近海海域的水深测量以及水下地形地貌的测绘等方面发挥着重要的作用。对机载激光测深技术进行了介绍,阐述了机载激光测深系统的工作原理及其信号处理的两种主要方法,分别对这两种方法进行了归纳并总结了其最新的应用研究,归纳了我国机载激光测深的关键研究技术,最后对其未来发展方向进行了展望,并说明了今后对回波信号将采用的数据处理方法。     

机载激光测深后向散射光雷达方程

根据《海水中光束传播唯象模型》和水下辐射度反射率定律，将海水中任一深度的激光束，分为准直光部分和非准直光（散射）部分，并分别计算机载光学接收系统接收到的准直部分和非准直部分的后向散射功率，建立了机载激光测深系统后向散射光雷达方程。通过对该雷达方程的分析，得到了当海水深度以衰减长度的个数表示时，机载激光测深系统接收到的海水后向散射光功率最大值点对应的水深与海水的单粒子反照率有关，而与海水的衰减系数无关的结论，以此可测定海水散射系数、吸收系数。文中也分析了系统视场角对后向散射包络的影响，阐述了后向散射包络以有效衰减系数指数衰减，而不是以光束衰减系数指数衰减。     

基于波形匹配的高分七号星载激光测高仪山地区域脚点定位方法研究

提出了一种基于波形匹配的激光脚点定位方法,该方法以机载激光雷达点云数据作为参考,通过对观测弧段内激光脚点的单点波形匹配和系列脚点相关系数联合处理的方式,精确计算激光指向和距离信息,实现了对高分七号卫星激光脚点在起伏山区的精确定位。使用美国犹他州山地区域的机载激光雷达点云作为当地实测现场数据,对基于论文方法高分七号星载激光测高仪的精确定位数据进行了实验验证。在平均坡度达到20°的犹他州实验区域,观测弧段内高分七号激光脚点高程精度从精确定位前的（2.45±2.93） m提升至（0.27±0.61） m。试验结果表明,该方法可以有效提升高分七号星载激光测高仪观测成果在起伏山区的精度。     

星载单光子激光雷达浅水测深技术研究进展和展望

在浅水测深技术中,星载激光测量系统可以覆盖一些机载/舰载系统难以到达的偏远水域,具有比被动光学影像水深测量精度更高、可全天时工作等独特的优势。以稀疏而少量的主动星载激光测量值为水深标定点,融合被动星载遥感影像,主被动融合的浅水测深是当前的趋势。本文首先介绍了星载单光子激光雷达的工作范围、物理参数和数据产品,概述了测量原理,综述了现有的星载单光子激光雷达测深的理论传输模型,对比了不同的点云数据去噪处理算法的优劣,归纳了星载融合测深反演技术在不同环境中的应用,总结了当前存在的问题,并对该技术未来的前景和发展方向进行了展望。     

机载激光测深系统中的精确海表测量

讨论了机载激光海洋测深技术中采用红外激光测量海表的精度和探测概率。首先介绍了机载激光测深系统中红外激光测距的原理以及计算方法;分析了不同扫描角、海况(尤其是不同风速)下斜距的测量方法、测量精度及对回波信噪比的影响,分析了在给定探测概率下甄别阈值的选择以及探测概率和信噪比的关系。最后用机裁激光测深系统的参数对海表探测进行了数值模拟和讨论,提出了改进措施。     

别汉棱镜角度误差对光轴一致性影响的研究

在周视扫描成像系统中,需要通过特定光学元件进行消像旋。别汉棱镜是最常用的消像旋元件之一,由于棱镜的角度误差对系统光轴的影响较大,因此对别汉棱镜的角度误差要求非常严格。本文通过分析推导反射光线、折射光线以及三维坐标系旋转的矢量形式表达式,建立了别汉棱镜的角度误差模型,在此基础上分析了入射光轴经别汉棱镜折反射之后出射光轴的方向向量,并且基于Matlab实现了从别汉棱镜出射的光轴的方向向量及其相对于入射光轴偏差的计算。通过与光线追迹仿真结果和实验结果进行对比,验证了所建立模型以及分析计算过程的正确性,解释了在棱镜胶合过程中出现四个十字叉丝的问题,对棱镜的加工具有指导作用,同时提高了胶合效率和棱镜的光轴一致性精度。     

机载激光雷达最大探测深度同海水透明度的关系

分析了机载激光雷达最大海水探测深度与透明度盘深度之间的关系,得到了两者之间 关系式,可以根据不同海区海水的透明度估算激光雷达最大探测深度,以利于机载激光测深系统的应用。     

对地观测星载激光测高系统高程误差分析

星载激光测高系统通过接收卫星平台激光器发出的激光脉冲经地表反射的微弱回波,计算卫星与地表的距离;结合卫星轨道和姿态数据,生成激光脚点精确地理位置和高程结果.其高程误差主要受器件、环境和目标参数影响,目前还没有完整描述对地观测星载激光测高系统平面和高程误差的数学模型.简化并完善了针对固体地表的激光测距误差模型,建立了完整的激光脚点平面和高程误差模型.利用高程精度和空间分辨率更高的机载Lidar数据评估了星载激光测高系统GLAS实测数据的高程偏差,评估结果符合所建误差模型.在较平坦的冰盖表面,GLAS系统高程精度可以达到设计值约15 cm.研究内容对测高系统高程误差评估和系统参数设计具有参考意义.     

机载激光测深海水后向散射包络的频域分析

根据机载激光测深海水后向散射雷达方程,在机载激光测深系统典型参数情况下,详细分析了海水衰减系数、海水反照率、飞机高度以及光学接收系统全视场角对海水后向散射频谱的影响。得到了: 当衰减系数C 从0. 2/ m 变到0. 9/ m 时, 后向散射包络频谱将展宽236MHz ;当海水反照率ω从0. 1 变到0. 9 时,后向散射包络频谱将展宽220MHz ;机载激光测深系统接收视场角和飞机高度对系统探测到的海水后向散射包络频率无显著影响;当最小可探测功率Pb = 1. 56 ×10 - 10W 时,在典型的实验参数条件下后向散射包络的频率范围为0 < f< 5. 6 ×108Hz。     

自由曲面等搭接率算法及激光熔覆工艺实现

曲面激光熔覆由于搭接率变化,易导致熔覆层厚薄不均。提出了一种自由曲面激光熔覆等搭接率熔道的轨迹生成算法。采用深度相机采集曲面的点云数据,确定一条点云束,对其拟合后作为初始熔道轨迹并根据等距离步长法得到加工点集。采用求交切片法获得垂直熔覆方向的曲面轮廓,在轮廓上搜寻加工点集的等距点。由等距点集拟合出后一道熔覆轨迹,从而保证搭接率相等。重复上述步骤直到轨迹遍历曲面。按加工点的法矢量方向确定熔覆喷头的运动姿态,使喷头轴线始终垂直加工表面。对半球形封头表面进行熔覆实验,结果表明:等间距轨迹规划算法结合喷头的变姿态适配,可获得搭接率一致的曲面熔道;得到的自由曲面激光熔覆层厚度均匀,硬度较高,无明显的道间隆起或凹陷等缺陷。     

单目视觉引导机器人在视觉检测中的应用

提出一种基于单目视觉引导的机器人工件表面缺陷检测系统。结合标定后的相机参数与物体成像以及物体虚拟投影建立的形状模板初步估计物体的位置姿态,物体的三维点云模型以一定位置姿态参数在虚拟空间的投影匹配零件真实位置姿态提升定位精度。定位完成后获取待检测位置的点云坐标及其法线方向经过坐标转换后提供给六轴机器人进行路径规划及机器人姿态控制,从而实现机器人辅助检测。     

JDY-1型激光定向仪

JDY-1型激光定向仪是利用激光方向性好、亮度高、光强分布稳定对称的特点设计的。由氦—氖激光管、发射望远镜和激光管电源三部分组成。激光管和望远镜采用串联形式。该仪器在空间发射出一条发散角不大于0.1毫弧度的红色可见光线,作为空间定向的标准直线。设计上考虑到一机多用,通过简单的变换及二个能套在发射望远镜上的五角棱镜附件,调节脚