環(huán)形旋轉(zhuǎn)陣列式機(jī)載激光雷達(dá)研究及應(yīng)用

楊濤濤

（甘肅智通科技工程檢測咨詢有限公司，蘭州 730050）

1 引言

目前，國外已將機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)運(yùn)用于日常地表環(huán)境的各項監(jiān)測當(dāng)中。美國國家生態(tài)觀測網(wǎng)NEON 使用的Airborne LiDAR 就是運(yùn)用機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)來掃描地物、植被等，對其數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)研究，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在國外已大規(guī)模應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集。

與國外相比，國內(nèi)在激光雷達(dá)技術(shù)方面經(jīng)過幾十年的不斷研究、不斷創(chuàng)新，激光雷達(dá)技術(shù)逐步實現(xiàn)了跨越式的發(fā)展。2007年，我國發(fā)射的“嫦娥一號”探測衛(wèi)星搭載激光高度計，用以獲取月球表面高度數(shù)據(jù)；2012年，北京遙測技術(shù)研究所突破各種技術(shù)難題，研制出領(lǐng)先世界各國的大氣探測激光雷達(dá)系統(tǒng)。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)作為一種新興的對地觀測技術(shù)，因其具有速度快、精度高、信息豐富等特點，為地表三維信息的快速獲取提供了一種全新的技術(shù)手段，已廣泛應(yīng)用于國土資源調(diào)查、地形測量、林業(yè)、災(zāi)害評估等領(lǐng)域。

在隧道工程方面，目前主要的連續(xù)檢測儀器有地質(zhì)雷達(dá)、三維激光斷面儀及全站儀等，可實現(xiàn)相關(guān)項目檢測的連續(xù)性，但適用性不強(qiáng)。地質(zhì)雷達(dá)檢測中測線的布置有限，三維激光斷面儀、全站儀實現(xiàn)的連續(xù)數(shù)據(jù)檢測需耗費(fèi)極大的社會資源。在連續(xù)檢測方面，上述儀器只適用于直線特定檢測區(qū)域的檢測，不能用于帶有曲線性質(zhì)的檢測，尤其在路線緩和曲線處或轉(zhuǎn)折處，檢測數(shù)據(jù)誤差較大，不能真實反映具體點位的三維空間坐標(biāo)位置，實用性不強(qiáng)。隨著我國相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的飛躍式發(fā)展，亟待研制出一種可用于目標(biāo)體三維連續(xù)檢測的智能化數(shù)據(jù)采集、傳輸及處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單點多通道二維平面精確檢測，設(shè)計采取機(jī)載行進(jìn)的方式，實現(xiàn)了從傳統(tǒng)單點、單平面向多點、三維的檢測方式跨越，實現(xiàn)了單次檢測所有適用項目，可應(yīng)用于隧道工程、橋梁工程、路面工程、交安綠化工程、邊坡工程以及養(yǎng)護(hù)監(jiān)測等。這對目前檢測行業(yè)將是質(zhì)的飛躍，創(chuàng)新出了一種獨特的檢測方式，徹底擺脫了傳統(tǒng)檢測的各種環(huán)境及地形限制，真正實現(xiàn)全領(lǐng)域檢測適用性。

2 研究內(nèi)容與方案

2.1 研究內(nèi)容

環(huán)形旋轉(zhuǎn)陣列式機(jī)載激光雷達(dá)檢測一體化系統(tǒng)，是基于激光測距和激光雷達(dá)技術(shù)的融合技術(shù)，利用了激光測距原理，參考了激光雷達(dá)的陣列采集技術(shù)，自主設(shè)計環(huán)形旋轉(zhuǎn)陣列式激光布置，創(chuàng)新出的一種集激光掃描測距系統(tǒng)LRF、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS、高精度動態(tài)載體姿態(tài)測量系統(tǒng)IMU 于一體的綜合檢測系統(tǒng)。

環(huán)形旋轉(zhuǎn)陣列式機(jī)載激光雷達(dá)檢測一體化系統(tǒng)是以激光測距為基礎(chǔ)的測量系統(tǒng)，研究采用無人機(jī)對地面沿路線前進(jìn)方向進(jìn)行環(huán)向旋轉(zhuǎn)掃描，記錄被測點三維坐標(biāo)、距離，生成連續(xù)、高精度的激光點陣三維數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)處理后得到被測物的高程、厚度、輪廓信息，用以計算工程中各項檢測參數(shù)，達(dá)到縱向、環(huán)向連續(xù)的三維檢測數(shù)據(jù)（見圖1）。

圖1 環(huán)形旋轉(zhuǎn)陣列式機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)技術(shù)集成圖

2.2 研究方案

2.2.1 系統(tǒng)組成及功能

系統(tǒng)主要由激光測距系統(tǒng)LRF（見圖2）、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS、高精度動態(tài)載體姿態(tài)測量系統(tǒng)IMU、環(huán)形旋轉(zhuǎn)陣列系統(tǒng)CR（見圖3）、機(jī)載系統(tǒng)以及傳輸處理系統(tǒng)組成。激光測距系統(tǒng)包括測距單元和控制單元，主要用于檢測頻率控制、距離測量；衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與高精度動態(tài)載體姿態(tài)測量系統(tǒng)主要用于測定激光在空中的位置及機(jī)載系統(tǒng)的飛行姿態(tài)，用于坐標(biāo)定位校正控制；環(huán)形旋轉(zhuǎn)陣列系統(tǒng)主要用于控制激光測距系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)角度；機(jī)載系統(tǒng)主要用于航點及航向規(guī)劃；傳輸控制系統(tǒng)用于快速存儲激光測距獲取的各項原始數(shù)據(jù)。多套系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合有利于根據(jù)載具的位置反算出激光點陣的精確三維坐標(biāo)。

圖2 激光測距系統(tǒng)環(huán)形陣列發(fā)射裝置效果圖

圖3 環(huán)形旋轉(zhuǎn)陣列控制系統(tǒng)設(shè)計模型效果圖

2.2.2 系統(tǒng)工作原理

環(huán)形旋轉(zhuǎn)陣列式機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)采用激光器作為發(fā)射單元，環(huán)形旋轉(zhuǎn)陣列系統(tǒng)控制一定夾角的激光光束射向目標(biāo)體，同時，記錄激光發(fā)射時刻的發(fā)射坐標(biāo)、發(fā)射角度等信息。GNSS 系統(tǒng)、IMU 系統(tǒng)安置在機(jī)載平臺上，激光環(huán)形陣列排布方向與飛行方向垂直。工作時系統(tǒng)以固定頻率向環(huán)形垂直平面發(fā)射激光脈沖，更精確測量時可控制旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，以更小的發(fā)射角度多次測量數(shù)據(jù)。每次接收到垂直于飛行方向的多個目標(biāo)點的距離、角度信息。當(dāng)機(jī)載平臺沿飛行方向前進(jìn)時，即可獲得連續(xù)的激光點位數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)采用固聯(lián)的IMU 系統(tǒng)測量機(jī)載平臺姿態(tài)，其慣性導(dǎo)航單元IMU 用于測定飛行平臺在空間的姿態(tài)參數(shù)，其姿態(tài)參數(shù)主要有側(cè)滾角、俯仰角和航向角等。GNSS 系統(tǒng)提供飛行平臺的三維坐標(biāo)信息，發(fā)射系統(tǒng)的坐標(biāo)根據(jù)GNSS 系統(tǒng)的坐標(biāo)經(jīng)IMU 系統(tǒng)校正后可準(zhǔn)確獲得。機(jī)載環(huán)形旋轉(zhuǎn)陣列激光在連續(xù)飛行期間以固定頻率發(fā)射、接收目標(biāo)點的距離及角度信息，采用高功率的激光單元，可獲得毫米級的測量數(shù)據(jù)（見圖4）[1]。

圖4 環(huán)形旋轉(zhuǎn)陣列式激光雷達(dá)檢測系統(tǒng)檢測模型效果圖

①激光掃描坐標(biāo)系L-XYZ。原點L 為激光發(fā)射原點；X軸指向飛行平面方向；Y 軸指向載具右翼，與X 軸垂直；Z 軸指向重力反方向；環(huán)向旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)設(shè)置在YZ 環(huán)向平面內(nèi)。

②IMU 坐標(biāo)系I-XYZ。坐標(biāo)系按慣性平臺內(nèi)部坐標(biāo)系定義，原點I 位于IMU 的參考中心；X 軸指向機(jī)身縱軸朝飛機(jī)前進(jìn)方向；Y 軸垂直于X 軸，并指向飛機(jī)左翼；Z 軸垂直向下。

③導(dǎo)航坐標(biāo)系G-XYZ。依據(jù)GNSS 系統(tǒng)提供的三維坐標(biāo)進(jìn)行相關(guān)計算。若空間有一向量S，其模為|S|（激光測距系統(tǒng)采集的距離數(shù)據(jù)），方向為L-XYZ 的方向結(jié)合環(huán)形旋轉(zhuǎn)陣列系統(tǒng)的激光角度信息計算得到，如能測出該向量起點LS 的坐標(biāo)XYZ，則目標(biāo)點XYZ 可唯一確定。研究系統(tǒng)直接獲取的是激光測距信息，不能直接形成三維數(shù)據(jù)，因此，需要通過三維數(shù)據(jù)處理，將每個激光點的發(fā)射角及測距值求解為坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)。對機(jī)載系統(tǒng)來說，起點LS 為激光信號發(fā)射點，其坐標(biāo)可通過機(jī)載GNSS 系統(tǒng)的G-XYZ 記錄數(shù)據(jù)與慣性測量裝置IMU 采集的I-XYZ 經(jīng)校正計算獲得。通過三維解算處理，聯(lián)合激光脈沖的測距信息、GNSS 坐標(biāo)、IMU 姿態(tài)坐標(biāo)，求出每個激光測距目標(biāo)點的三維坐標(biāo)XYZ[2]，最終根據(jù)地面固定基準(zhǔn)點的三維坐標(biāo)，考慮各種采集誤差，精確計算出實際目標(biāo)點的真實三維坐標(biāo)。采集出的三維點在三維建模軟件中導(dǎo)入經(jīng)計算后的數(shù)據(jù)，自動建模出采集目標(biāo)物的三維模型。在三維建模軟件中設(shè)置檢測參數(shù)、計算原理及計算模型，導(dǎo)出檢測項目的自動化生成數(shù)據(jù)。此外，考慮各種系統(tǒng)誤差，剔除偏離實際數(shù)據(jù)較大的離散數(shù)據(jù)，得到目標(biāo)體的連續(xù)檢測數(shù)據(jù)用于實際工作開展。

2.2.3 可行性分析

①理論及研究方法的可行性。本研究項目以激光測距系統(tǒng)LRF、高精度動態(tài)載體姿態(tài)測量系統(tǒng)IMU、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS、空間直角坐標(biāo)原理為主要研究理論。上述理論已發(fā)展多年，理論及相關(guān)實現(xiàn)技術(shù)已十分成熟并大規(guī)模運(yùn)用于實際生產(chǎn)，研究系統(tǒng)理論基礎(chǔ)可靠，方法可行。

②試驗技術(shù)和方法的可行性。系統(tǒng)參考各種前沿科技的技術(shù)方法，結(jié)合自主設(shè)計的環(huán)形旋轉(zhuǎn)陣列發(fā)射裝置，設(shè)計思想富有創(chuàng)造性和前瞻性，是目前各項技術(shù)的延伸和改進(jìn)，解決了其他研究領(lǐng)域精度不足的問題，且解決現(xiàn)有問題的方法獨特，技術(shù)可行。

3 關(guān)鍵技術(shù)

①針對評定檢測參數(shù)的統(tǒng)計點數(shù)少、檢測頻率低等問題，該系統(tǒng)可自由設(shè)置檢測頻率以及環(huán)向檢測點數(shù)，確需縮小環(huán)向檢測間距時，可旋轉(zhuǎn)環(huán)向發(fā)射裝置，使環(huán)向檢測點數(shù)實現(xiàn)倍數(shù)增加。本系統(tǒng)實現(xiàn)了從傳統(tǒng)單點、單平面向多點、三維的檢測方式跨越。以隧道工程檢測為例，可使用本系統(tǒng)對初期支護(hù)完成后的隧道縱向、環(huán)向斷面進(jìn)行連續(xù)檢測，得到初期支護(hù)的三維數(shù)據(jù)模型。待二次襯砌施工完成后，使用本系統(tǒng)對二次襯砌進(jìn)行縱向、環(huán)向連續(xù)檢測，得到二次襯砌的三維數(shù)據(jù)模型。將二次襯砌和初期支護(hù)的三維數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維軟件，設(shè)置計算模型、數(shù)據(jù)計算頻率，可導(dǎo)出旋轉(zhuǎn)角度相同的點位的二次襯砌厚度。

②目前，激光雷達(dá)領(lǐng)域基于線陣、面陣等多元陣列探測器的探測技術(shù)的數(shù)據(jù)分辨率不高，不能用于精確測量，本系統(tǒng)在運(yùn)用其他前沿科技的基礎(chǔ)上，環(huán)形旋轉(zhuǎn)陣列式激光布置，正是對線陣、面陣等數(shù)據(jù)采集方法的創(chuàng)造性改進(jìn)，使得目標(biāo)點的單點采集更精確，環(huán)向采集頻率、縱向步進(jìn)間距更有益于滿足目標(biāo)物檢測精確性的要求，使采集精度得到了數(shù)量級的提高。

③目前，檢測行業(yè)的數(shù)據(jù)采集均是基于測量人員的單點檢測，工作效率和檢測覆蓋面較窄，只能檢測局部點、局部平面的形態(tài)或質(zhì)量，不能用于大面積連續(xù)的檢測。本系統(tǒng)解決了目前檢測點數(shù)偏少、檢測工作效率低的問題，不僅使檢測效率提升數(shù)倍，而且使檢測成本大幅降低。使用本系統(tǒng)可根據(jù)實際需要，設(shè)置不同的環(huán)向采集頻率、縱向步進(jìn)間距，以達(dá)到節(jié)約社會資源的目的。

4 特色與創(chuàng)新

本項目研究的環(huán)形旋轉(zhuǎn)陣列式激光雷達(dá)檢測一體化系統(tǒng)，是激光測距系統(tǒng)和激光雷達(dá)技術(shù)的融合，使用激光測距原理，參考激光雷達(dá)的陣列數(shù)據(jù)采集方法，自主設(shè)計創(chuàng)造出以機(jī)載行進(jìn)、環(huán)形旋轉(zhuǎn)陣列式激光布置，實現(xiàn)連續(xù)單平面多通道精確檢測。該套檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式為空中間接接觸式，不同于目前檢測行業(yè)普遍采用的接觸式檢測方法，檢測環(huán)境及地形限制較少，極大地增加了多種檢測環(huán)境的適用性。

目前，大多數(shù)商用系統(tǒng)采用單點掃描方式，每次激光脈沖采集一個目標(biāo)點數(shù)據(jù)，通過激光單元掃描鏡擺掃以及飛機(jī)運(yùn)動實現(xiàn)一個航帶的三維點云獲取。隨著高分辨率、連續(xù)、快速采集數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求增加，基于線陣、面陣等多陣列的激光雷達(dá)探測技術(shù)已經(jīng)成為技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展方向，新型機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)極大地提高了目標(biāo)探測的分辨率及成像速率。該系統(tǒng)運(yùn)用激光測距的理論基礎(chǔ)，創(chuàng)新了激光采集陣列形式，增加了檢測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計點數(shù)，提高了采集精度，使之運(yùn)用于更精確的測量工作。

該系統(tǒng)借鑒激光雷達(dá)的采集原理，使用環(huán)形旋轉(zhuǎn)陣列式的發(fā)射接收方式，設(shè)計出了一種全新的激光雷達(dá)檢測系統(tǒng)，不僅達(dá)到了激光雷達(dá)的使用效果，而且使數(shù)據(jù)精度得到數(shù)量級的提高。

5 結(jié)論與展望

機(jī)載激光雷達(dá)由于高工作效率和高測量精度等優(yōu)勢，迅速發(fā)展成為地表環(huán)境測量的主要技術(shù)手段之一。借助其他行業(yè)的研究經(jīng)驗，將機(jī)載激光雷達(dá)檢測逐漸應(yīng)用于公路及鐵路，助力檢測及監(jiān)測行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展。

該系統(tǒng)可縱向、環(huán)向全方位連續(xù)進(jìn)行檢測，推動檢測工作進(jìn)步與檢測數(shù)據(jù)智能化發(fā)展，可大幅度提高檢測技術(shù)水平，推動行檢測業(yè)和社會技術(shù)進(jìn)步，為其他行業(yè)在激光雷達(dá)測量方面提供一個全新的測量方法。該系統(tǒng)可滿足公路、鐵路及勘探方面的所有檢測及測量技術(shù)需求，可實現(xiàn)單次檢測所有適用項目，極大地提高工作效率，減少社會資源浪費(fèi)，可替代許多既有檢測設(shè)備。該套檢測系統(tǒng)可同時檢測諸多參數(shù)，體現(xiàn)單套系統(tǒng)檢測多項參數(shù)的優(yōu)越性。

本文針對環(huán)形旋轉(zhuǎn)陣列式激光雷達(dá)檢測系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計及研究，驗證了本文提出方法的正確性和可行性。環(huán)形旋轉(zhuǎn)陣列式激光雷達(dá)技術(shù)目前處于探索階段，隨著國內(nèi)外激光雷達(dá)技術(shù)的日益發(fā)展，基于線陣、面陣探測器的陣列式機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)將是激光雷達(dá)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，相關(guān)的硬件設(shè)備、數(shù)據(jù)處理工作也將同步飛速發(fā)展，下一步激光雷達(dá)的探索發(fā)展會使采集數(shù)據(jù)精度得到大幅度的提升。