機載激光3D探測成像系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

孟慶季，張續(xù)嚴，周 凌，王 超

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033)

1 引言

機載激光3D探測成像系統(tǒng)集光、機、電技術(shù)于一體，從組成上可分為激光測距系統(tǒng)、陀螺穩(wěn)定平臺、GPS/INS(全球定位/慣性導航)組合導航系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與3D顯示系統(tǒng)等。對比傳統(tǒng)探測載荷系統(tǒng)，機載激光3D探測成像系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：(1)主動照明，具備全天候能力;(2)電磁干擾能力強，對背景有極強抑制能力，不易受環(huán)境溫度及陽光的影響;(3)抗隱身能力強，能穿透一定的遮蔽物、偽裝和掩體;(4)具有高的距離、角度和速度分辨率，能同時獲得目標的多種圖像(如距離像、距離-角度像等)，圖像信息量豐富，易于目標識別等。

機載激光3D探測成像系統(tǒng)能夠快速精確地獲得地面的3D測量信息，與有人/無人機平臺相結(jié)合在地形測繪、森林調(diào)查、夜間軍事偵察、夜間搜尋與救援、軍事偽裝識別和水下目標探測諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外現(xiàn)狀

國外發(fā)達國家開展激光成像探測技術(shù)的研究較早，目前已經(jīng)取得了相對豐碩的成果。

機載激光3D探測成像系統(tǒng)伴隨著激光的問世一同發(fā)展。美國麻省理工學院(MIT)的林肯實驗室是世界上激光探測成像領(lǐng)域比較前沿的研究中心，其主要從事激光3D成像系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)技術(shù)研究，2004年已經(jīng)成功研制出32×32焦平面成像陣列(FPA)激光3D成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用固體光纖泵浦激光器(530和780 nm)，激光測距頻率為8～10 kHz，采取了掃描工作方式來擴大視場角［1］。

美國先進科技公司(Advanced Scientific Concepts Inc.)也公布了激光3D成像雷達的原型樣機(圖1)，該樣機采用128×128 InGaAs PIN陣列來實現(xiàn)激光飛行時間的測量［2］。

瑞典的CSEM開發(fā)了另外一種激光3D成像系統(tǒng)FPA傳感器，并致力于開發(fā)一種集成、低功耗、小型化的實時激光3D成像系統(tǒng)，其具有30 Hz的成像幀頻，124 pixel×160 pixel，每個像元均可以通過測量信號(激光調(diào)制產(chǎn)生)的相位差來得到激光的傳輸時間。目前該系統(tǒng)主要應(yīng)用于無人車輛成像，測量距離較近［3］。

圖1 激光3D成像雷達的原型樣機Fig.1 Original prototype of laser 3D imaging system

另外，美國雷聲公司和洛克希德馬丁公司也都致力于下一代無人車激光3D成像雷達的研究，其采用的面陣雪崩光電二極管(APD)探測器等單元技術(shù)均極大地推進了激光3D成像雷達的發(fā)展［4］。

機載激光3D成像系統(tǒng)不但包括激光3D成像技術(shù)，還包括INS/GPS組合導航、陀螺穩(wěn)定平臺、數(shù)據(jù)的處理與3D顯示等技術(shù)，其涉及學科更廣、技術(shù)難度更大。下面介紹幾個國外最新的機載激光3D成像系統(tǒng)：

(1)小型無人機載激光3D探測成像傳感(JIGSAW)系統(tǒng)

2007年資料報道的JIGSAW系統(tǒng)為美國高級防御研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)和美國陸軍夜視和電子傳感器管理局(The U.S.Army Redcomcerdec Night Vision and Electronic Sensors Directorate，NVESD)研制的一種集成、輕型的，可以用來對植物遮蔽下的隱秘目標進行成像的激光3D成像系統(tǒng)，旨在得到更高分辨率的成像及對遮蔽物體的識別能力，計劃裝備于 DP-5X 型無人飛機［5，6］。系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

JIGSAW系統(tǒng)可分為平臺上系統(tǒng)與平臺下系統(tǒng)。30 cm(12 in)的穩(wěn)定平臺(內(nèi)含光子計數(shù)直接探測型激光3D成像系統(tǒng)、傳感器控制電路及熱控等)采用4軸機構(gòu)，結(jié)合INS/GPS組合導航系統(tǒng)實現(xiàn)激光3D成像系統(tǒng)視軸的高精度穩(wěn)定、指向控制與感知。平臺下系統(tǒng)包括系統(tǒng)控制器、電源、高速數(shù)據(jù)處理器和高數(shù)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)(3D圖像向地面控制站的實時傳輸?shù)?。

圖2 JIGSAW系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of JIGSAW system

(2)機載激光測深系統(tǒng)(LADS)

2008年的JANE防務(wù)周刊報道了機載激光測深系統(tǒng)(LADS)。LADS安裝在固定翼飛行器上用于探測深海，初期為澳大利亞政府的防務(wù)科學與技術(shù)部門設(shè)計，早于1998年已服役。系統(tǒng)參數(shù)如表1所示，其基本組成可分為［7］：

表1 系統(tǒng)參數(shù)Tab．1 System parameter

1)穩(wěn)定激光平臺(Stabilized laser platform)：900 Hz的全固態(tài)紅外激光器安裝在穩(wěn)定平臺上，以便隔離機體的俯仰、橫滾、航向的姿態(tài)運動。

2)機載捷聯(lián)慣導系統(tǒng)：為系統(tǒng)提供重要的位置、姿態(tài)基準信息。

3)機載激光控制與數(shù)據(jù)獲取軟件與設(shè)備：實時記錄激光測距信息、精確的位置信息與姿態(tài)信息(INS/GPS)、穩(wěn)定平臺的角度信息等，為地面設(shè)備的后處理完成測量數(shù)據(jù)的收集。

4)數(shù)據(jù)處理軟件和設(shè)備。

(3)直升機3D-LZ Imaging LADAR

表2 系統(tǒng)參數(shù)Tab．2 System parameter

2010年的最新資料報道，直升機3D-LZImaging LADAR在2008被確定為解決直升機漂移控制與危險感知的核心技術(shù)［8］。該項目由美國空軍研究實驗室的相關(guān)部門負責研究，已經(jīng)成功完成飛行實驗。由于系統(tǒng)工作距離短，直升機飛行姿態(tài)相對穩(wěn)定，所以直升機3D-LZ Imaging LADAR沒有安裝在穩(wěn)定平臺上，而是直接由INS慣導系統(tǒng)、激光3D成像系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)組成，并結(jié)合了圖像處理系統(tǒng)與顯示系統(tǒng)。系統(tǒng)相應(yīng)參數(shù)如表2所示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 3D-LZ LADAR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 3D-LZ LADAR system block diagram

(4)機載對地高分辨詳查系統(tǒng)

記載高分辨詳查是高分辨縮放技術(shù)的基本前提。美國國家生態(tài)觀測網(wǎng)(National Ecological Observatory Network，NEON)為了掌握和預測大地氣候的變化、土地用途變化、植被生態(tài)情況等［9］，研制了適應(yīng)于低空飛機的遙感詳查系統(tǒng)。系統(tǒng)載荷包括高分辨的機載成像光譜儀、機載激光成像系統(tǒng)和高分辨相機，輔助系統(tǒng)包括差分GPS和INS。其激光成像系統(tǒng)的主要指標如表3所示。

表3 系統(tǒng)參數(shù)Tab．3 System parameter

上面介紹的4個機載激光3D成像系統(tǒng)，由于工作任務(wù)的不同技術(shù)方案也不盡相同。JIGSAW項目的主攻目標是：(1)研制一種小型、集成、低功耗的3代無人機機載激光3D成像系統(tǒng)。(2)探討系統(tǒng)在遮蔽環(huán)境下進行目標的識別與探測的可行性。(3)推進數(shù)據(jù)的實時傳輸與處理技術(shù)在項目中的應(yīng)用。

LADS系統(tǒng)采用特定波長的激光器實現(xiàn)對海洋深度的勘察，更具有大視場范圍，并且測量數(shù)據(jù)為后處理，不要求圖像信息的實時傳輸與處理。

直升機3D-LZ Imaging LADAR系統(tǒng)成像距離近，在系統(tǒng)穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)選擇上大大簡化，直接由INS慣導系統(tǒng)、激光3D成像系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)組成，并必須要求時時圖像處理與顯示系統(tǒng)。

機載對地高分辨詳查系統(tǒng)要求得到更加豐富的遙感信息，其激光成像系統(tǒng)要求更高的分辨率，載機工作高度較LADS高，對導航系統(tǒng)、掃描控制系統(tǒng)的要求也更高。

2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

國內(nèi)激光3D探測成像系統(tǒng)(LADAR)研究起步較晚，目前處于前期階段。主要有：電子部27所研制的直升機防撞激光3D成像系統(tǒng)，系統(tǒng)采用半導體泵浦的YAG激光器，利用兩個諧振鏡進行掃描;華中科技大學研制的海洋探測激光3D成像系統(tǒng)，系統(tǒng)采用YAG調(diào)Q倍頻激光器，利用卵形螺旋掃描方式;哈爾濱工業(yè)大學研制的障礙物回避用激光3D成像系統(tǒng)，已研制出實驗室樣機，采用1.06 μm半導體泵浦YAG激光器，利用兩個諧振鏡進行掃描成像，成像速率為7 frame/s，幀分辨率為32 pixel×32 pixel，作用距離為2 km，回波強度等級為16級。

整體而言，國內(nèi)機載激光3D成像系統(tǒng)方面的研究已經(jīng)取得一定的成果，但與國外相比存在較大差距，相關(guān)報道十分有限。

3 工作原理

以MIT林肯實驗室研制的基于蓋革模式雪崩光電二極管(APD)陣列的激光3D成像系統(tǒng)為例，原理如圖4所示［10，11］。高重頻脈沖激光發(fā)散光束，照明整個欲成像的場景;反射回的光照射到2D APD陣列上，APD陣列測得返回的光到達時間，而不是回波強度;每個像元給出距離值，從而對每一激光脈沖，激光3D成像系統(tǒng)獲得角-角-距3D像。

圖4 蓋革模式APD陣列的激光3D成像雷達原理圖Fig.4 Schematic diagram of Geiger-mode APD array laser 3D imaging radar

區(qū)別于傳統(tǒng)光學系統(tǒng)的探測光強，無論是基于焦平面成像(如APD陣列)還是單像元掃描，激光3D成像系統(tǒng)均是探測每個像元上激光發(fā)射到返回的傳播時間，結(jié)合激光光束的空間指向角信息，形成角-角-距測量數(shù)據(jù)，進而處理得到3D圖像。

機載激光3D成像系統(tǒng)在激光光軸的空間指向控制與獲取上與其它激光成像系統(tǒng)區(qū)別較大，也是機載成像系統(tǒng)的核心技術(shù)難點之一［12］。機載激光3D成像系統(tǒng)的工作原理如圖5所示。

圖5 機載激光3D成像系統(tǒng)原理圖Fig.5 Schematic diagram of airborne laser 3D imaging system

圖5中簡要介紹了兩個坐標系分別為地理坐標系(t系)、機體坐標系(b系)：

t系(O-xtytzt)：以地面某點 O 為原點，Oxt，Oyt，Ozt軸分別指向東、北、天空3個方向;

b 系(Ob-xb，yb，zb)，其中 Obyb為橫滾軸，Obxb為俯仰軸向，Obzb為航向軸。b系是個虛擬坐標系，為研究方便，可以認為捷聯(lián)慣導測量坐標系、穩(wěn)定平臺測量坐標系與機體坐標系重合，統(tǒng)一為b 系 Ob-xbybzb。

掃描過程中，光軸的實時指向PGb在Ob-xbybzb中可以得到(由陀螺穩(wěn)定平臺的角度測量信息、擺掃鏡的角度測量信息通過坐標變化得到)。P點在地理系中的位置［XP，YP，XP］可由全球GPS或差分GPS(DGPS)精確獲得。

機載INS可以測量得到飛機實時的姿態(tài)，即b系到 t系的轉(zhuǎn)移矩陣 Ctb，由此可以得到PGt=CtbPGb即地理系下光軸的指向信息。P點到G點的距離可以由激光測距得到，所以由此可以解算得到G點的地理系坐標。

機載激光3D成像系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上通過機載方式對目標進行持續(xù)的采樣，其實現(xiàn)方式主要分為掃描式激光3D成像技術(shù)與推掃式激光成像技術(shù)兩種。

4 單元關(guān)鍵技術(shù)

機載激光3D成像系統(tǒng)由于測距載體載機自身的運動(質(zhì)點運動、姿態(tài)運動)，激光測距方向的掃描控制與感知，載機位置姿態(tài)的感知(INS/GPS)都是機載激光3D成像系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。全系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)一般可以分為總體關(guān)鍵技術(shù)和單元關(guān)鍵技術(shù)。由于機載激光3D成像系統(tǒng)分為穩(wěn)定平臺、激光發(fā)射/接收測距系統(tǒng)、INS/DGPS組合導航系統(tǒng)等，所以系統(tǒng)必然設(shè)計分系統(tǒng)間誤差分配、多系統(tǒng)安裝誤差標定補償?shù)认到y(tǒng)集成的總體關(guān)鍵技術(shù)。

此外，研制過程中系統(tǒng)的單元技術(shù)更為核心，從工作目標上分為激光測距系統(tǒng)、激光光軸控制與指向測量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)圖像處理與顯示系統(tǒng)。

4.1 激光測距系統(tǒng)

激光測距系統(tǒng)是激光3D成像系統(tǒng)的核心?？梢愿爬榧す夤庠?、探測器(G-APD陣列探測器)、激光發(fā)射/接收光學系統(tǒng)。

4.1.1 激光光源

激光發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計的主要指標有：發(fā)射激光的峰值功率、脈沖寬度、重復頻率和發(fā)散角等。由激光3D成像系統(tǒng)距離方程可知，APD探測器上接收到的激光回波的峰值功率和發(fā)射激光的峰值功率成正比，即發(fā)射激光的峰值功率越高，APD探測器上接收到的激光回波的峰值功率也越高，從而作用距離也越遠。所以為了提高作用距離，應(yīng)盡可能采用峰值功率高的激光器。

激光脈沖寬度減小有利于提高時刻鑒別精度，有利于減少半導體激光器發(fā)熱從而能提高重復頻率。但激光脈沖寬度越小意味著相應(yīng)的電信號帶寬越寬，從而要求APD探測器、跨阻放大電路和壓控放大電路的帶寬越寬，半導體激光器的驅(qū)動電源輸出電流脈沖越窄，所以選擇激光脈沖時要綜合考慮。作為激光測距系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，激光器的選擇十分關(guān)鍵。

(1)半導體激光器

半導體激光器的應(yīng)用已經(jīng)覆蓋了整個光電子學領(lǐng)域。美國是半導體激光器泵浦技術(shù)開發(fā)應(yīng)用較早、進展最快的國家，日本、英國和德國的西門子公司早在1988～1989年就提供了高功率半導體激光器系列產(chǎn)品用作泵浦光源，目前國外用半導體激光器疊層陣列泵浦Nd∶YAG激光器，輸出功率可達到1 000 W，未來工業(yè)和國防應(yīng)用的半導體激光泵浦技術(shù)將產(chǎn)生巨大變革［13］。

利用半導體激光器泵浦 Nd∶YAG(0.946 μm)，Nd ∶YAG(1.06 μm)，Nd ∶YVO4(1.3 μm)，Nd∶YAG(1.3 μm)，Nd∶BEL(LaBe2O3)(1.07 μm)，Ho ∶YAG(2.1 μm)，Er ∶YLF(2.3 μm)，Nd∶玻璃 (1.06 μm) 和 Er∶玻 璃(1.3 μm，1.5 μm)，近年來都有許多報道，有些已經(jīng)商品化［14］。

二極管激光測距儀開發(fā)較早，小于1 km測量距離的商用測距儀已達到實用水平，用于測距報警系統(tǒng)、航海浮標測距、集裝箱檢查等。GaAs激光測距儀以每秒數(shù)千次的脈沖重復頻率工作，在距離幾公里內(nèi)精度可達幾厘米。上世紀80年代，美國科頓公司的M931型半導體激光測距夜視儀將單目夜視裝置和GaAs半導體激光器集為一體，測程超過1 km，重量為1.3 kg。美國國際激光系統(tǒng)公司的GR500型激光測距機，采用GaAs激光器，重復頻率為2 kHz，脈寬為40 ns，發(fā)散角為5～50 mrad，測程為3 230 m，重量為10 kg。美國輕型反坦克武器激光測距機采用GaAs激光器，輸出功率為40 W，脈寬為70 nm，發(fā)射角為10 mrad，重復頻率為5.7 kHz，測距 ＞500 m。隨著半導體激光泵浦固體激光器的發(fā)展，美國麥道公司已將它引入軍用市場，90年代初開始在F/A-18戰(zhàn)斗機上進行試驗，并投入生產(chǎn)。用氣冷的激光二極管泵浦Nd∶YAG，輸出波長為1.064 μm或532 nm，脈沖能量達 200 mJ，工作溫度為-35℃～ +60℃，該裝置的重量為4.5～5.7 kg［15，16］。

(2)微片激光器

美國的林肯實驗室已經(jīng)開發(fā)出與3D雷達成像系統(tǒng)高度兼容的尖端激光器，其中用途最多的一種叫做微片激光器，如圖6所示。其主要采用ND-YAD泵浦和Cr4+泵浦，被動調(diào)Q方式，關(guān)鍵水平在于諧振腔的長度約為1 mm，僅支持小于增益帶寬的縱向模式激光器。小型激光器的另一個分支技術(shù)是它的輸出脈沖寬度＜1 ns，作為激光3D成像系統(tǒng)最佳的脈沖寬度［10］。

圖6 微片激光器Fig.6 Mini size laser

微型激光器發(fā)展的目標是增加單一脈沖的輸出能量。目前激光器可以達到脈沖重復頻率為1 kHz，輸出能量為250 J。而脈沖寬度低于ns量級(380 ps)的激光器正在研制中［10］。

如圖7所示，根據(jù)微片激光器重復頻率和單一脈沖輸出能量的經(jīng)驗關(guān)系，最高的光子計數(shù)效率對應(yīng)激光器有一個非常高的重復頻率。這樣一來，單一脈沖能量會非常小，并且主控振蕩器的放大率也應(yīng)該適當對應(yīng)。在這種情況下，整個系統(tǒng)的主要振蕩將來自于微片激光器［11］。

圖7 微片激光器的輸出性能Fig.7 Output performance of mini size laser

4.1.2 直接探測距離的陣列接收技術(shù)—G-APD陣列探測器

工作在蓋革模式下G-APD的反向偏置電壓高于雪崩電壓。如果接收到一個光子，會發(fā)生雪崩現(xiàn)象，使電流達到最大值，這個過程通常是瞬態(tài)的(不到1 ps)。G-APD陣列探測器兼具單光子探測靈敏度和皮秒級時間分辨率兩大特點，適用于對極微弱光目標的3D成像探測。同時，G-APD陣列探測器又是一種全固態(tài)的光電探測器件，不僅體積小、重量輕、可靠性高，而且還可利用現(xiàn)有的微光電子工藝實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。

近來，林肯實驗室開發(fā)了一種32×32陣列的Si基G-APD探測陣列(如圖8所示)。鑒于此陣列探測器設(shè)計為用于微弱光目標角-角距3D成像，因此各像元電路的功能只為測量光子的到達時間［17］。G-APD的每個像元均采用平面結(jié)構(gòu)。像元光敏面尺寸為 30～50 μm，像元間距為100 μm。每個像元均有相應(yīng)的電路單元，電路單元是一種數(shù)字計時器，具有類似于秒表的功能;每個像元的計數(shù)器均按規(guī)定的程序?qū)驳臅r鐘脈沖計數(shù)，只要發(fā)現(xiàn)有單光子入射某像元，該像元探測器輸出的雪崩電流脈沖就將終止相應(yīng)計數(shù)器單元的計數(shù)并保存結(jié)果，用于讀出。

圖8 32×32 APD陣列探測器Fig.8 32×32 APD array detector

4.1.3 激光發(fā)射/接收光學系統(tǒng)

光學系統(tǒng)由兩部分組成：發(fā)射光學單元和接收光學單元。其中，發(fā)射單元主要實現(xiàn)激光擴束、分光和光線的準直輸出;接收單元主要實現(xiàn)光線接收、準直和聚焦成像。激光發(fā)射系統(tǒng)對激光器的輸出光束進行準直，準直方法主要有：單透鏡法、組合透鏡法、漸變折射率透鏡法等。采用組合透鏡法可以保證一定精度的準直效果，同時避免過于復雜的結(jié)構(gòu)。圖9給出了MIT林肯實驗室采用的光學系統(tǒng)原理圖［10］。

圖9 組合透鏡法的激光發(fā)射/接受系統(tǒng)光路圖Fig.9 Optical pathway of laser emission/receiving system

圖9中激光器波長為532 nm，32×32 APD探測器，發(fā)射系統(tǒng)焦距f=300 mm，口徑D=11 mm。該系統(tǒng)基于APD陣列的閃光雷達是一種非掃描激光3D成像系統(tǒng)，并設(shè)計了一套正交光柵衍射分光光學系統(tǒng)。利用伽利略望遠鏡對532 nm脈沖激光進行準直擴束;針對APD陣列的特點，使用2D正交光柵和聚焦透鏡對擴束光進行衍射分光，光斑經(jīng)發(fā)射-接收分光鏡和發(fā)射透鏡后照明APD像元的瞬時視場;利用發(fā)射-接收分光鏡使發(fā)射光路與接收光路分開。

4.2 激光光軸控制與指向測量系統(tǒng)

激光光軸控制與指向測量系統(tǒng)主要由包括INS/GPS組合導航系統(tǒng)，陀螺穩(wěn)定平臺和激光掃描控制系統(tǒng)等組成［18］。

4.2.1 INS/GPS組合導航系統(tǒng)

載機的精確位置和姿態(tài)是機載激光3D成像系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的重要組成部分，載機位置姿態(tài)的精確測量設(shè)備即為INS/GPS組合導航系統(tǒng)。

因INS/GPS組合導航系統(tǒng)的INS和GPS均為全球方位、全天候段的導航設(shè)備，能提供十分完整的導航數(shù)據(jù)，可優(yōu)勢互補。INS主要具備實時性好、分辨率高、自主性強的優(yōu)點，但也同時具有誤差隨時間發(fā)散、技術(shù)復雜、價格昂貴的缺點。GPS(或者格洛納斯、北斗)與INS相比具有價格低廉、誤差不發(fā)散、位置精度高的特點，但同時GPS的實時性、分辨率及自主性較差［19］。

組合導航系統(tǒng)可以綜合兩種導航系統(tǒng)的優(yōu)點，結(jié)合先進的數(shù)據(jù)融合濾波技術(shù)可以大大提升單系統(tǒng)的能力。區(qū)別于傳統(tǒng)組合導航系統(tǒng)，成像補償用組合導航系統(tǒng)精度要求更高，我國在這方面技術(shù)差距很大。

表4給出了國內(nèi)外應(yīng)用于合成孔徑雷達(SAR)成像運動補償?shù)慕M合導航系統(tǒng)參數(shù)。如加拿大APPLANIX公司的SAR運用撓性陀螺慣性測量單元(IMU)/GPS組合導航系統(tǒng)POS/AV510，POS/AV510應(yīng)用于美國Sandia國家實驗室研制的Lynx SAR，使Lynx SAR實現(xiàn)了0.1 m分辨率［20］，具體參數(shù)見表4，其中 C/A與 DGPS是衛(wèi)星導航中不同的定位解算方式。

表4 POS/AV510系統(tǒng)參數(shù)Tab．4 POS/AV510 system parameters

我國目前唯一用于成像運動補償類的組合導航系統(tǒng)是北航與航空618所聯(lián)合研制的基于SINS/DGPS的機載SAR運動補償系統(tǒng)SARMC，系統(tǒng)精度較國外差距較大，具體參數(shù)如表5所示。

表5SARMC系統(tǒng)參數(shù)Tab．5 SARMC system parameters

可見，INS/GPS組合導航系統(tǒng)是實現(xiàn)高分辨率成像系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

4.2.2 陀螺穩(wěn)定平臺

陀螺穩(wěn)定平臺用以隔離載機的俯仰、橫滾、航向姿態(tài)運動，為有效載荷(激光3D成像系統(tǒng)的測距系統(tǒng))提供良好的工作環(huán)境，針對不同任務(wù)需求的激光3D成像系統(tǒng)，對陀螺穩(wěn)定平臺的要求也不同。

2.1節(jié)提到的直升機激光3D著陸成像系統(tǒng)采用了單軸(俯仰軸)穩(wěn)定，并且該俯仰軸集合了俯仰掃描功能，另有擺掃鏡進行水平擺掃。采用該結(jié)構(gòu)可以有效降低系統(tǒng)的成本，光軸控制精度滿足直升機的工作要求。

澳大利亞政府支持的LADS系統(tǒng)，激光3D成像系統(tǒng)的測距系統(tǒng)安裝在3軸穩(wěn)定平臺中(要求隔離俯仰、橫滾、航向運動)，擺鏡為橫向擺掃，隨著載機的前進推掃成像［21］。

美國的JIGSAW系統(tǒng)則采用高精度的4軸穩(wěn)定平臺，可在GPS/INS組合導航系統(tǒng)的輔助下提供高精度的視軸穩(wěn)定控制和高精度的激光指向信息測量［22，23］。

而用于航天器的激光3D成像系統(tǒng)，由于航天器的運動姿態(tài)穩(wěn)定，一般激光3D成像系統(tǒng)的測距系統(tǒng)直接捷聯(lián)安裝在載體上，需要根據(jù)要求設(shè)計擺鏡的光軸擺掃方式，可以不用穩(wěn)定平臺。

機載穩(wěn)定平臺的結(jié)構(gòu)形式有別于傳統(tǒng)航空吊艙穩(wěn)定平臺的要求，相近于航空相機穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)，旨在隔離載機的俯仰、橫滾運動。航空吊艙中常見的光電陀螺穩(wěn)定平臺形式有：2軸2框架穩(wěn)定平臺，2軸4框架穩(wěn)定平臺，3軸3框架穩(wěn)定平臺。文獻［24］給出了國內(nèi)外機載光電平臺的主要性能指標對比列表。

比較適合機載激光3D成像系統(tǒng)的機構(gòu)形式為3框架3軸穩(wěn)定平臺系統(tǒng)(也可去掉方位軸)。該平臺是一個有3個自由度的系統(tǒng)：方位、俯仰、橫滾，可以隔離飛機方位、俯仰、橫滾方向的運動，即消除了機載環(huán)境對成像的干擾，提供了較好的成像環(huán)境。

為了進一步消除各種大氣現(xiàn)象和空氣動力現(xiàn)象顫振、擾流、抖振、結(jié)冰等引起的振動所產(chǎn)生的視軸瞄準線的晃動，提高圖像質(zhì)量和指向精度，可采用一種內(nèi)框架減振系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用模塊式組合方式，具有靈活性和通用性，方便安裝調(diào)試［25］。另外為了解決2軸、3軸光電平臺中陀螺儀的解耦問題，提高光電平臺的穩(wěn)定性，文獻［26］給出了2軸平臺正割解耦的算法，并給出了3軸平臺正弦解耦的算法以及基于ARM單片機的解耦軟硬件處理技術(shù)。

以文獻［27］給出的光電偵察吊艙的平臺結(jié)構(gòu)為例(圖10)，光電偵察設(shè)備固定在方位框內(nèi)，方位軸、俯仰軸與橫滾軸既起方位框、俯仰框與橫滾框及基座之間的連接作用，又同時實現(xiàn)了3個方向的運動，其中橫滾軸與俯仰軸消除機載環(huán)境的運動干擾，目標的穩(wěn)定跟蹤由方位軸與俯仰軸來完成。光電探測器的角位置跟蹤誤差由位置外環(huán)來補償，速度內(nèi)環(huán)用來消除環(huán)境干擾和角速度指令跟蹤。

圖10 3軸3框架示意圖Fig.10 Schematic diagram of three framework three axes

4.3 數(shù)據(jù)圖像處理與顯示系統(tǒng)

4.3.1 數(shù)據(jù)處理技術(shù)

機載激光3D成像系統(tǒng)測量的數(shù)據(jù)處理技術(shù)涵蓋多個方面，包括動態(tài)GPS數(shù)據(jù)后處理、INS和GPS組合姿態(tài)確定、不同傳感器觀測值的時間系統(tǒng)同步處理、激光腳點3D坐標計算、坐標系統(tǒng)的變換、系統(tǒng)誤差的改正、粗差的剔除、數(shù)據(jù)的濾波分類，還包括DEM/DTM的生成以及后續(xù)的地物提取、建筑物3D重建、3D模型建立等高級處理技術(shù)。其中激光腳點坐標的計算需要3組數(shù)據(jù)：系統(tǒng)檢校和安置參數(shù)、激光測距值及位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)。為計算出數(shù)字高程模型及地物提取，先將激光腳點數(shù)據(jù)進行坐標轉(zhuǎn)換，然后進行濾波分類，即地面點與非地面點分開。通過數(shù)據(jù)濾波后，能內(nèi)插生成數(shù)字高程模型(DEM)，以及后續(xù)的地物提取、建筑物3D重建、3D模型等高層次處理。

在國外，機載激光3D成像系統(tǒng)測量技術(shù)已經(jīng)相當成熟，硬件技術(shù)與系統(tǒng)問題研究基本解決，但相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理的算法還處于前期研究階段，其中如何消除系統(tǒng)誤差對3D激光腳點坐標的影響、激光3D成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)的濾波分類以及地物識別和提取是關(guān)鍵研究內(nèi)容［28］。

目前中國科學院遙感應(yīng)用研究所采用一種組合CCD圖像和稀疏激光測距數(shù)據(jù)的建筑物3D信息提取的方法。該方法采用高分辨率的航空CCD圖像和機載激光掃描測距數(shù)據(jù)準確而自動地提取了大部分建筑物的3D信息，并充分考慮了CCD圖像的高分辨率特性和激光掃描測距數(shù)據(jù)的3D特性，做到互相補充。通過CCD圖像提取建筑物的輪廓信息，并根據(jù)激光測距數(shù)據(jù)提取建筑物的高度信息，二者結(jié)合起來重建了建筑物的 3D 信息［29］。

4.3.2 測量誤差處理

機載激光3D成像系統(tǒng)的測量誤差主要包括：激光掃描測距誤差、GPS動態(tài)定位誤差、INS姿態(tài)測量誤差、動態(tài)時延誤差、二類高程誤差、掃描角誤差、激光束發(fā)散角所產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差和系統(tǒng)集成綜合誤差。為了提高機載激光3D成像系統(tǒng)的測量精度，最大可能地降低各種系統(tǒng)誤差的影響，通常采用建立誤差改正模型、儀器檢校和條帶平差改正的方法［30，31］。

4.3.3 數(shù)據(jù)濾波和分類

從激光腳點數(shù)據(jù)點云中提取數(shù)字地面高程模型(DTM/DEM)，需要將其中的地物數(shù)據(jù)腳點去掉，即進行激光3D成像系統(tǒng)的濾波。在進行地物提取和物體的3D重建過程中，植被數(shù)據(jù)點和人工地物點的區(qū)分，以及城市建筑物數(shù)據(jù)點云的提取，即為激光3D成像系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分類。研究如何從激光數(shù)據(jù)點云中分離出地形表面激光腳點數(shù)據(jù)子集，以及區(qū)分不同地物激光腳點數(shù)據(jù)子集，就是數(shù)據(jù)的濾波和分類，有時濾波和分類是同時進行的。

目前，用于機載激光3D成像系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)濾波的方法多是基于3D激光腳點數(shù)據(jù)的高程突變信息進行的，大致可以分為形態(tài)學濾波法、移動窗口法、高程紋理分析法、迭代線性最小二乘內(nèi)插法、基于地形坡度濾波等幾種方法。但是幾乎每種方法都有自身的缺陷，有待改進，有些方法需要分步反復迭代進行。通常所有的方法都強調(diào)高程低的腳點屬于地面腳點，高程較高的腳點不在地面上，這樣會帶來一定的系統(tǒng)誤差。所以濾波算法一般采用半自動或人工操作方式，能否設(shè)計出一種簡單、實用、穩(wěn)健的濾波算法，是機載激光3D成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理中必須解決的關(guān)鍵問題之一。圖11給出的是城區(qū)內(nèi)機載激光3D成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)濾波前后的對比圖，結(jié)果表明，濾波算法能夠優(yōu)先過濾出大型建筑物［32］。

圖11 數(shù)據(jù)濾波前后對比圖Fig.11 Data comparison before and after filtering

如果要進行地物提取，就必須在濾波的基礎(chǔ)上對地物腳點進行分類，以實現(xiàn)機載激光3D成像系統(tǒng)自動提取地面目標。目前絕大多數(shù)算法都是先將原始數(shù)據(jù)直接內(nèi)插成規(guī)則格網(wǎng)的距離圖像，在此基礎(chǔ)上進行基于高程紋理特征的分類。即利用2D GIS數(shù)據(jù)進行分類;基于小波變換和尺度空間理論進行分類以及利用局部直方圖分析技術(shù)并融合激光強度信息進行分類。圖12是機載激光3D成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波分類后的效果圖，圖中所示的車輛和植被被過濾了，保留了地形的特征線［32］。

圖12 數(shù)據(jù)濾波分類效果圖Fig.12 Classification effect of data filtering

4.3.4 激光回波信號強度與激光腳點高程的融合

機載激光3D成像系統(tǒng)的測量系統(tǒng)不僅能提供數(shù)據(jù)點的高程信息，且越來越多的系統(tǒng)能夠提供激光回波信號的強度信息。激光脈沖打到相同的物質(zhì)表面時，其回波信號的強度較為接近，而每種物質(zhì)對激光信號的反射特性是不一樣的。利用介質(zhì)材料的反射率能夠確定激光回波的能量值，從而對不同介質(zhì)材料進行標定，根據(jù)這一特點，能夠方便地區(qū)分不同的地物，如道路、沙石、草地和灌木叢等。

圖13右側(cè)為掃描區(qū)域真實的相片，左側(cè)為激光3D成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合激光強度信息和高程信息進行分類后的效果圖。將系統(tǒng)的激光回波信號的強度信息與激光腳點高程信息融合，進而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分類，能夠提高系統(tǒng)對地形的測量精度，目前此問題在國際上還處于研究階段［33］。

圖13 融合強度信息濾波分類結(jié)果Fig.13 Classification results of aggregation strength information

4.3.5 建立3D模型

機載激光3D成像系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展已有20多年的歷史，但利用機載激光3D成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行3D重建的研究并不多。目前主要有以下幾種方法：1995年Weidner等人從高空分辨率的數(shù)字表面模型中自動提取規(guī)則棱柱形房屋模型;1999年Haala等人聯(lián)合多光譜影像和激光3D成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行建筑物和樹的模型提取;1999年Mass等人基于分析激光腳點點云的矩不變提出了從機載激光3D成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)中自動提取建筑物模型的方法。

激光腳點數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波和分類后，形成一系列彼此分開的點群信息標定其地物屬性，這樣就確定了屋頂激光腳點點集，并采用掃描帶法分離出每個建筑物的激光腳點集。通過分析這些激光腳點間的幾何拓撲關(guān)系，利用3D Hough變換就能重建出屋頂?shù)谋砻嫘螒B(tài)。將分類得到的房屋激光腳點垂直投影到xy平面，這些投影點的幾何構(gòu)形就反映了建筑的邊界、外形、大小、方位等幾何參數(shù)［34］。

5 結(jié)束語

本文對機載激光3D探測成像系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進行了總結(jié)，并介紹了激光3D成像系統(tǒng)的工作原理，重點對系統(tǒng)的單元關(guān)鍵技術(shù)進行了詳細的剖析。機載激光3D成像技術(shù)能夠提供極高的角分辨率和距離分辨率，還可以合成目標的高分辨率3D圖像，而且3D圖像的生產(chǎn)周期短，因而在軍事(例如導彈的精確制導等)和民用領(lǐng)域(例如公路鐵路勘探等)具有極高的應(yīng)用價值。除了文中探討的單元關(guān)鍵技術(shù)，還需考慮系統(tǒng)的重量、體積以及成本等多方面因素。機載激光3D成像作為一種新興技術(shù)，具有傳統(tǒng)技術(shù)無法比擬的優(yōu)點，必將在未來的國防和國民經(jīng)濟中占有越來越重要的地位。

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