A scanning distortion correction method based on Ⅹ-Y galvanometer Lidar system

Aiming at the problem of scanning distortion in X-Y galvanometer light detecting and ranging(Lidar) scanning system,we propose a method of image scanning distortion correction with controllable driving voltage compensation.Firstly,the geometrical optics vectors model is established to explain the principle of pincushion distortion in the galvanometer scanning system,and the simulation result of scanning trajectory is consistent with experiments.The linear relationship between the driving voltage and the scanning angle of the galvanometer is verified.Secondly,the relationship between the deflection angle of the galvanometer and the scanning trajectory and the driving voltage is deduced respectively,and an image scanning correction algorithm with controllable driving voltage compensation is obtained.The simulation experiment results of the proposed method show that the root-mean-square error(RMSE) and the corresponding curve between the scan value and the actual value at different distances,have a good correction effect for the pincushion distortion.Finally,the X-Y galvanometer scanning Lidar system is established to obtain undistorted two-dimensional scanned image and it can be applied to the three-dimensional Lidar scanning system in the actual experiments,which further demonstrates the feasibility and practicability of our method.

基于单像素单光子探测的目标识别与跟踪方法

为了实现弱回波信号下非合作目标识别跟踪,文章基于单像素光子计数激光雷达系统设计了目标识别跟踪策略,并且提出了一种目标识别跟踪方法。该方法首先将单像素光子计数激光雷达系统采集得到的三维点云经过插值处理得到直观的距离像,然后采用最大稳定极值区域算法分割目标和背景,根据目标轮廓特征识别并选择需要跟踪的目标。最后提取识别目标的质心,与激光雷达扫描中心的偏差作为误差信号,控制伺服系统在扫描的基础之上执行目标跟踪。实验结果表明,当激光发射能量为625 pJ、回波光子数为25时,该系统能对距离为5 m、角速度约为2 mrad/s的目标进行稳定的识别跟踪;验证了基于单像素光子计数激光雷达的策略及方法能够稳定的分割目标和背景,以及正确提取需要识别跟踪测距的目标质心,为弱回波信号下目标识别跟踪测距提供一种有效直观的探测方法,同时,弱信号探测作为远距离探测的必要条件,为远距离下的目标探测及识别跟踪提供了一个新的技术方向。

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。

基于LIDAR数据的建筑物轮廓提取

建筑物轮廓的准确提取是建筑物三维重建中最重要的一步。本文在研究已有建筑物轮廓提取方法的基础上,针对LIDAR离散的点云数据,提出了一种自动快速提取建筑物轮廓信息的方法。首先通过点云数据生成城市的数字表面模型(DSM)和数字地面模型(DTM)相减计算得出规则化的数字表面模型(nDSM),进而将地面点和非地面点进行分类;其次,考虑到地物的几何特性,提出一种8邻域搜索的方法对非地面点点云进行分割,得到建筑物表面点云;最后运用基于梯度图的边界跟踪的方法来获取建筑物的轮廓信息。实验表明:该方法能有效地提取建筑物轮廓。

成像激光雷达中的扫描方案

文中对成像激光雷达系统中的几种扫描方式──光栅扫描、声光扫描、电光扫描和光机扫描进行了分析、比较，给出了一种适合于低空飞行前视避障系统的二维摆镜扫描设计方案，具有结构紧凑，体积小等特点，并且可通过计算机来控制摆动的转轴，实现预定的扫描方案，为实现激光雷达系统小型化提供了重要方案。

基于APD面阵探测器的非扫描激光主动成像雷达

为了获得目标区域的高精度3-D距离图像,采用自研带读出电路的雪崩光电二极管(APD)面阵探测器组件,研制了一台非扫描激光主动成像雷达。雷达采用波长1.064μm脉冲激光泛光照射目标区域,APD面阵探测器组件接收目标漫反射激光回波信号,经信息处理获得目标区域3-D距离图像,对典型目标开展了3-D成像实验研究。结果表明,所研制的非扫描激光主动成像雷达可获得较好的目标区域3-D距离图像,成像距离达1.2km,距离分辨率为0.45m,成像帧频为20Hz。基于APD面阵探测器组件的非扫描激光主动成像雷达技术取得突破。

虚拟二维激光雷达成像积分算法

虚拟二维激光雷达是激光雷达扩展应用的组成部分,可以结合3D场景点云特征进行二维激光雷达扫描障碍物模拟;提出根据光线传导特征建立积分方程得到了在多障碍物场景下的激光雷达图生成的解析解,利用AutoCAD与Visual C#联合编程的方法进行了虚拟激光雷达的实现;最后,实验结果与真实二维激光雷达比对,虚拟激光雷达能从3D场景中准确提取物体的位置和距离信息。

距离向扫描合成孔径激光雷达目标三维重建

合成孔径激光雷达(SAL)能够实现远距离目标的精细成像。由于SAL基于距离多普勒原理成像,将地面场景映射到成像平面上会引起高程信息的丢失。提出了一种基于距离向扫描的SAL目标三维重建方法,通过距离向扫描体制SAL得到一定扫描角度范围内的多条合成孔径图像,利用相邻条带图像目标的重叠成像实现三维重建。基于TerraSAR图像仿真计算结果表明:距离向扫描体制SAL可以实现目标的三维重建。

激光雷达探测及三维成像研究进展

激光雷达是一种可以精确、快速获取目标三维空间信息的主动探测技术,在目标的识别、分类和高精度三维成像及测量方面有着独特的技术优势,应用范围和发展前景十分广阔。本文详细阐述了激光雷达探测以及三维成像系统的各种体制、探测原理等;总结和梳理了国内外单点扫描、线阵推扫以及面阵三维成像激光雷达系统的发展现状;同时对比分析了它们在星载、机载、车载等不同平台和应用领域的技术特点及优劣势等。近年来,三维成像激光雷达逐渐从单点扫描向小面阵扫描和线阵推扫式及面阵闪光成像发展,成像速度越来越快;同时单光子探测技术逐渐成熟,探测灵敏度越来越高。随着现代探测技术越来越趋向于多种传感器的融合探测发展,三维成像的发展也趋向于主、被动成像相结合,以获取更丰富的目标信息。

成像激光雷达的无人机载技术探讨

成像激光雷达作为一种主动成像手段,具有在低照度、复杂背景条件下获取高分辨率远距离景物三维图像的能力,作为任务载荷应用于无人机系统领域已成为一种必然趋势,前景十分广阔。对成像激光雷达技术体制进行总结归类并对其国内外研究进展进行了技术分析,并在此基础上,结合无人机载环境特点,针对典型应用场景,综合考虑成像距离、成像分辨率、成像范围和成像速度(帧频)等多方面因素,从总体上探讨并提出无人机载成像激光雷达的一般结构形式、典型技术方案选择和平台适应性要求,以期对相关技术研究和设备研制起到一定参考作用。

基于像素复用的SPAD阵列连续扫描三维成像

基于单光子雪崩二极管(Single-photon avalanched diode,SPAD)阵列探测器的激光雷达系统具有单光子探测灵敏度、高时间分辨率及探测速率快等优点,在遥感测绘、目标识别和航天器着陆等领域具有广泛的应用前景。受限于当前SPAD阵列器件的较小像素规模和普遍存在的热像素等缺点,直接采用SPAD阵列所获取的三维图像质量差且成像范围小。提出了一种基于像素复用的SPAD阵列连续扫描三维成像方法以扩展成像范围,同时通过像素信息复用增加同一目标点的累积探测次数,以提高距离测量精度和三维成像质量。基于32×32规模SPAD阵列搭建了推扫式三维成像实验系统,通过对3.3 m外目标进行一维连续扫描成像实验,利用所提方法实现了快速大范围的光子计数三维成像(32×520/7 s),同时有效改善了热像素对成像结果的影响,三维图像的平面精度达2.3 mm。

扫描激光雷达大视场与全景成像技术研究进展

激光雷达作为一种高精度、快速获取三维环境信息的主动探测技术,在国防和民用领域具有重要的应用价值。按其成像方式的不同可以分为扫描式和非扫描式两大类。非扫描激光雷达受制于阵列探测器件的性能,成像范围和距离有限,而扫描激光雷达具有大视场、高分辨率和探测距离远的优势,成为当前激光雷达技术发展的主流。作为扫描成像激光雷达的核心技术之一,本文梳理了国内外扫描激光雷达大视场和全景成像技术的研究进展,介绍了不同技术的基本原理、实现方法和技术指标,最后总结目前存在的不足,并对未来发展趋势进行展望。

航空摄影新技术推动数字摄影测量的发展

本文介绍了国内航空摄影新技术的发展及应用情况,并对航空摄影技术进行了具体的应用前景分析。

气流干扰下机载激光雷达扫描三维地形成像研究

在气流干扰下机载激光雷达扫描三维地形成像较为模糊,为了提高成像的清晰度,提出一种基于气流扰动抑制与多级小波尺度分解的机载激光雷达扫描三维地形成像优化技术。在机载激光雷达扫描成像过程中,采用自适应反演积分控制方法进行气流扰动抑制,提高成像的稳定性。对采集的激光雷达扫描图像进行边缘轮廓检测和像素信息融合处理,采用多级小波尺度分解方法进行图像降噪,提高三维地形成像的清晰度。仿真结果表明,采用该方法进行三维地形成像,输出图像的清晰度较高,成像的归一化相关系数较大,说明成像质量较好,抗干扰能力较强。

激光雷达三维成像研究进展(特邀)

激光雷达三维成像相比二维成像具有信息丰富、主动性好、抗干扰能力强等优势,已广泛应用于遥感侦察、无人驾驶、航空航天等多领域。近年来,激光雷达三维成像发展迅速,一方面,以APD阵列器件为典型核心器件的制造能力增强,激光雷达的成像效率得到明显提升;另一方面,随着三维成像方法(扫描/非扫描)的不断改进,其综合性能也得到突飞猛进的发展。通过总结现有激光雷达三维成像的研究现状,讨论现阶段其面临的问题与解决方法,为推进激光雷达应用提供支撑。

基于自适应特征及闭环优化的激光即时定位与建图算法

即时定位与建图(SLAM)应用的场景多样但受限于计算成本。基于此,提出了一种基于自适应特征及闭环优化的激光SLAM算法(FAST-SAM)。采用自适应特征提取方法Better Feature在不同的距离下保证特征提取的准确性,再通过基于随机一致性采样优化的地面特征滤除方法去除不可靠的特征并使特征数量保持稳定,在帧间匹配和闭环检测模块分别采用正态分布变换粗配准与最近点迭代精配准结合的匹配算法及所提两段式闭环检测算法,最终输出激光惯性里程计并建立全局点云地图。在LIO-SAM、KITTI开源数据集及广西大学实测数据集上的实验结果表明,与主流的SLAM算法相比,所提算法在提升精度的同时,将各环节的计算效率提升25.6%以上。

基于共形衍射光学系统的合成孔径激光雷达成像探测

合成孔径激光雷达(SAL)可在大前斜视角条件下以较小的光学孔径,对远距离目标进行高分辨率、高数据率成像,是光学成像探测的一种重要形式。对口径为100mm、作用距离为20km、分辨率为0.05m的SAL的工作模式、系统方案、指标参数和关键技术进行分析,并提出与设备整流罩共形的衍射光学系统概念,有利于减少气动影响和设备的体积、质量。借助微波相控阵天线模型,研究基于频率扫描变化的激光波束展宽和一维波束扫描方法,给出相关波束方向图的仿真结果。结果表明,基于曲面共形衍射光学系统的SAL成像探测技术具有可行性。

空间光调制器扫描接收的距离选通成像激光雷达

激光距离选通的扫描式成像技术具有低成本、能避免多次散射等特点,成像扫描与激光束扫描的同步配合是扫描成像技术的难点。设计了一个基于空间光调制器(SLM)的扫描式距离选通激光雷达系统,保证目标反射光的可靠接收,并在时间上和空间上屏蔽后向散射光。在具有不同衰减长度的光散射环境中对本系统进行了测量,实现二维和三维成像。实验结果表明,本系统能够有效地实现光束扫描与距离选通成像扫描的同步,适用于光散射环境中光学成像的可视距离扩展。

高光谱成像激光雷达扫描镜的分析与设计

扫描镜是高光谱成像激光雷达的重要组成部件,因此,分析了多面体转镜扫描、振镜扫描、圆锥扫描三种扫描方式,推导了不同扫描方式的轨迹,并结合飞机航迹得到发射激光扫描轨迹与扫描方式的关系。在此基础上,设计了一种用于高光谱成像激光雷达系统的圆锥扫描方式。实验结果表明,在飞行高度为500 m、激光脉冲重复频率为130 kHz、激光发散角为0.3 mrad时,该方式满足视场角等于30°、两个相邻脉冲夹角小于1 mrad的要求。相比其他扫描方式,圆锥扫描可提高激光雷达光斑脚点的密度,为数据的有效采集和地物的精准分类提供了帮助。

相干调频连续波激光雷达畸变补偿技术研究

扫描激光雷达在无人驾驶系统中起着不可替代的作用,是近几年的研究热点。由于多脉冲周期之间每个点的时刻皆不相同,激光雷达与成像目标之间的相对运动会造成目标三维图像重构的畸变,因此必须进行补偿才能够实现真正的高精度三维成像。为此,提出了一种基于相干调频连续波激光雷达速度测量对于运动产生畸变进行逐点补偿的方法。仿真与实验结果表明,速度相对误差和成像距离误差分别为0.52%和±4.76 cm。与传统加速度计方法相比,本文方法不依赖于加速度计等外部测量,具有更高的普适性,对于激光雷达的实际应用具有重要意义。