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激光雷达测量技术及其应用分析

孤身万里游 陈浩 中字

最初出现的激光雷达是把测距作为主要的功能,其具备着高角、高分辨以及高距离的分辨率和抗干扰性强以及全时间的工作能力等优点,使其在很多的领域中都被普遍地使用。通过机载系统在结合定位,能够对地表进行高精度的实时获取。这种搭载式的系统能够穿过部分的树木遮挡,对地表进行直接性的三维信息获取。

1 激光雷达测量系统的组成

激光雷达测量系统主要由硬件和软件组成。其中硬件包括了三维激光扫描器、速度传感器、微机和数据传输装置等。其软件的部分就包含了数据的采集、通讯处理以及三维重建和可视化等方面,这些都是结果性的输出形式。在这其中还有根据其主要的运用领域而拥有不同的软件模块,其中主要的有工程管理、数据采集、三维显示模块等等。数据处理模块是整个系统的核心部分,其主要的功能是对数据进行预先的处理和计算,对检测到的三维信息进行体积的计算和比较等。数据的采集是前期的工作,其主要是对激光测量的数据进行及时的获得,其包含了计算机和激光扫描之间的相互沟通、计算机和传感器之间以及初始数据的存储等方面。而三维现实模块能够为相关的用户提供一个可视化的场景,其中包含了数据的输入以及模型的建设等方面。成果的输出模块是最终的模块,其主要是用报表的形式为用户呈现各种数据资料,其中包含了测量物体的体积、变化量以及报表的输出和生成等。

2 激光扫描测量的关键技术

激光扫描器与距离传感器相结合对对象进行表面形态的测量,这就是激光扫描测量。其通常是经过激光发射器、接收器以及时间计数器等构成。通过激光脉冲发射器,以此驱使一激光二极管进行激光脉冲的发射。接着通过接收透镜对目标的表面进行接收工作,然后再发出相关的信号,形成一种接收性质的信号,使用稳定的石英时钟对发射和接收之间的时间差异进行计算。通过微机对测量的相关资料进行处理,进行显示或者储存等,然后和距离传感器的数据相配,最后通过相关的软件进行处理,获取对象的表面三维坐标,实行各种量算以及立体模型的建设。

机载系统中的激光扫描系统和 DGPS 系统以及INS导系统等结合在一起,激光扫描系统获取地面相关的三维信息,CGPS 系统能够实现动态性的定位,INS 系统是实现姿态参数的测量。而 CCD 相机是对地面的影像进行获取,在地面测量的系统中,把激光扫描测量系统放在固定的平台中,进而让外方位元素中,Y0 以及 Z0 都设置成固定的数值。能够在系统安装的时候在实验室或者现场进行设置和控制,对计算过程进行简化。在具体的堆体体积测量中,其激光扫描测量所收集的数据密度比较大,在实行堆体体积的计算时要对相关的数据进行滤波,以此方式消除掉冗余数据,以便对堆体进行计算。在激光扫描的数据中还存在着一些粗略的差异性,所以在计算前必须要对数据进行滤波,这样才方便计算。数据滤波的计算方式是在系统进行初始数据采集中,数据的收集是一个一个断面的方式实行的,所以初始数据进行滤波也要依据每个断面实行。

3 激光雷达的主要应用研究

激光雷达相对来说具备了很多不可替代的优势,在很多的基础经济建设中比如农林业、水力电力勘察、道路设计以及城市规划等各种领域中已经被普遍的使用。

3.1 激光雷达在军事领域的运用

在军事成像的侦察中,主动式的激光雷达有着很优越的功能,其不但能够获得对象和周边地区的清晰图象,同时还可以获得运动物体的速度以及动向。有些波段的激光雷达目前还可以对隐秘的目标进行侦察。在军事领域中,激光雷达主要有以下几点具体的运用:首先,其能够使用在巡航导弹的研究和导航中。有些国际上的大公司为巡航道道生产了激光雷达以及地形配比系统,这也体现除了激光雷达可以对现在和将来的巡航导弹的瞄准功能进行有效的改变,进而提升了巡航导弹的生存性。此外,在测距的方面也有涉及。其提供各种目标的特点以及相关的信息,进而对各种车辆以及人员进行区分,并且能够对目标实行成像处理,分辨率也很高。其可以为机载武器发射系统作距离数值参考,并且进行瞄准。

3.2 激光雷达在大气环境监测中的运用

激光雷达在大气污染物的分布上也可以进行检测,在低空中存留的大量气溶胶是形成大气污染的主要原因,其测量的原理是让激光雷达发射两种不同波长的光。其中一种波长将其调至和待测物体收纳的波段里,而另一个波长就调至吸收系数小的边翼,然后用高重复的频率把这两种波长进行交替发射到大气,分析这两种波长的回波信号就可以获取测量对象的浓度分布。在气象方面也能够进行主要因素的观察,在大气中对风速、气温以及湿度等相关的气象因素进行测量,这些能够为气象预测提供有力的数据支持。

3.3 激光雷达在测绘中的运用

激光雷达系统可以和定位技术相结合,然后后对地表的三维信息进行高精度的获取,以此方式在城市道路、堤坝以及隧道等方面进行随时的监控以及模型化。这是建设三维城市的主要技术,相对于小的系统能够对人体和各种模具进行三维性的监测,并且还能够用在工程的施工以及物体容积的测定以及交通智能化管理等等。在国际上的很多公司以及研究机构已经对激光雷达的有关技术投入了很多的资金和人力进行研究。很多商业化的公司也陆续的推出了机载测量系统与地表测量系统。机载测量系统是用在对大面积的三维地形数据进行快速的获得,而地面的激光扫描系统则是在空间目标三维重建中有着很大的作用,其主要是在城市三维重建以及局部信息的获取方面。

4 结束语

激光雷达的技术在各个行业的需求中变得愈加成熟,其主要的加护也被提到新的高度,使其更加的精准。在机载激光雷达技术的发展中,有些激光雷达将会具备体积小、质量轻以及激光波长等优点,这也是今后发展的主要趋向。在此项技术中还需要有更多的研究者进行深入的分析,了解其工作的原理,才能够把技术发展得更加成熟和实用。

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