相對于傳統(tǒng)的商業(yè)激光雷達系統(tǒng),基于陣列探測體制的中高空激光雷達高精度測繪技術,是一種新體制的激光雷達成像技術,具有非常重要的軍事意義和實際應用價值。論文立足基于條紋陣列探測的激光三維成像雷達測繪技術的發(fā)展研制,破解新體制激光雷達系統(tǒng)發(fā)展中的關鍵技術,旨在尋求一種系統(tǒng)化的解決方案。論文以實現(xiàn)基于條紋陣列探測體制激光雷達系統(tǒng)完整的體系能力為目標,系統(tǒng)性地對其成像原理及模型構建、誤差分析、設計仿真、系統(tǒng)定標、數(shù)據(jù)濾波處理等相關關鍵技術進行了研究,并通過實驗驗證了相關理論、算法的性能和系統(tǒng)能力。論文的主要工作和創(chuàng)新點如下:1.從攝影測量成果的精度要求出發(fā),針對基于條紋陣列探測的激光三維成像雷達測繪系統(tǒng)的成像原理和技術特點,論述了該激光雷達系統(tǒng)的各種空間坐標系定義及其轉換關系,推導和構建了系統(tǒng)定位的誤差模型,通過仿真量化分析了激光測距誤差、光束指向誤差、大氣影響距離誤差、位置姿態(tài)測量誤差、安置誤差、時間同步誤差和數(shù)據(jù)預處理誤差等誤差源對系統(tǒng)定位精度的影響,給出了誤差分配的結果,確定了系統(tǒng)的總體精度指標,為論文的研究奠定了數(shù)學基礎,為基于條紋陣列探測的激光三維成像雷達測繪系統(tǒng)的發(fā)展研制提供了理論支撐。2.針對中高空測繪性能要求,根據(jù)系統(tǒng)定位誤差模型和激光雷達成像方程,從測繪覆蓋帶寬、點間距、激光掃描速度、激光雷達探測距離與激光能量設計等方面,確定了系統(tǒng)設計所涉及的關鍵參數(shù);基于條紋原理陣列探測器成像原理以及“掃帚”掃描測繪理論,面向總體設計需求,對地面激光點覆蓋性能和平原、丘陵及山地等不同地形條件下的系統(tǒng)定位精度等進行了仿真驗證;通過仿真給出的設計參數(shù),能夠為新體制激光雷達系統(tǒng)的研制提供科學的參考和設計的依據(jù),也為優(yōu)化系統(tǒng)設計提供了一條有效的技術途徑。3.依據(jù)系統(tǒng)仿真和誤差分配的結果,分析了在18km航高實現(xiàn)高精度測繪的技術難度和定標需要解決的問題,針對性地設計和提出了一套中高空機載激光三維成像雷達測繪系統(tǒng)的靜態(tài)定標和動態(tài)定標方案;提出了圓形靜態(tài)定標器與金字塔、人工方形平臺動態(tài)定標器相結合的定標器設計方案,對定標場地選擇、GPS基準站布設、靶標布設和定標飛行航線規(guī)劃等進行了詳細設計;研究和實現(xiàn)了定標處理的相關算法,開展了系統(tǒng)的靜態(tài)定標試驗和動態(tài)飛行試驗,驗證了定標方法的正確性和技術的可行性。4.從基于條紋陣列探測的中高空激光雷達系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的能力需求出發(fā),設計了系統(tǒng)工作流程和數(shù)據(jù)處理流程,確定了系統(tǒng)誤差改正的方案;針對新體制中高空激光雷達,提出了數(shù)據(jù)預處理的方法和技術途徑;推導了基于同平臺GPS/IMU數(shù)據(jù)的三維坐標解算模型,在此基礎上通過激光雷達靜態(tài)幾何校正、動態(tài)幾何校正、大氣影響校正等,對測距值、指向角等進行誤差改正,實現(xiàn)了激光雷達點云數(shù)據(jù)的高精度解算,實驗證明通過預處理解算得到的點云數(shù)據(jù)能夠滿足使用要求。5.在回顧整理目前激光雷達點云濾波算法的基礎上,分析比較了國內外濾波算法成果的特點和局限性;為改進濾波算法對不同地形的適應性,提出了一種自適應的濾波策略;設計了點云自適應濾波的處理流程,通過進行區(qū)域分割和建立綜合濾波模型,采用多元信息作為約束條件的濾波策略進行自適應濾波,并利用Pingel改進的簡單形態(tài)學濾波算法進行了論文綜合濾波模型的構建;設計了激光雷達點云自適應濾波實驗,對論文提出方法濾波結果與人工編輯參考結果、傳統(tǒng)形態(tài)學濾波算法處理結果進行了分析比較,全面驗證了本文提出方法的處理效果和適應性。實驗結果表明,本文提出的策略和方法適用于大數(shù)據(jù)量點云的自動濾波處理,取得了明顯的改進效果,有效降低了濾波II類和總錯誤率,地形重建結果更加符合真實地形情況,具備較高的實用價值。
【學位單位】：戰(zhàn)略支援部隊信息工程大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：P225
【部分圖文】：

圖 1.1 典型機載激光雷達測量系統(tǒng)目前投入商業(yè)運行、發(fā)展較為成熟的機載 LiDAR 系統(tǒng)，都是基于單點掃描體制的系統(tǒng)，國外典型的機載激光雷達地形測繪系統(tǒng)及其主要性能參數(shù)如表 1.1 所示[1-9][35-38][85-91]。

圖 1.2 不同掃描方式地面腳點分布情況（5）國外基于陣列探測體制激光雷達及代表性成果[10-16][25-29] 基于蓋革(Geiger)模式 APD(雪崩光電二極管)陣列激光雷達目前國外新體制激光雷達方面具有代表性的一種是 APD 陣列激光雷達。美國麻省理工學院的林肯國家實驗室率先開展了這種技術的研究，2003 年完成了“Jigsaw”激光雷達

圖 1.5 10 10 多陽級單光子陣列激光雷達點：1）采用 10 10 多陽級 PMT 真空電子倍增探測2）掃描方式上，利用旋轉光楔對實現(xiàn) Z 字掃描（
【參考文獻】

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本文編號：2893523