pos机的系统框图

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1、pos机的系统框图

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博顿导读：

本文对机载激光3D探测成像系统的国内外发展现状进行了总结，并介绍了激光3D成像系统的工作原理，重点对系统的单元关键技术进行了详细的剖析。

机载激光3D探测成像系统集光、机、电技术于一体，从组成上可分为激光测距系统、陀螺稳定平台、GPS/INS(全球定位/惯性导航) 组合导航系统、数据处理与3D显示系统等。对比传统探测载荷系统，机载激光3D探测成像系统具有以下优点：

（1）主动照明，具备全天候能力；

（2）电磁干扰能力强，对背景有极强抑制能力，不易受环境温度及阳光的影响；

（3）抗隐身能力强，能穿透一定的遮蔽物、伪装和掩体；

（4）具有高的距离、角度和速度分辨率，能同时获得目标的多种图像(如距离像、距离-角度像等)，图像信息量丰富，易于目标识别等。

机载激光3D探测成像系统能够快速精确地获得地面的3D测量信息，与有人/无人机平台相结合在地形测绘、森林调查、夜间军事侦察、夜间搜寻与救援、军事伪装识别和水下目标探测诸多领域有着广泛的应用。

国外现状

国外发达国家开展激光成像探测技术的研究较早，目前已经取得了相对丰硕的成果。机载激光3D探测成像系统伴随着激光的问世一同发展。美国麻省理工学院(MIT)的林肯实验室是世界上激光探测成像领域比较前沿的研究中心，其主要从事激光3D成像系统的关键技术及系统技术研究，2004 年已经成功研制出32×32焦平面成像阵列(FPA)激光3D成像系统，该系统采用固体光纤泵浦激光器(530和780nm) ，激光测距频率为8～10 kHz，采取了扫描工作方式来扩大视场角。

美国先进科技公司(Advanced Scientific Con- cepts Inc.) 也公布了激光3D成像雷达的原型样机(图1) ，该样机采用128×128 InGaAs PIN 阵列来实现激光飞行时间的测量。瑞典的 CSEM 开发了另外一种激光3D成像系统 FPA 传感器，并致力于开发一种集成、低功耗、小型化的实时激光3D成像系统，其具有30Hz的成像帧频，124pixel×160 pixel，每个像元均可以通过测量信号(激光调制产生) 的相位差来得到激光的传输时间。目前该系统主要应用于无人车辆成像，测量距离较近。

图1：机载激光3D成像雷达的原型样机

另外，美国雷声公司和洛克希德马丁公司也都致力于下一代无人车激光 3D成像雷达的研究，其采用的面阵雪崩光电二极管(APD)探测器等单元技术均极大地推进了激光3D成像雷达的发展。机载激光3D成像系统不但包括激光3D 成像技术，还包括 INS/GPS 组合导航、陀螺稳定平台、数据的处理与3D显示等技术，其涉及学科更广、技术难度更大。

图2 JIGSAW系统结构图

下面介绍几个国外最新的机载激光3D成像系统：

(1) 小型无人机载激光3D探测成像传感(JIGSAW) 系统

2007 年资料报道的 JIGSAW系统为美国高级防御研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)和美国陆军夜视和电子传感器管理局(The U.S. Army Redcomcerdec Night Vision and Electronic Sensors Directorate，NVESD) 研制的一种集成、轻型的，可以用来对植物遮蔽下的隐秘目标进行成像的激光3D成像系统，旨在得到更高分辨率的成像及对遮蔽物体的识别能力，计划装备于DP-5X 型无人飞机。

系统基本结构如图2所示。JIGSAW 系统可分为平台上系统与平台下系统。30 cm(12 in) 的稳定平台(内含光子计数直接探测型激光3D成像系统、传感器控制电路及热控等) 采用4轴机构，结合 INS/GPS 组合导航系统实现激光3D成像系统视轴的高精度稳定、指向控制与感知。平台下系统包括系统控制器、电源、高速数据处理器和高数数据传输系统(3D图像向地面控制站的实时传输等) 。

(2) 机载激光测深系统(LADS)

2008年的JANE 防务周刊报道了机载激光测深系统(LADS) 。LADS安装在固定翼飞行器上用于探测深海，初期为澳大利亚政府的防务科学与技术部门设计，早于 1998 年已服役。系统参数如表1所示，其基本组成可分为:1) 稳定激光平台(Stabilized laser platform) ：900 Hz的全固态红外激光器安装在稳定平台上，以便隔离机体的俯仰、横滚、航向的姿态运动。2) 机载接连惯导系统：为系统提供重要的位置、姿态基准信息。3) 机载激光控制与数据获取软件与设备：实时记录激光测距信息、精确的位置信息与姿态信息( INS/GPS) 、稳定平台的角度信息等，为地面设备的后处理完成测量数据的收集。

4) 数据处理软件和设备。

表1 系统参数

表2 系统参数

(3) 直升机3D-LZ Imaging LADAR

图3 3D-LZ LADAR系统结构图

(4) 机载对地高分辨详查系统

机载高分辨详查是高分辨缩放技术的基本前提。美国国家生态观测网( National Ecological Ob- servatory Network，NEON) 为了掌握和预测大地气候的变化、土地用途变化、植被生态情况等，研制了适应于低空飞机的遥感详查系统。系统载荷包括高分辨的机载成像光谱仪、机载激光成像系统和高分辨相机，辅助系统包括差分GPS和INS。其激光成像系统的主要指标如表3所示。

表3 系统参数

上面介绍的4个机载激光3D成像系统，由于工作任务的不同技术方案也不尽相同。JIG- SAW 项目的主攻目标是：

（1）研制一种小型、集成、低功耗的3代无人机机载激光3D成像系统。

（2）探讨系统在遮蔽环境下进行目标的识别与探测的可行性。

（3）推进数据的实时传输与处理技术在项目中的应用。

LADS 系统采用特定波长的激光器实现对海洋深度的勘察，更具有大视场范围，并且测量数据为后处理，不要求图像信息的实时传输与处理。直升机 3D-LZ Imaging LADAR 系统成像距离近，在系统稳定平台结构选择上大大简化，直接由INS 惯导系统、激光3D成像系统、扫描系统组成，并必须要求实时图像处理与显示系统。机载对地高分辨详查系统要求得到更加丰富的遥感信息，其激光成像系统要求更高的分辨率，载机工作高度较LADS高，对导航系统、扫描控制系统的要求也更高。

国内现状

国内激光3D探测成像系统(LADAR)研究起步较晚，目前处于前期阶段。主要有: 电子部27所研制的直升机防撞激光3D成像系统，系统采用半导体泵浦的YAG激光器，利用两个谐振镜进行扫描; 华中科技大学研制的海洋探测激光 3D成像系统，系统采用YAG调Q倍频激光器，利用卵形螺旋扫描方式; 哈尔滨工业大学研制的障碍物回避用激光3D成像系统，已研制出实验室样机，采用1.06 μm 半导体泵浦YAG激光器，利用两个谐振镜进行扫描成像，成像速率为7frame/s，帧分辨率为 32 pixel×32 pixel，作用距离为2 km，回波强度等级为16级。整体而言，国内机载激光3D成像系统方面的研究已经取得一定的成果，但与国外相比存在较大差距，相关报道十分有限。

图4 盖革模式APD阵列的激光3D成像雷达原理图

以MIT林肯实验室研制的基于改革模式雪崩光电二极管(APD) 阵列的激光3D成像系统为例，原理如图4所示。高重频脉冲激光发散光束，照明整个欲成像的场景; 反射回的光照射到2D APD 阵列上，APD阵列测得返回的光到达时间，而不是回波强度; 每个像元给出距离值，从而对每一激光脉冲，激光3D成像系统获得角-角-距3D像。

区别于传统光学系统的探测光强，无论是基于焦平面成像(如APD阵列) 还是单像元扫描，激光3D成像系统均是探测每个像元上激光发射到返回的传播时间，结合激光光束的空间指向角信息，形成角-角-距测量数据，进而处理得到 3D图像。机载激光3D成像系统在激光光轴的空间指向控制与获取上与其它激光成像系统区别较大，也是机载成像系统的核心技术难点之一。机载激光3D 成像系统的工作原理如图5所示。

图5 机载激光3D成像系统原理图

机载激光3D成像系统由于测距载体载机自身的运动(质点运动、姿态运动) ，激光测距方向的扫描控制与感知，载机位置姿态的感知(INS/GPS) 都是机载激光3D成像系统的关键技术。全系统关键技术一般可以分为总体关键技术和单元关键技术。由于机载激光3D成像系统分为稳定平台、激光发射/接收测距系统、INS/DGPS组合导航系统等，所以系统必然设计分系统间误差分配、多系统安装误差标定补偿等系统集成的总体关键技术。此外，研制过程中系统的单元技术更为核心，从工作目标上分为激光测距系统、激光光轴控制与指向测量系统、数据图像处理与显示系统。

3.1 激光测距系统

激光测距系统是激光3D成像系统的核心。可以概括为激光光源、探测器(G-APD阵列探测器) 、激光发射/接收光学系统。

3.1.1 激光光源

激光发射系统设计的主要指标有: 发射激光的峰值功率、脉冲宽度、重复频率和发散角等。由激光3D成像系统距离方程可知，APD探测器上接收到的激光回波的峰值功率和发射激光的峰值功率成正比，即发射激光的峰值功率越高，APD探测器上接收到的激光回波的峰值功率也越高，从而作用距离也越远。所以为了提高作用距离，应尽可能采用峰值功率高的激光器。激光脉冲宽度减小有利于提高时刻鉴别精度，有利于减少半导体激光器发热从而能提高重复频率。但激光脉冲宽度越小意味着相应的电信号带宽越宽，从而要求APD探测器、跨阻放大电路和压控放大电路的带宽越宽，半导体激光器的驱动电源输出电流脉冲越窄，所以选择激光脉冲时要综合考虑。作为激光测距系统的关键部件，激光器的选择十分关键。

(1) 半导体激光器

半导体激光器的应用已经覆盖了整个光电子学领域。美国是半导体激光器泵浦技术开发应用较早、进展最快的国家，日本、英国和德国的西门子公司早在 1988～1989 年就提供了高功率半导体激光器系列产品用作泵浦光源，目前国外用半导体激光器叠层阵列泵浦 Nd:YAG 激光器，输出功率可达到1000 W，未来工业和国防应用的半导体激光泵浦技术将产生巨大变革。

二极管激光测距仪开发较早，小于1 km 测量距离的商用测距仪已达到实用水平，用于测距报警系统、航海浮标测距、集装箱检查等。GaAs 激光测距仪以每秒数千次的脉冲重复频率工作，在距离几公里内精度可达几厘米。上世纪80年代，美国科顿公司的M931型半导体激光测距夜视仪将单目夜视装置和 GaAs 半导体激光器集为一体，测程超过1 km，重量为1.3 kg。美国国际激光系统公司的 GR500 型激光测距机，采用GaAs激光器，重复频率为2 kHz，脉宽为40 ns，发散角为5～50 mrad，测程为3230 m，重量为10 kg。美国轻型反坦克武器激光测距机采用 GaAs 激光器，输出功率为40 W，脉宽为70 nm，发射角为10 mrad，重复频率为5. 7 kHz，测距＞500m。随着半导体激光泵浦固体激光器的发展，美国麦道公司已将它引入军用市场，90 年代初开始在 FA－18 战斗机上进行试验，并投入生产。用气冷的激光二极管泵浦 Nd:YAG，输出波长为 1. 064 μm 或532 nm，脉冲能量达200 mJ，工作温度为－35 ℃～+ 60 ℃，该装置的重量为 4.5～5.7 kg。

图6 微片激光器

(2) 微片激光器

美国的林肯实验室已经开发出与3D雷达成像系统高度兼容的尖端激光器，其中用途最多的一种叫做微片激光器，如图6所示。其主要采用ND-YAD泵浦和Cr4+泵浦，被动调Q方式，关键水平在于谐振腔的长度约为1mm，仅支持小于增益带宽的纵向模式激光器。小型激光器的另一个分支技术是它的输出脉冲宽度＜1ns，作为激光3D成像系统最佳的脉冲宽度。

微型激光器发展的目标是增加单一脉冲的输出能量。目前激光器可以达到脉冲重复频率为1kHz，输出能量为250J。而脉冲宽度低于ns量级(380 ps) 的激光器正在研制中。如图7所示，根据微片激光器重复频率和单一脉冲输出能量的经验关系，最高的光子计数效率对应激光器有一个非常高的重复频率。这样一来，单一脉冲能量会非常小，并且主控振荡器的放大率也应该适当对应。在这种情况下，整个系统的主要振荡将来自于微片激光器。

图7 微片激光器的输出性能

3.1.2 直接探测距离的阵列接收技术—G-APD阵列探测器

工作在改革模式下G-APD的反向偏置电压高于雪崩电压。如果接收到一个光子，会发生雪崩现象，使电流达到最大值，这个过程通常是瞬态的(不到 1 ps) 。G-APD阵列探测器兼具单光子探测灵敏度和皮秒级时间分辨率两大特点，适用于对极微弱光目标的 3D 成像探测。同时，G-APD阵列探测器又是一种全固态的光电探测器件，不仅体积小、重量轻、可靠性高，而且还可利用现有的微光电子工艺实现规模化生产。近来，林肯实验室开发了一种32×32 阵列的Si基G-APD探测阵列(如图8所示) 。

鉴于此阵列探测器设计为用于微弱光目标角-角距3D成像，因此各像元电路的功能只为测量光子的到达时间。G-APD的每个像元均采用平面结构。像元光敏面尺寸为30～50 μm，像 元间距为100 μm。每个单元均有相应的电路单元，电路单元是一种数字计时器，具有类似于秒表的功能; 每个像元的计数器均按规定的程序对公共的时钟脉冲计数，只要发现有单光子入射某像元，该像元探测器输出的雪崩电流脉冲就将终止相应计数器单元的计数并保存结果，用于读出。

图8 32×32APD阵列探测器

3.1.3 激光发射/接收光学系统

图9 组合透镜法的激光发射/接受系统光路图

激光3D成像系统，并设计了一套正交光栅衍射分光光学系统。利用伽利略望远镜对532nm 脉冲激光进行准直扩束; 针对APD阵列的特点，使用2D 正交光栅和聚焦透镜对扩束光进行衍射分光，光斑经发射-接收分光镜和发射透镜后照明APD像元的瞬时视场; 利用发射-接收分光镜使发射光路与接收光路分开。

3.2 激光光轴控制与指向测量系统

激光光轴控制与指向测量系统主要由包括INS/GPS 组合导航系统，陀螺稳定平台和激光扫描控制系统等组成。

3.2.1 INS /GPS 组合导航系统

载机的精确位置和姿态是机载激光3D成像系统测量数据的重要组成部分，载机位置姿态的精确测量设备即为INS/GPS组合导航系统。因INS/GPS 组合导航系统的INS 和GPS 均为全球方位、全天候段的导航设备，能提供十分完整的导航数据，可优势互补。

INS 主要具备实时性好、分辨率高、自主性强的优点，但也同时具有误差随时间发散、技术复杂、价格昂贵的缺点。GPS( 或者格洛纳斯、北斗)与INS 相比具有价格低廉、误差不发散、位置精度高的特点，但同时GPS 的实时性、分辨率及自主性较差。

组合导航系统可以综合两种导航系统的优点，结合先进的数据融合滤波技术可以大大提升单系统的能力。区别于传统组合导航系统，成像补偿用组合导航系统精度要求更高，我国在这方面技术差距很大。表4给出了国内外应用于合成孔径雷达(SAR) 成像运动补偿的组合导航系统参数。如加拿大APPLANIX 公司的 SAR 运用挠性陀螺惯性测量单元(IMU)/GPS组合导航系统POS/AV510，POS/AV510应用于美国Sandia 国家实验室研制的Lynx SAR，使Lynx SAR 实现了0. 1m分辨率，具体参数见表 4，其中C/A与DGPS是卫星导航中不同的定位解算方式。

表4 POS/AV510系统参数

表5 SARMC 系统参数

3.2.2 陀螺稳定平台

陀螺稳定平台用以隔离载机的俯仰、横滚、航向姿态运动，为有效载荷( 激光3D成像系统的测距系统) 提供良好的工作环境，针对不同任务需求的激光 3D 成像系统，对陀螺稳定平台的要求也不同。

2.1节提到的直升机激光3D着陆成像系统采用了单轴(俯仰轴) 稳定，并且该俯仰轴集合了俯仰扫描功能，另有摆扫镜进行水平摆扫。采用该结构可以有效降低系统的成本，光轴控制精度满足直升机的工作要求。澳大利亚政府支持的 LADS 系统，激光3D成像系统的测距系统安装在3轴稳定平台中(要求隔离俯仰、横滚、航向运动) ，摆镜为横向摆扫，随着载机的前进推扫成像。

美国的 JIGSAW 系统则采用高精度的 4 轴稳定平台，可在 GPS/INS 组合导航系统的辅助下提供高精度的视轴稳定控制和高精度的激光指向信息测量。而用于航天器的激光3D成像系统，由于航天器的运动姿态稳定，一般激光3D成像系统的测距系统直接捷联安装在载体上，需要根据要求设计摆镜的光轴摆扫方式，可以不用稳定平台。

机载稳定平台的结构形式有别于传统航空吊舱稳定平台的要求，相近于航空相机稳定平台结构，旨在隔离载机的俯仰、横滚运动。航空吊舱中常见的光电陀螺稳定平台形式有: 2轴2框架稳定平台，2轴4框架稳定平台，3轴3框架稳定平台。

3.3 数据图像处理与显示系统

图10 3轴3框架示意图

机载激光3D成像系统测量的数据处理技术涵盖多个方面，包括动态 GPS 数据后处理、INS 和 GPS 组合姿态确定、不同传感器观测值的时间系统同步处理、激光脚点3D坐标计算、坐标系统的变换、系统误差的改正、粗差的剔除、数据的滤波分类，还包括 DEM/DTM 的生成以及后续的地物提取、建筑物3D重建、3D模型建立等高级处理技术。其中激光脚点坐标的计算需要3组数据:系统检校和安置参数、激光测距值及位置和姿态数据。为计算出数字高程模型及地物提取，先将激光脚点数据进行坐标转换，然后进行滤波分类，即地面点与非地面点分开。

通过数据滤波后，能内插生成数字高程模型(DEM) ，以及后续的地物提取、建筑物3D重建、3D模型等高层次处理。在国外，机载激光3D成像系统测量技术已经相当成熟，硬件技术与系统问题研究基本解决，但相应的数据处理的算法还处于前期研究阶段，其中如何消除系统误差对3D激光脚点坐标的影响、激光3D成像系统数据的滤波分类以及地物识别和提取是关键研究内容。目前中国科学院遥感应用研究所采用一种组合CCD图像和稀疏激光测距数据的建筑物3D信息提取的方法。

该方法采用高分辨率的航空CCD图像和机载激光扫描测距数据准确而自动地提取了大部分建筑物的3D信息，并充分考虑了CCD图像的高分辨率特性和激光扫描测距数据的3D特性，做到互相补充。通过CCD图像提取建筑物的轮廓信息，并根据激光测距数据提取建筑物的高度信息，二者结合起来重建了建筑物的 3D 信息。

3.3.2 测量误差处理

机载激光 3D 成像系统的测量误差主要包括: 激光扫描测距误差、GPS 动态定位误差、INS姿态测量误差、动态时延误差、二类高程误差、扫描角误差、激光束发散角所产生的系统误差和系统集成综合误差。为了提高机载激光 3D 成像系统的测量精度，最大可能地降低各种系统误差的影响，通常采用建立误差改正模型、仪器检校和条带平差改正的方法。

3.3.3 数据滤波和分类

从激光脚点数据点云中提取数字地面高程模型(DTM/DEM) ，需要将其中的地物数据脚点去掉，即进行激光3D成像系统的滤波。在进行地物提取和物体的3D重建过程中，植被数据点和人工地物点的区分，以及城市建筑物数据点云的提取，即为激光3D成像系统的数据分类。研究如何从激光数据点云中分离出地形表面激光脚点数据子集，以及区分不同地物激光脚点数据子集，就是数据的滤波和分类，有时滤波和分类是同时进行的。

目前，用于机载激光3D成像系统测量数据滤波的方法多是基于3D激光脚点数据的高程突变信息进行的，大致可以分为形态学滤波法、移动窗口法、高程纹理分析法、迭代线性最小二乘内插法、基于地形坡度滤波等几种方法。但是几乎每种方法都有自身的缺陷，有待改进，有些方法需要分步反复迭代进行。

通常所有的方法都强调高程低的脚点属于地面脚点，高程较高的脚点不在地面上，这样会带来一定的系统误差。所以滤波算法一般采用半自动或人工操作方式，能否设计出一种简单、实用、稳健的滤波算法，是机载激光3D成像系统数据处理中必须解决的关键问题之一。

图11给出的是城区内机载激光3D成像系统数据滤波前后的对比图，结果表明，滤波算法能够优先过滤出大型建筑物。如果要进行地物提取，就必须在滤波的基础上对地物脚点进行分类，以实现机载激光3D成像系统自动提取地面目标。目前绝大多数算法都是先将原始数据直接内插成规则格网的距离图像，在此基础上进行基于高程纹理特征的分类。即利用2D GIS数据进行分类; 基于小波变换和尺度空间理论进行分类以及利用局部直方图分析技术并融合激光强度信息进行分类。

图12是机载激光3D成像系统数据经过滤波分类后的效果图，图中所示的车辆和植被被过滤了，保留了地形的特征线。

图11 数据滤波前后对比图

图12 数据滤波分类效果图

3.3.4 激光回波信号强度与激光脚点高程的融合

机载激光3D成像系统的测量系统不仅能提供数据点的高程信息，且越来越多的系统能够提供激光回波信号的强度信息。激光脉冲达到相同的物质表面时，其回波信号的强度较为接近，而每种物质对激光信号的反射特性是不一样的。利用介质材料的反射率能够确定激光回波的能量值，从而对不同介质材料进行标定，根据这一特点，能够方便地区分不同的地物，如道路、沙石、草地和灌木丛等。

图13右侧为扫描区域真实的相片，左侧为激光3D成像系统数据融合激光强度信息和高程信息进行分类后的效果图。将系统的激光回波信号的强度信息与激光脚点高程信息融合，进而实现数据的分类，能够提高系统对地形的测量精度，目前此问题在国际上还处于研究阶段。

3.3.5 建立3D模型

机载激光3D成像系统技术的发展已有20多年的历史，但利用机载激光 3D 成像系统数据进行3D重建的研究并不多。目前主要有以下几种方法: 1995 年 Weidner等人从高空分辨率的数字表面模型中自动提取规则棱柱形房屋模型; 1999年Haala 等人联合多光谱影像和激光3D成像系统数据进行建筑物和树的模型提取; 1999年 Mass 等人基于分析激光脚点点云的矩不变提出了从机载激光3D成像系统数据中自动提取建筑物模型的方法。

激光脚点数据经过滤波和分类后，形成一系列彼此分开的点群信息标定其地物属性，这样就确定了屋顶激光脚点点集，并采用扫描带法分离出每个建筑物的激光脚点集。

通过分析这些激光脚点间的几何拓扑关系，利用3DHough 变换就能重建出屋顶的表面形态。将分类得到的房屋激光脚点垂直投影到xy平面，这些投影点的几何构形的强度信息与激光脚点高程信息融合，进而实现数据的分类，能够提高系统对地形的测量精度，目前此问题在国际上还处于研究阶段。就反映了建筑的边界、外形、大小、方位等几何参数。

图13 融合强度信息滤波分类结果

机载激光3D成像技术能够提供极高的角分辨率和距离分辨率，还可以合成目标的高分辨率3D图像，而且3D图像的生产周期短，因而在军事（例如导弹的精确制导等） 和民用领域（例如公路铁路勘探等）具有极高的应用价值。除了文中探讨的单元关键技术，还需考虑系统的重量、体积以及成本等多方面因素。机载激光3D成像作为一种新兴技术，具有传统技术无法比拟的优点，必将在未来的国防和国民经济中占有越来越重要的地位。

END

版权说明

内容出处：《中国光学》2011年第3期

版权归《中国光学》编辑部所有

作者：孟庆季，张续严等

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