论文部分内容阅读
摘要：为采集模拟月面的3D地形信息，使用激光雷达软件开展专门试验场地层扫描。本文基于MV330型激光雷达软件，介绍了激光雷达软件的扫描站点分布设计与位置参数确定，对大尺寸地形数据测量的影响，主要阐述了激光雷达软件于景深条件制约下，为得到最大扫描范围的有效测量高度及测量宽度设计。研究结果能为深空大面积扫描测量进一步研究带来参考依据。
关键词：激光雷达系统；地形扫描；大面积地形
为全面研究与了解月面特殊条件对探测仪测量工作的影响，将进行探测仪在虚拟月面地形环境下的功能、作用专门试验评估研究，以检验其行走、越障和爬坡水平。在探测仪专门试验探究中，首先应当扫描采集虚拟月面地形的图像，由此用作重要的测量方法。
经纬仪扫描系统、全站仪扫描系统、激光追踪扫描系统、信息工字摄影扫描系统和激光扫描测量平台等，在3D地形扫描上具有各自的扫描优点。对于虚拟月面地形扫描面积大、准确度高、光照环境繁琐和扫描时间短等特征，本次试验场地形扫描使用MV330型激光雷达软件。激光雷达软件在大面积地形扫描过程，会受到最大扫描距离、最大扫描俯仰角和景深等条件的制约，所以，需要经多站点扫描、高度制约与测量区域制约等方法来完成虚拟月面地形扫描任务。对于扫描站点分布、位置参数设计及测量参数最大化设计等内容，本文进行了激光雷达软件在大尺寸地形测量中的使用。
1、激光雷达系统的基本特征
1.1综合信息的采集
激光雷达地形测量技术可以采集广泛的信息。经采集与研究各项信息，综合体现出事物的外形，全面体现地理特点，突出事物特征并及时上传这类信息，然后进行统一分析，促使用户获取更多可靠的数据资料。
1.2动态信息的测量
激光雷达系统能通过对指定区间定期反复测量，获得该区域信息的动态变化，支持更多地质工作人员全面掌握该区域的地形情况，由此更顺利的进行测量工作，基于这些功能，用户使用激光雷达系统，清楚了解各流域情况、生态污染和自然灾害的出现，并及时建立出行之有效的处理措施。
2、技术分析
2.1激光发射法
机载、星载系统对负荷的体积、能耗有严格要求，系统运行条件也有独特性，如震动性，温交变大，真空性等，而且地形测量需要激光雷达具备很高的空间辨别率，所以，地形测量激光雷达系统应用中，发射机一定要有高效性以及宽温宽谱，防震，微型化等特征。DPSSL具有固体激光和半导体激光优势，能实现高层重频运行，输电状态好，束散角小，光电变化率高，体极小，质量轻，技术方面也逐渐成熟，是很好的备选方法。
2.2微弱信号测量法
要想采集高精准的测绘数据，激光雷达应当具备更高的检测概率，但盲目增大激光发射功率，必定会造成设备功耗及体积加大，一定要深入研究微弱信号测量方法，能够采取高灵敏性的探测仪，窄带滤光片控制杂散光，脉冲串集聚相关测量等各种方法来加大检测几率。
2.3复合扫描管理方法
于激光雷达系统中，扫描仪的作用是把反射出的激光偏折射于测量空间，并把相应的反射光引入接收光学平台内，扫描到非线性必定会产生图像的扭曲，于星载系统上因测量范围大，反射光较之发射光显得滞后很多，一定要精准管理扫描仪，即首先管理扫描的线性关系，其次是接收扫描光线的瞄准问题。
2.4高速信号分析法
地形测量激光雷达系统需形成精准、清楚的图形，在图像分析方面，需实施多种转变与调整，对扫描成像系统的激光雷达，检测值是逐点的斜向间距，一定要展开一维检测信息向3D图像信息的变化，斜程检测信息向高程信息的转变，多传感器坐标的转变，平台运行造成图像变化变形的调整，检测偏差的调整等等。
3、激光成像雷达于大尺寸地形扫描中的使用
3.1确定扫描方案
3D地形高精准扫描通常采取非接触三维坐标扫描系统，按照原理不同能大体分成空间测角扫描法、模式辨别摄影扫描法与激光扫描方式。空间测角扫描法的取点密度与扫描效率很低，很难用作大尺寸地形检测；模式辨别摄影扫描法的像点配备很困难，扫描面积小、速度迟缓，并极易受到扫描环境光照因素的制约；激光扫描方式的工作范围广、速度快，同时，取点密度大，也很难受到外界环境限制。
虚拟月面地形的专门试验场扫描区是30×30米，扫描精度规定的高度方向是5毫米、水平方向是10×10毫米，试验场光照条件复杂，且需要扫描时间短，所以表适用激光扫描方式。
当前较为完善的激光扫描设备包含Leica Scantation类扫描器、Faro Scene类扫描器、V-ATARS扫描系统和MV330激光雷达扫描软件。本试验采用MV330类别激光雷达软件。
3.2扫描点分布
MV330型雷达系统的扫描距离是1-30米，水平角扫描范围是±180°。扫描检测过程会遇到激光雷达系统最大扫描距离的制约，通常不能一次性实现大尺寸地形扫描工作，要求在扫描过程进行多测点分布扫描[1]。所以，对于大面积地形扫描工作，首先应当在扫描区域边界分布多个扫描站点；再在各站点利用激光雷达软件分别测量相关的地形空间；最后把每个站点的扫描信息在集中的坐标系内实现地形图像拼接。扫描站点的分布需要按照扫描现场的地形状况、激光雷达系统的扫描范围、扫描时间要求等展开科学设计，考虑到扫描的完整性、关键性与迅速性。为达到扫描信息无缝拼接的需要，扫描环节激光雷达邻近的站点距离不得大于两倍的雷达系统最大扫描距离，而且扫描站点分布一定要让激光雷达的扫描范围敷设整个扫描场所。
结合上述内容，对于专项试验区扫描技术要求，通过对比研究后绘制出扫描站点分布，激光雷达逐次于各个站点分别对地形展开“Vision Scan”测量。图上两个红线区最少需要两个扫描站点对其展开扫描，在三个站点扫描完成后，若有需要重新对局部展开补充扫描，主要是坑与石块等集中区。
3.3位置参数确定
激光雷达系统位置参数重点指激光雷达离扫描场所的距离与扫描高度。激光雷达软件属于激光发射式扫描系统，扫描质量和激光发射量呈正比。所以，针对大尺寸平面扫面工作，通过提升激光雷达系统高度（h）能扩大激光雷达对实验区内地形扫描的入射角，进而提升地形地表对雷达的反射量，最终提升扫描质量。但是由于受到激光雷达俯仰方向扫描范围的制约，激光雷达不合适安装在太高位置，防止不能对地形边缘空间展开扫描。激光雷达系统最大扫描距离，及外围场所的大小也限制到激光雷达和地形边界的距离（l）不能太大。在试验过程，把激光雷达安装于可调节的升降车上，结合不同站点的扫描条件，能调节激光雷达高度开展地形扫描工作。
4、结束语
总之，3D激光扫描方法在智能化、远程、大尺寸、非接触、高精准性上具有顯著优势，原来的计量型激光设备主要用作繁琐型面的迅速3D成型扫描和分析，文章首次把高精准性的激光雷达软件使用在大尺寸月面虚拟地形的扫描，从设备分布与扫描参数等方面详细探究了激光雷达软件的技术应用。为得到大尺寸地形区扫描，本文介绍了激光雷达软件的扫描站点分布与位置参数设计，主要分析了在景深条件制约下激光雷达的合理扫描高度与测量宽度，以及为得到最大扫描范围时的测量高度与测量宽度设计。
参考文献：
[1]焦子龙，姜利祥，孙继鹏，黄建国，朱云飞.星载激光雷达系统污染增强损伤效应及防护试验研究[J].航天器环境工程，2017，34（04）：419-423.
[2]邵江锋，华灯鑫，汪丽，王骏，闫庆.全天时瑞利测温紫外高光谱激光雷达系统研究[J/OL].光学学报，2017（06）：1-13[2018-04-09].
[3]李晓龙. 视场可调节海洋激光雷达实验系统研制与ICCD激光荧光实验研究[D].中国海洋大学，2013.
关键词：激光雷达系统；地形扫描；大面积地形
为全面研究与了解月面特殊条件对探测仪测量工作的影响，将进行探测仪在虚拟月面地形环境下的功能、作用专门试验评估研究，以检验其行走、越障和爬坡水平。在探测仪专门试验探究中，首先应当扫描采集虚拟月面地形的图像，由此用作重要的测量方法。
经纬仪扫描系统、全站仪扫描系统、激光追踪扫描系统、信息工字摄影扫描系统和激光扫描测量平台等，在3D地形扫描上具有各自的扫描优点。对于虚拟月面地形扫描面积大、准确度高、光照环境繁琐和扫描时间短等特征，本次试验场地形扫描使用MV330型激光雷达软件。激光雷达软件在大面积地形扫描过程，会受到最大扫描距离、最大扫描俯仰角和景深等条件的制约，所以，需要经多站点扫描、高度制约与测量区域制约等方法来完成虚拟月面地形扫描任务。对于扫描站点分布、位置参数设计及测量参数最大化设计等内容，本文进行了激光雷达软件在大尺寸地形测量中的使用。
1、激光雷达系统的基本特征
1.1综合信息的采集
激光雷达地形测量技术可以采集广泛的信息。经采集与研究各项信息，综合体现出事物的外形，全面体现地理特点，突出事物特征并及时上传这类信息，然后进行统一分析，促使用户获取更多可靠的数据资料。
1.2动态信息的测量
激光雷达系统能通过对指定区间定期反复测量，获得该区域信息的动态变化，支持更多地质工作人员全面掌握该区域的地形情况，由此更顺利的进行测量工作，基于这些功能，用户使用激光雷达系统，清楚了解各流域情况、生态污染和自然灾害的出现，并及时建立出行之有效的处理措施。
2、技术分析
2.1激光发射法
机载、星载系统对负荷的体积、能耗有严格要求，系统运行条件也有独特性，如震动性，温交变大，真空性等，而且地形测量需要激光雷达具备很高的空间辨别率，所以，地形测量激光雷达系统应用中，发射机一定要有高效性以及宽温宽谱，防震，微型化等特征。DPSSL具有固体激光和半导体激光优势，能实现高层重频运行，输电状态好，束散角小，光电变化率高，体极小，质量轻，技术方面也逐渐成熟，是很好的备选方法。
2.2微弱信号测量法
要想采集高精准的测绘数据，激光雷达应当具备更高的检测概率，但盲目增大激光发射功率，必定会造成设备功耗及体积加大，一定要深入研究微弱信号测量方法，能够采取高灵敏性的探测仪，窄带滤光片控制杂散光，脉冲串集聚相关测量等各种方法来加大检测几率。
2.3复合扫描管理方法
于激光雷达系统中，扫描仪的作用是把反射出的激光偏折射于测量空间，并把相应的反射光引入接收光学平台内，扫描到非线性必定会产生图像的扭曲，于星载系统上因测量范围大，反射光较之发射光显得滞后很多，一定要精准管理扫描仪，即首先管理扫描的线性关系，其次是接收扫描光线的瞄准问题。
2.4高速信号分析法
地形测量激光雷达系统需形成精准、清楚的图形，在图像分析方面，需实施多种转变与调整，对扫描成像系统的激光雷达，检测值是逐点的斜向间距，一定要展开一维检测信息向3D图像信息的变化，斜程检测信息向高程信息的转变，多传感器坐标的转变，平台运行造成图像变化变形的调整，检测偏差的调整等等。
3、激光成像雷达于大尺寸地形扫描中的使用
3.1确定扫描方案
3D地形高精准扫描通常采取非接触三维坐标扫描系统，按照原理不同能大体分成空间测角扫描法、模式辨别摄影扫描法与激光扫描方式。空间测角扫描法的取点密度与扫描效率很低，很难用作大尺寸地形检测；模式辨别摄影扫描法的像点配备很困难，扫描面积小、速度迟缓，并极易受到扫描环境光照因素的制约；激光扫描方式的工作范围广、速度快，同时，取点密度大，也很难受到外界环境限制。
虚拟月面地形的专门试验场扫描区是30×30米，扫描精度规定的高度方向是5毫米、水平方向是10×10毫米，试验场光照条件复杂，且需要扫描时间短，所以表适用激光扫描方式。
当前较为完善的激光扫描设备包含Leica Scantation类扫描器、Faro Scene类扫描器、V-ATARS扫描系统和MV330激光雷达扫描软件。本试验采用MV330类别激光雷达软件。
3.2扫描点分布
MV330型雷达系统的扫描距离是1-30米，水平角扫描范围是±180°。扫描检测过程会遇到激光雷达系统最大扫描距离的制约，通常不能一次性实现大尺寸地形扫描工作，要求在扫描过程进行多测点分布扫描[1]。所以，对于大面积地形扫描工作，首先应当在扫描区域边界分布多个扫描站点；再在各站点利用激光雷达软件分别测量相关的地形空间；最后把每个站点的扫描信息在集中的坐标系内实现地形图像拼接。扫描站点的分布需要按照扫描现场的地形状况、激光雷达系统的扫描范围、扫描时间要求等展开科学设计，考虑到扫描的完整性、关键性与迅速性。为达到扫描信息无缝拼接的需要，扫描环节激光雷达邻近的站点距离不得大于两倍的雷达系统最大扫描距离，而且扫描站点分布一定要让激光雷达的扫描范围敷设整个扫描场所。
结合上述内容，对于专项试验区扫描技术要求，通过对比研究后绘制出扫描站点分布，激光雷达逐次于各个站点分别对地形展开“Vision Scan”测量。图上两个红线区最少需要两个扫描站点对其展开扫描，在三个站点扫描完成后，若有需要重新对局部展开补充扫描，主要是坑与石块等集中区。
3.3位置参数确定
激光雷达系统位置参数重点指激光雷达离扫描场所的距离与扫描高度。激光雷达软件属于激光发射式扫描系统，扫描质量和激光发射量呈正比。所以，针对大尺寸平面扫面工作，通过提升激光雷达系统高度（h）能扩大激光雷达对实验区内地形扫描的入射角，进而提升地形地表对雷达的反射量，最终提升扫描质量。但是由于受到激光雷达俯仰方向扫描范围的制约，激光雷达不合适安装在太高位置，防止不能对地形边缘空间展开扫描。激光雷达系统最大扫描距离，及外围场所的大小也限制到激光雷达和地形边界的距离（l）不能太大。在试验过程，把激光雷达安装于可调节的升降车上，结合不同站点的扫描条件，能调节激光雷达高度开展地形扫描工作。
4、结束语
总之，3D激光扫描方法在智能化、远程、大尺寸、非接触、高精准性上具有顯著优势，原来的计量型激光设备主要用作繁琐型面的迅速3D成型扫描和分析，文章首次把高精准性的激光雷达软件使用在大尺寸月面虚拟地形的扫描，从设备分布与扫描参数等方面详细探究了激光雷达软件的技术应用。为得到大尺寸地形区扫描，本文介绍了激光雷达软件的扫描站点分布与位置参数设计，主要分析了在景深条件制约下激光雷达的合理扫描高度与测量宽度，以及为得到最大扫描范围时的测量高度与测量宽度设计。
参考文献：
[1]焦子龙，姜利祥，孙继鹏，黄建国，朱云飞.星载激光雷达系统污染增强损伤效应及防护试验研究[J].航天器环境工程，2017，34（04）：419-423.
[2]邵江锋，华灯鑫，汪丽，王骏，闫庆.全天时瑞利测温紫外高光谱激光雷达系统研究[J/OL].光学学报，2017（06）：1-13[2018-04-09].
[3]李晓龙. 视场可调节海洋激光雷达实验系统研制与ICCD激光荧光实验研究[D].中国海洋大学，2013.