国产SW—LiDAR系统的简介

摘要： 本文介绍国产机载SW-LiDAR系统的构成、特点和用途。重点阐述了该系统的三个集成原理：惯性导航原理、差分GPS原理和构象方程。介绍了该系统的工作流程。最后展望了该系统的应用前景。
　　Abstract： This paper introduced the structure， characteristics of a domestic airborne LiDAR systems SW-LiDAR and USES. This paper also provided highlights of inertial navigation principle， the principle of differential GPS and conformation equation， which is integrate theory. The workflow was introduced. Finally， the development trend of the system were prospected.
　　关键词： 国产机载LiDAR；集成原理；系统简介；工作流程
　　Key words： domestic airborne LiDAR；integration principle；system introduction；workflow
　
　　0 引言
　　机载激光雷达（LiDAR， Light Detection And Ranging）系统主要集成了激光测距仪、惯性测量单元、GPS接收机、电子计算机和数码相机等多种硬件，是一种用于获取地面及地面目标三维空间信息的主动式雷达探测系统[1]。该技术国外起步早，发展速度快。随着机载LiDAR技术的不断成熟，在机载LiDAR硬件设备方面，欧美等发达国家的研究已经取得了大量成果并形成了商业化产品。国内方面，中国科学院遥感所李树楷教授于1996年研制出机载激光扫描测量成像系统，由于硬件等方面的原因，没有进入使用阶段。目前国内机载激光雷达系统正处于蓬勃发展之中。由北京四维远见信息技术有限公司牵头，合作多家单位，经过长期努力，成功研制了国产轻小型LiDAR系统，命名SW-LiDAR系统（见图1），该系统具有良好的推广价值，现将该系统情况介绍如下。
　　1 SW-LiDAR系统的简介
　　SW-LiDAR系统包括硬件、主控软件SS-Lisc、数据预处理软件SS-Lipre、组合导航解算软件Inertial Explore等。硬件由AirLidar-1000机载激光扫描测量仪、国产POS2010小型化位置姿态测量装置、天宝5700GPS接收机、SWDC单镜头数字航测相机、主控计算机、锂电池、过渡架等集成。该系统质量共计约50kg，其中AirLidar-1000机载激光扫描测量仪质量17.8kg、国产POS2010小型化位置姿态测量装置质量7.7kg、天宝5700GPS接收机质量2.5kg、SWDC单镜头数字航测相机质量3.3kg、主控计算机质量7.7kg、锂电池3kg。AirLidar-1000机载激光扫描测量仪以脉冲激光器作为主动探测光源，利用激光单色性好、方向性强、能量高、光束窄的特点进行测距扫描，通过接收目标对激光器信号的反射及散射回波来测量目标的方位和距离。该测量仪的主要工作原理是：由激光器发送连续脉冲信号，经四面塔镜旋转形成扫描视场，再经过一定距离范围内的目标反射后被光学接收系统收集，记录每个脉冲的收发时间及扫描角度从而确定目标的空间位置，形成二维的平面点云数据。把该测量仪安装在飞行器飞行时，形成高精度三维空间点云数据。POS2010小型化位置姿态测量装置是惯性测量单元IMU（Inertial Measurement Unit），GPS接收机和IMU用于获取测量平台的位置和姿态，这两个设备联合起来又被称为组合导航系统，又称为位置姿态测量系统POS（Positioning and Orientation System）系统。GPS接收机实现时间同步的功能，提供飞行器位置高度信息，供飞行员参考[2]。位置和高度信息为飞行器进出测区和激光器开启关闭提供判断条件。SWDC单镜头数字航测相机选用哈苏H3DⅡ相机，经过加固处理，并通过检校获取相机检校参数。有效像素数5412×7216万，焦距35mm，旁向视场角70°，航向视场角55°。旁向视场角正好和AirLidar-1000机载激光扫描测量仪视场角匹配。
　　2 集成原理
　　机载LiDAR系统定位同全站仪定位方式一样，也是通过测角测边方式获得目标点的位置信息，属于几何定位。激光测距仪安置在飞行器上，该设备通过记录激光脉冲从发射经地面目标反射到接收的时间差，可精确测定发射点到目标点的距离；同时INS系统测定飞行器的空中姿态参数：侧滚角、倾斜角和航向角；GPS为飞行器提供精确的位置信息。联合INS测定的姿态信息、GPS测定的航迹信息以及激光测距仪测得的距离，可确定每个目标点的三维坐标信息。此外，还必须顾及到一些系统安置偏差参数：激光测距光学参考中心相对于GPS天线相位中心的偏差，三个安置角误差等。这些参数都需要通过一定的检校方法来测定[3]。