脈沖式機載激光三維成像雷達(dá)發(fā)展與現(xiàn)狀

曾華鋒,王 帥,康麗華,范愛民

(1.華能海南清潔能源分公司,海南 海口 570100;2.航天工程大學(xué)航天信息學(xué)院,北京 101416;3.66444部隊,北京 100042)

1 引 言

在對地偵察、目標(biāo)識別和地形建模等應(yīng)用中,目標(biāo)的三維信息至關(guān)重要。脈沖式激光三維成像系統(tǒng)使用激光器發(fā)射一個短脈沖照射目標(biāo),探測器接收回波信號并處理,得到回波攜帶的目標(biāo)距離信息,最終獲得目標(biāo)的三維圖像。機載激光三維成像是指將激光三維成像系統(tǒng)裝載在機載平臺,根據(jù)獲得的三維圖像判斷成像中心到地面采樣點的相對距離,輔以衛(wèi)星定位及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Inertial Navigation System,INS)等確定飛機的位置和姿態(tài),根據(jù)幾何原理計算出采樣點的三維坐標(biāo),得到地面目標(biāo)的三維圖像,通常具有小型化、低功耗等特點。

脈沖式激光雷達(dá)的測距基本原理是激光器向目標(biāo)發(fā)射一個或一系列激光窄脈沖,系統(tǒng)記錄從發(fā)射激光脈沖經(jīng)目標(biāo)反射后回到探測器的總時間,結(jié)合已知的光在空氣中傳播速度,得到目標(biāo)距離激光雷達(dá)的距離。系統(tǒng)的三維成像距離精度主要受到發(fā)射及回波信號時間提取精度和時間測量精度的限制,水平分辨率則受到掃描點的密集程度(掃描式)或是探測器的像元數(shù)量(閃光式)限制。激光雷達(dá)按照二維圖像獲取方式分類可以分為掃描式和閃光式兩種。

掃描式激光三維成像是指利用激光束對目標(biāo)進(jìn)行單點掃描,并使用單元探測器收集回波信號,結(jié)合光束掃描實現(xiàn)范圍成像,形成目標(biāo)三維點云,圖1即為線性掃描方式工作的原理簡圖[1]。閃光式激光三維成像控制激光束對目標(biāo)進(jìn)行泛光照明,用面陣探測器接收回波,發(fā)射一次激光脈沖即可完成對目標(biāo)的三維成像。

圖1 機載掃描式激光雷達(dá)原理示意圖

機載激光三維成像技術(shù)主要有以下幾個優(yōu)勢:①具備穿透偽裝網(wǎng)及樹林等稀疏障礙成像的能力；②不易受到日光或夜間影響,具備全天時工作能力；③不需要地面控制點配合；④成像效率高,更新周期短；⑤抗電磁干擾能力強；⑥能夠與可見光或紅外圖像互補融合,全方位獲取地面目標(biāo)信息。脈沖式機載激光三維成像具有原理簡單、性能穩(wěn)定、工作高度范圍廣等優(yōu)勢,有效提高了對地面目標(biāo)的探測和識別能力,在軍事偵察、大面積三維地形測繪、地形導(dǎo)航及電力巡線等方面有廣泛的應(yīng)用前景。論文分為國外機載激光三維成像系統(tǒng)發(fā)展與研究現(xiàn)狀和國內(nèi)機載激光雷達(dá)研究現(xiàn)狀分別綜述。

2 國外機載激光三維成像系統(tǒng)發(fā)展與研究現(xiàn)狀

2.1 掃描式機載激光三維成像系統(tǒng)

從20世紀(jì)80年代開始,歐美國家進(jìn)行了大量掃描式機載激光三維成像系統(tǒng)的設(shè)計和相關(guān)實驗。美國的NASA、荷蘭的代爾夫特理工大學(xué)、加拿大的卡爾加里大學(xué)、日本的東京大學(xué)等機構(gòu)均針對不同應(yīng)用需求設(shè)計了相應(yīng)的機載激光三維成像系統(tǒng)[2]。目前,掃描式機載激光雷達(dá)技術(shù)已較為成熟,有大量商業(yè)應(yīng)用。

加拿大的Optech公司在美國海軍的資助下開展了SHOALS系列高精度機載激光雷達(dá)的設(shè)計[3],其中最新設(shè)計的SHOALS 3000具備海洋測深和地形測繪兩種模式,主要用于海岸線測繪等。在地形測繪模式時,其激光器重頻為20 kHz,工作高度為300～1000 m,距離分辨率為25 cm,水平分辨率為2 m。在海洋測深模式時,采用雙波長激光器,重頻為3 kHz,工作高度為300～400 m,最大探測深度為50 m。系統(tǒng)總載荷質(zhì)量為217 kg,其實物圖和對海岸線獲取的三維圖像如圖2所示,可以看出其具備水下地形探測的能力。

圖2 SHOALS 3000激光雷達(dá)實物圖及數(shù)字地形圖

該公司的ALTM Gemini同樣較具代表意義。系統(tǒng)采用連續(xù)的多脈沖激光技術(shù),激光器發(fā)射兩束或兩束以上的激光,采用探測器分別接收,克服了激光飛行時間對激光幀頻的影響,使得成像速率提高了一倍。系統(tǒng)工作高度為150～4000 m,距離分辨率為5～30 cm,水平分辨率為工作高度的1/5500,激光器重頻為33～167 kHz,視場角為0～50°,幀頻為0～70 Hz。系統(tǒng)實物圖及獲取的地面三維圖像如圖3所示。

圖3 ALTM Gemini激光雷達(dá)實物圖及數(shù)字地形圖

針對高自動化應(yīng)用場景,Optech公司設(shè)計了Eclipse機載激光三維成像系統(tǒng)[4],使得采集工作能夠自動完成,無需人工干預(yù)。系統(tǒng)采用1550 nm激光,重頻為300 kHz,在場景反射率大于20 %時,有效工作范圍為50～1000 m,水平分辨率優(yōu)于7 cm,在500 m高度的距離分辨率為8 cm,視場角為60°,系統(tǒng)搭載了與激光三維成像系統(tǒng)共視場的RGB相機,像元數(shù)量為6600×4400。系統(tǒng)傳感器兩個部分尺寸分別為355 mm×328 mm×290 mm和167×110 mm×100 mm,控制器尺寸為470 mm×880 mm×300 mm,質(zhì)量約為36.5 kg。系統(tǒng)及其掛載在直升機如圖4所示。

(a)系統(tǒng)樣機 (b)系統(tǒng)掛載在直升機上

針對飛行高度對三維點云質(zhì)量的影響,Optech公司設(shè)計了Galaxy[5]機載激光三維成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備高效率寬視場采集能力,且能夠根據(jù)飛機與地面之間的相對高度動態(tài)控制視場角,以保證掃描寬度和點云密度固定。如圖5所示,傳統(tǒng)機載激光雷達(dá)視場角固定,在采集山頂和山谷時地面場景視場大小與點云采樣密度是不同的,而Galaxy通過可變視場角解決了這一問題。系統(tǒng)采用1064 nm激光器,重頻為50～1000 kHz,掃描頻率為每秒0-240掃描線,光束發(fā)散角為0.25 mrad,視場角為10～60°,工作高度為150～6000 m,測距精度隨高度不同為0.03～0.25 m,傳感器尺寸為0.34 m×0.34 m×0.25 m,質(zhì)量為27 kg,傳感器及其成像結(jié)果如圖6所示。

圖6 Galaxy激光三維成像系統(tǒng)傳感器與成像結(jié)果

圖5 Galaxy與傳統(tǒng)機載激光掃描足跡的差別示意圖

荷蘭Fugro公司針對低空高分辨率三維成像應(yīng)用設(shè)計了FLI-MAP 400機載激光三維成像系統(tǒng)[6-7]。該系統(tǒng)具備三維圖像與RGB彩色圖像融合功能,激光器重頻為150 kHz～250 kHz,工作高度為50～900 m,距離分辨率為5 cm,水平分辨率為8 cm,在100 m的高度上,點云密度為70 points/m2。如圖7為FLI-MAP 400系統(tǒng)對大橋的三維成像結(jié)果,其三維圖像中融合了彩色信息。

圖7 FLI-MAP 400激光雷達(dá)對大橋成像結(jié)果

針對激光三維成像輔助降落的應(yīng)用需求,美國空軍研究實驗室(Air Force Research Laboratory,簡稱AFRL)主導(dǎo)研制了3D-LZ激光三維成像系統(tǒng)。如圖8為3D-LZ掛載在EH-60直升機上完成了輔助降落實驗[8]。系統(tǒng)采用了紅外波段1550 nm的光纖激光器,接收探測器為APD,通過轉(zhuǎn)鏡掃描,視場角為30°×60°,最大工作高度為610 m,距離分辨率為1 cm,水平分辨率為1 mrad。該系統(tǒng)借助激光雷達(dá)的三維成像功能,能夠有效應(yīng)對揚塵及燈火管制等情況,輔助直升機駕駛員避開地面的障礙物。

圖8 3D-LZ在嚴(yán)重?fù)P塵的環(huán)境下輔助降落

美國塔斯馬尼亞大學(xué)(University of Tasmania)Wallace等[9]采用Ibeo公司的LUX激光三維成像系統(tǒng)搭載在無人機上成功進(jìn)行了對地三維成像實驗,系統(tǒng)采用4條平行線掃描方式,激光波長為905 nm,激光發(fā)散角為0.08°,視場角為110°×3.2°,采樣率為22 kpoints/s,工作高度為200 m,距離分辨率為0.1 m,質(zhì)量為1 kg。系統(tǒng)搭載在無人機平臺工作時如圖9所示。

圖9 無人機載平臺激光三維成像系統(tǒng)

美國Vescent Photonics公司的Davis等[10]針對機載平臺對載荷的小型化、低功耗要求,設(shè)計了一種全固態(tài)激光三維成像系統(tǒng),該系統(tǒng)采用液晶雙折射效應(yīng)調(diào)制相位實現(xiàn)光束指向控制,在小型化、低功耗的同時避免了機械共振和掃描慣性延遲等問題,系統(tǒng)激光器重頻為50 kHz,掃描控制精度為 (6×10-4)°,單脈沖能量為1 mJ,光束直徑為2 mm,工作高度為100 m,幀頻為2幀/s,視場角為20°×5°,體積為1 L,功耗小于20 W,質(zhì)量小于1 kg。系統(tǒng)實物如圖10所示。

圖10 相控掃描激光三維成像系統(tǒng)

此外,還有奧地利Riegl公司、德國Leica公司、美國Phonix公司[11]等也設(shè)計了各具特色的激光三維成像系統(tǒng)。綜上可以看出,掃描式激光雷達(dá)技術(shù)成熟,已經(jīng)很好地實現(xiàn)了商業(yè)化,能夠針對多種場景完成水底測深、彩色信息融合以及實時三維成像等工作。但是由于受到激光器單脈沖能量和激光器重頻這一對矛盾參數(shù)的限制,很難在成像幀頻和成像距離上有所突破。

2.2 閃光式機載激光雷達(dá)

國外閃光式機載激光雷達(dá)研究起步較早,并且借助于探測器工藝的先進(jìn)性,取得了較大的進(jìn)展。

2005年,美國麻省理工林肯實驗室(MIT Lincoln Laboratory,MIT/LL)的Richard Heinrichs等[12]成功研制Jigsaw激光三維成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)由DARPA資助,目的是具備一定的穿透障礙能力的低空成像偵察。系統(tǒng)采用激光器波長為532 nm,重頻為16 kHz,脈寬為300 ps；接收光學(xué)系統(tǒng)孔徑為75 mm,焦距為300 mm；探測器為32×32蓋革APD陣列[13],視場角為10.1 mrad,在150 m的距離上,水平精度為5 cm,距離精度為40 cm。系統(tǒng)裝載在UH-1直升機上,在100 m高度對地面隱蔽目標(biāo)成像的結(jié)果如圖11所示。

圖11 Jigsaw外場實驗結(jié)果圖

2010年,MIT/LL的Robert Knowlton等[14]成功研制了機載雷達(dá)成像研究試驗臺系統(tǒng)(Airborne Ladar Imaging Research Testbed,ALIRT),該項目由美國空軍資助。如圖12所示,系統(tǒng)掛載在噴氣式飛機,對地面三維成像的同時融合GPS/IMU信息,實現(xiàn)對地面的偵察與測繪。系統(tǒng)探測器是32×128的InP/InGaAsP蓋革APD,激光器工作波長為1500 nm,能夠全天時在3 km高空對地面進(jìn)行2000 km2/h的快速三維成像,距離精度為0.3 m,成像實驗結(jié)果如圖13所示。

圖12 MIT/LL設(shè)計的ALIRT激光雷達(dá)

圖13 MIT/LL設(shè)計的ALIRT激光雷達(dá)對地成像結(jié)果

2010年,由美國DARPA主導(dǎo)研制的高空雷達(dá)實驗系統(tǒng)(High-Altitude LIDAR Operations Experiment,HALOE)作為戰(zhàn)場信息支援單位部署在阿富汗,并成功完成任務(wù)。其采用蓋革APD陣列,可以對小于10個光子的回波信號響應(yīng)。得益于高靈敏度面陣探測器的使用,系統(tǒng)掛載在WB-57等固定翼飛機上,能夠在90天內(nèi)完成50 %的阿富汗境內(nèi)三維數(shù)字地形圖繪制,且距離精度優(yōu)于15 cm,而以往的掃描式雷達(dá)完成此項工作通常需要30年,如圖14為HALOE系統(tǒng)獲得的地面三維數(shù)字地形圖[15]。2016年,美國陸軍研究院(the Army Research Laboratory)與Scitor公司達(dá)成合作,在HALOE基礎(chǔ)上研發(fā)高靈敏度機載三維成像系統(tǒng),以借助機載平臺高度優(yōu)勢快速完成大面積區(qū)域三維地圖繪制工作。

圖14 HALOE系統(tǒng)在阿富汗獲得的地面三維圖像

JIGSAW、ALIRT、HALOE構(gòu)成了低、中、高空覆蓋的機載激光三維成像系統(tǒng),滿足了軍事應(yīng)用需求。此后,DARPA促成了蓋革APD陣列技術(shù)由MIT/LL向Princeton Lightwave公司、Boeing Spectrolab、哈瑞斯公司(Harris Corporation)的轉(zhuǎn)讓[16],推進(jìn)了以蓋革APD陣列為傳感器的激光三維成像系統(tǒng)的商業(yè)化應(yīng)用。

美國先進(jìn)科技概念公司(Advanced Scientific Concepts Inc.,簡稱ASC)采用線性APD陣列作為探測器,在2006年成功研制了如圖15所示的機載激光雷達(dá)系統(tǒng)[17]。其設(shè)計目的是掛載在無人機上進(jìn)行地形圖繪制,設(shè)計體積不大于0.3 m3,設(shè)計重量為22.7 kg(含GPS及INS),對地三維成像能力為350 km2/h,且具備實時三維成像能力。系統(tǒng)采用激光波長為1570 nm,脈寬為5 ns,單脈沖能量為2.5～7 mJ；探測器為128×128的線性InGaAs APD陣列,對400 m以外正在飛行的直升機成像結(jié)果如圖15所示,從其對螺旋槳清晰成像可以看出其具備高速運動目標(biāo)成像能力。其在300 m高度對地面車輛成像結(jié)果如圖16所示。

圖16 ASC公司機載激光雷達(dá)樣機對地面成像結(jié)果

圖15 ASC公司機載激光雷達(dá)樣機及其成像結(jié)果

2010年,美國Ball Aerospace公司[18-19]研發(fā)了TotalSight激光三維成像系統(tǒng),如圖17所示。該系統(tǒng)具備實時生成彩色三維圖像的能力,能夠結(jié)合GPS及慣導(dǎo)技術(shù),使用多幀圖像對感興趣區(qū)域進(jìn)行圖像拼接。系統(tǒng)最大工作高度大于1800 m,成像幀頻為30 f/s,其在800 m高空機載平臺上對地觀測實驗結(jié)果如圖18所示。

圖17 美國BALL公司設(shè)計的TotalSight激光雷達(dá)

圖18 TotalSight在機載平臺拼接后生成的彩色高程圖

隨著技術(shù)的成熟,美國的Princeton Lightwave和Boeing Spectrolab已經(jīng)推出了分辨率為32×32,波長為1064 nm/1550 nm的商業(yè)化激光雷達(dá)?？梢钥闯?相比于掃描式機載激光雷達(dá),閃光式機載激光雷達(dá)在成像分辨率、成像速率、體積、重量等方面有著明顯的優(yōu)勢,并且具備掛載在無人機平臺的潛質(zhì),有著廣闊的軍事應(yīng)用前景。

3 國內(nèi)機載激光雷達(dá)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)激光雷達(dá)硬件研制相對國外的研究而言起步較晚,但是發(fā)展速度較快。

1999年,中科院上海技術(shù)物理研究所研制了ASLRIS激光雷達(dá)系統(tǒng)[20]。系統(tǒng)的瞬時視場為3 mrad,總視場為0.3 rad,激光器重頻為1280 Hz,飛行高度大于600 m,距離分辨率為10 cm,水平分辨率為5 m,采用該系統(tǒng)對澳門地區(qū)采集的三維圖像如圖19所示。2007年,該所成功設(shè)計了性能更好的機載激光雷達(dá),距離精度為35 cm,強度動態(tài)范圍為8 bit,視場角為±25°,最大掃描頻率為50 Hz,方位角測量精度為0.5 mrad。

圖19 ASLRIS激光雷達(dá)獲取的澳門地區(qū)地形圖

2007年,山東科技大學(xué)的程壘等[21]在天津市進(jìn)行了其設(shè)計的AOE-a120激光雷達(dá)系統(tǒng)的首次飛行試驗,試飛覆蓋面積約為100 km2。系統(tǒng)搭載在運12固定翼飛機上,如圖20所示。系統(tǒng)設(shè)計航高為600 m和1100 m,在600 m航高的情況下,飛行速度為200 km/h,設(shè)計地面點距為1.1×0.8 m,掃描角度為40°,掃描頻率為24 Hz,激光器重頻為40 kHz。系統(tǒng)對地面某立交橋得到的三維圖像如圖21所示。

圖21 AOE-a120對地面立交橋得到的三維圖像

圖20 機載AOE-a120系統(tǒng)

2012年,桂林理工大學(xué)的周國清等[22]為了實現(xiàn)輕量化的目的,設(shè)計了一種閃光式機載激光三維成像系統(tǒng),系統(tǒng)采用APD陣列作為探測器,預(yù)期在300 m的工作高度實現(xiàn)4.5 m的空間分辨率。2015年,周國清等[23]完成了無人機載平臺激光三維成像系統(tǒng)的室內(nèi)驗證實驗,在15 m的距離下,其測距精度優(yōu)于11 cm,25路之間的不一致性標(biāo)準(zhǔn)差小于4.5 cm。系統(tǒng)采用波長為905 nm,重頻為25 kHz的激光器,脈寬為8 ns,峰值功率為220 W,單脈沖能量為1760 nJ。

2013年,中科院光電研究院的李孟麟等[24]為了提高機載激光三維成像系統(tǒng)的掃描效率和點云密度,設(shè)計了雙通道機載三維成像系統(tǒng),系統(tǒng)采用兩套獨立激光測距分系統(tǒng)通過調(diào)整激光發(fā)射與接收單元的位置角度實現(xiàn)隔離,因此每次掃描能夠得到目標(biāo)場景中兩個點的位置信息。實驗證明,該系統(tǒng)在500 m的工作高度范圍內(nèi)能夠有效提高點云密度。2015年,李孟麟等[25]以小型化和輕量化為目標(biāo)設(shè)計了機載激光三維成像系統(tǒng),系統(tǒng)采用四面棱鏡作為掃描部件,掃描頻率大于100 kHz,采用光纖激光器作為光源,在293 m高度時距離精度為18 mm,該系統(tǒng)在800 m高度對地面三維成像的結(jié)果如圖22(a)所示,在100 m高度對地面電力線勘察結(jié)果如圖22(b)所示。

圖22 系統(tǒng)在不同工作高度三維成像結(jié)果

2016年,哈爾濱工業(yè)大學(xué)的于方磊等[26]針對機載三維成像系統(tǒng)中飛行高度與高數(shù)據(jù)率的矛盾,研究了機載單光子激光三維成像系統(tǒng),設(shè)計了地面原理樣機。同年,通課題組的葉光超等[27]以條紋陣列為探測器設(shè)計了機載激光三維成像系統(tǒng),該系統(tǒng)采用掃帚式掃描體制,在3000 m和5800 m飛行高度下平定位精度分別為0.24 m和0.46 m,距離精度分別為0.11 m和0.16 m,能夠在2 min 13 s完成30 km2的三維成像任務(wù),其在3000 m和5800 m高度的三維成像結(jié)果如圖23所示。

圖23 影像與三維成像結(jié)果

2017年,中科院上海技物所的李銘等[28]采用單光子探測及光纖光學(xué)技術(shù)等方法,設(shè)計了多波束光子計數(shù)激光雷達(dá),在保證采樣率的同時降低了系統(tǒng)功率、體積和重量。系統(tǒng)視場角為100 mrad,最大工作高度為3 km,在1500 m高度的距離精度優(yōu)于0.35 m,激光器波長為1064 nm,單脈沖能量約為1.4 uJ,系統(tǒng)安裝在運12平臺如圖24所示。

圖24 激光三維成像系統(tǒng)安裝在運12平臺

2017年,中科院上海光機所的賀巖等[29]完成了Mapper 5000機載激光三維成像系統(tǒng)在南海的測試。系統(tǒng)采用雙波長激光三維成像原理實現(xiàn)了海陸一體化測繪,對海水最大成像深度為51 m,最小深度為0.25 m,測距精度為0.23 m,水平精度為0.26 m,對海水三維成像時水平分辨率為1.1 m,對陸地三維成像時水平分辨率為0.25 m。系統(tǒng)裝載在運12上，如圖25所示。

圖25 Mapper 5000

2018年,中科院光電研究院的李偉等[30]提出一種針對復(fù)雜地形條件下電力巡線的無人機載平臺激光三維成像系統(tǒng),該系統(tǒng)采用激光器波長為905 nm,距離分辨率為4 cm,成像距離為200 m,視場角為110°,采樣率為40 kpoints/s,角分辨率為0.125°,功耗為13 W,質(zhì)量為4 kg。系統(tǒng)成功進(jìn)行了外場試驗,飛行高度為80～140 m,成像范圍為輸電線路兩側(cè)30 m帶狀區(qū)域,圖26是完成濾波與目標(biāo)分類后的三維成像結(jié)果。

圖26 針對電力巡線的無人機載三維成像系統(tǒng)

此外,中國科技大學(xué)、海軍海洋測繪研究院等相關(guān)機構(gòu)都在掃描式機載激光雷達(dá)方向展開了研究。

4 總 結(jié)

可以看出,機載激光三維成像系統(tǒng)在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用需求日益漸增,在目標(biāo)的成像探測、戰(zhàn)場態(tài)勢圖實時繪制及反偽裝偵察等應(yīng)用中前景廣闊。

目前掃描式機載激光三維成像技術(shù)已經(jīng)較為成熟,能夠滿足地形測繪、目標(biāo)識別及輔助著陸等多種需求。商業(yè)用途的掃描式激光雷達(dá)可以采用低靈敏度傳感器,結(jié)合多次掃描得到密集的點云,但是在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用中,尤其是戰(zhàn)場精確偵察和戰(zhàn)場實時態(tài)勢感知,激光三維成像系統(tǒng)必須在盡量少的飛行時間中得到滿足需要的點云密度,需要更高的三維成像精度與效率,閃光式機載激光雷達(dá)能夠更好地滿足這些需求。同時,閃光式機載激光雷達(dá)由于工作距離較高,具備更好的生存能力；且在進(jìn)一步小型化的基礎(chǔ)上,能夠掛載在無人機系統(tǒng)上完成軍事偵察任務(wù)。因此,目前國外軍事用途的機載激光雷達(dá)研究多集中在閃光式激光雷達(dá)方向,且有持續(xù)升溫的趨勢。