激光雷達遙感2-

主要內(nèi)容

?

機載激光雷達關鍵技術(shù)機載激光雷達關鍵技術(shù)

激光測距技術(shù)

全球定位系統(tǒng)

慣性導航技術(shù)

POS技術(shù)

機載激光雷達系統(tǒng)機載激光雷達基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機載激光雷達關鍵技術(shù)

激光測距技術(shù)

全球定位系統(tǒng)

慣性導航技術(shù)

POS技術(shù)

機載激光雷達系統(tǒng)（）2激光測距技術(shù)基本原理探測電壓光功率發(fā)射脈沖ToPo接收脈沖距離選通TrPr探測閾值ΔTΔT距離Z=C時間測量激光往返目標所需要時間，然后通過光速c

（

299792458m/s）

和大氣折射系數(shù)

計算出距離激光測距技術(shù)信號形式1）脈沖測距

常見

瞬時功率大（

Nd:

YAG激光器能發(fā)射寬度為10-

15ns、波長為1.06μm、峰值功率為2兆瓦的激光）2）連續(xù)波相位差測距

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

（Leica

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

測距誤差主要來源于噪聲、脈沖寬度和幅度、電光

系統(tǒng)的延遲以及時間測量單元中基準振蕩頻率的穩(wěn)

定性。脈沖激光測距儀測距誤差

系統(tǒng)誤差

計數(shù)器頻率誤差

大氣折射誤差

電光延遲誤差

隨機誤差

噪聲誤差

距離誤差

漂移誤差機載激光雷達測距儀的要求

精度高

功率高

體積小

波長合適機載激光雷達測距儀的要求

精度高信噪比愈高，測距精度也越高信號參量之間的關系以及對信噪比的影響pulseRpeak信噪比（S/N）

簡化B

：脈沖測距時噪聲帶寬

P

表示脈沖接收功率峰值?

最大測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、高精度測距特點，目

前市場上絕大多數(shù)為脈沖激光系統(tǒng)。機載激光雷達測距儀的要求

功率高由于LiDAR系統(tǒng)是在空中對地面進行掃描

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)過長距離的大氣

損耗和目標吸收等能量損失后，回到探測器

時能夠有足夠的能量，使得探測器能夠?qū)?/p>

束進行記錄。Epulse

PTpeak

t

pulsePTav

E

pulse

f

pulse平均功率與峰值功率對于脈沖測距系統(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?？梢姡M管平均功率不大，脈沖激光測距能夠

產(chǎn)生很高的峰值功率發(fā)射功率與接收功率M

透過率

反射率R

目標到激光器的距離

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:脈沖激光工作波長為1064nm

大氣透過率M為0.8目標距離為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器接收信號機載激光雷達測距儀的要求

體積小由于LiDAR系統(tǒng)安裝在空中平臺上，飛機

的載重量和體積都是有限的，在有限的空間

中需要裝載LiDAR設備、操作人員等。因此，

需要將LiDAR設備的體積和重量減小到最小，

這也要求測距儀的體積小和重量輕。機載激光雷達測距儀的要求

體積小ALS70

重量：88kg

Trimble

Harrier

68i重量：85kg機載激光雷達測距儀的要求

體積小重量：23kg重量：5.5kg機載激光雷達測距儀的要求

波長合適大氣窗口背景光的區(qū)別目標反射率探測器靈敏度人眼安全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)的激光波長系統(tǒng)激光波長（nm）Leica

ALS50II790~8201050~1060Optech

3100EA1064TopoSys

FALCONⅡ1560Riegl

LMS-Q5601500機載激光雷達關鍵技術(shù)

激光測距技術(shù)

全球定位系統(tǒng)

慣性導航技術(shù)

POS技術(shù)

機載激光雷達系統(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)星進行點位測量導航的技術(shù)。?

全稱是NAVSTAR(NAVigation

Satellite

Timing

And

Ranging)/GPS。?

GNSS(Global

Navigation

Satellite

System)技術(shù)準確位置GPS定位原理

GPS定位是

利用測距D

1交會確定點位。D

2D

3由于用戶接受機使用的時鐘與衛(wèi)星星載時鐘不可能總是

同步，所以除了用戶的三維坐標x、y、z外，還要引進一個

即衛(wèi)星與接收機之間的時間差作為未知數(shù)。所以如果想知道

接收機所處的位置，至少要能接收到4個衛(wèi)星的信號。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)

用戶設備部分——GPS信號接收機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波段兩種頻率的無線電波（1575.42MHz

和1227.6MHz）向用戶發(fā)射

導航定位信號，同時接收

地面發(fā)送的導航電文以及

調(diào)度命令。GPS地面監(jiān)控和用戶設備

地面監(jiān)控部分包括

位于美國科羅拉多的主控站

分布全球的三個注入站

五個監(jiān)測站實現(xiàn)對GPS衛(wèi)星運行的監(jiān)控。主要任務是采集數(shù)據(jù)（對

空中衛(wèi)星進行連續(xù)觀測），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。

用戶設備部分用來捕獲GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號，并進行處

理，根據(jù)信號到達接收機的時間，確定接收機到衛(wèi)星

的距離。

并最終確定接收機的精確位置。??????GPS的優(yōu)點觀測站之間無需通視

定位精度高操作簡便全天候作業(yè)實時定位速度快抗干擾性能好，保密性強按定位方式，GPS定位分為

單點定位

差分定位差分GPS（Differential

GlobalPosition

System

，DGPS）在用戶接收機附近設置一個坐標已知的差分基準站，

連續(xù)接收GPS導航信號，將測得的位置或距離數(shù)據(jù)與已

知的位置、距離數(shù)據(jù)進行比較，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：

接收機公有的誤差

傳播延遲誤差

接收機固有的誤差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（取決于基準站和流動站之間的距離）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)，又稱為RTK（Real

Time

Kinematic

）

技術(shù)，建立在實時處理兩個測站的載波相位觀測值

的基礎上，它能實時提供觀測點的三維坐標，可以

達到厘米級的高精度。由于涉及到測定遙感器投影中心的位置方位元素，

在機載激光雷達系統(tǒng)中，GPS動態(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信號的失鎖，可視衛(wèi)星數(shù)不夠

飛機距離基準站過遠，誤差的空間相關性降低

……機載激光雷達關鍵技術(shù)

激光測距技術(shù)

全球定位系統(tǒng)

慣性導航技術(shù)

POS技術(shù)

機載激光雷達系統(tǒng)慣性導航系統(tǒng)基本原理INS，Inertial

Navigation

System

。利用陀

螺和加速度計等慣性元件測量運行體在運動過程

中的旋轉(zhuǎn)角速度和加速度，計算得到運動體的相

對位置、速度和姿態(tài)等導航參數(shù)?？梢远ㄎ?、測速、輸出姿態(tài)信息，以及測定重

力異常和垂線偏差、相對大地水準面起伏等。慣性導航系統(tǒng)IMU慣性導航系統(tǒng)中負責姿態(tài)測定的陀螺和加速

度計等慣性元件總稱為慣性測量單元(Inertial

Measurement

Unit，IMU)，它是INS的核心部件。

IMU通常由三個加速度計和三個陀螺，數(shù)字電路和

CPU組成的。航測要求：尺寸小、抗干擾、長壽命、穩(wěn)定可靠機載激光雷達關鍵技術(shù)

激光測距技術(shù)

全球定位系統(tǒng)

慣性導航技術(shù)

POS技術(shù)

機載激光雷達系統(tǒng)POS技術(shù)DGPS技術(shù)優(yōu)點：使用方便、成本低廉，可量測傳感器的位

置和速率，高精度、誤差不隨時間積累缺點：動態(tài)性能差、數(shù)據(jù)輸出頻率低，無法量測

瞬間的快速變化，沒有姿態(tài)量測功能等POS技術(shù)IMU技術(shù)優(yōu)點：姿態(tài)量測功能，具有完全自主、無信號傳

播，既能定位、測速，又可快速量測傳感器瞬間

的移動，輸出姿態(tài)信息缺點：定位誤差隨著時間迅速積累增長，每次使

用前初始對準時間長，不能長時間單獨工作，必

須不斷加以校準。POS技術(shù)POS技術(shù)

=

GPS技術(shù)

+

IMU技術(shù)

提高了定位精度

增強了系統(tǒng)可靠性

部分解決了采樣頻率低的問題機載激光雷達系統(tǒng)

系統(tǒng)原理已知空間點Os的坐標（Xs，

Ys，Zs）及該點到地面點P（X，Y，Z）的向量S，則P點的坐標可以由Os加S得到機載激光雷達系統(tǒng)

系統(tǒng)組成

遙感平臺

激光測距裝置

定姿定位裝置

差分GPS（D-GPS）

慣性導航系統(tǒng)（INS）

控制處理系統(tǒng)

其它傳感器機載激光雷達系統(tǒng)組成遙感平臺搭載機載激光雷達系統(tǒng)，是系統(tǒng)工作的平臺姿態(tài)測量裝置機載GPS接收機激光測距傳感器導航顯示