激光雷达LIDARPPT课件

1LiDAR？2LiDAR出现的历史条件：1839年 由DaguerreDaguerre和Niepce拍摄第一张相片以来，利用相片制作相片平面图( (X X、Y)Y)技术一直沿用至今。1901年荷兰人Fourcade发明了摄影测量的立体观测技术，使得从二维相片可以获取地面三维数据(X(X、Y Y、Z)Z)成为可能。1970年由美国航天局研发，LIDAR测绘技术空载激光扫瞄技术开始了发展，并且速度飞快，约在1995年开始商业化。3LiDAR出现的历史条件： 自从摄影测量诞生一百多年以来，它一直是自从摄影测量诞生一百多年以来，它一直是大面积大面积获取地面三维数据获取地面三维数据最精确和最可靠的技术，并且是国家基本最精确和最可靠的技术，并且是国家基本比例尺地形图测绘的重要技术。比例尺地形图测绘的重要技术。 但摄影测量技术主要存在着以下缺陷和不足：但摄影测量技术主要存在着以下缺陷和不足：1 1、自动化程度不是很高、自动化程度不是很高2 2、在森林、沙漠或者沿海滩涂地区，影像的纹理及、在森林、沙漠或者沿海滩涂地区，影像的纹理及对比度比较弱，会严重影响影响匹配精度，甚至造对比度比较弱，会严重影响影响匹配精度，甚至造成无法作业。成无法作业。4LiDAR出现的历史条件： 成本低（生产数据外业及后处理） 高精度（有效的绝对带宽很宽，能产生极窄的脉冲） 自动化程度高 受天气影响小 快速度 高密度 极坐标的原理直接获取DEM，因此纹理和对比度对机载激光雷达精度而言没有影响 单色性和相干性好。低机载低机载LIDARLIDAR地面三维数据获取方法地面三维数据获取方法具有以下优点：具有以下优点：5 LiDAR 的定义 机载LiDAR(LightLaser Deteetion and Ranging)，又称机载雷达，是激光探测及测距系统的简称。激光测距技术 计算机技术POS系统（IMU /DGPS）LiDAR6LiDAR的工作原理POS系统：DGPS：机载机载LiDAR采用动态载波相位差分采用动态载波相位差分GPS系统。系统。 手段：利用安装了电机上与LiDAR相连接的和设在一个或多个基准站的至少两台GPS信号接收机同步而连续地观测GPS卫星信号、同时记录瞬间激光和数码相机开启脉冲的时间标记，再进行载波相位测量差分定位技术的离线数据后处理。 目的：获取LiDAR的三维坐标。7LiDAR的工作原理POS系统：IMU：惯性测量装置惯性测量装置(RpIMU-Inertial Measurement Unit) 手段：IMU有姿态量测功能，具有完全自主、无信号传播、既能定位、测速，又可快速量测传感器瞬间的移动，输出姿态信息等优点，但主要缺点是误差随时间迅速积累增长。 目的：获取机载LiDAR的姿态信息，即滚动、俯仰和航偏角。8LiDAR的工作原理POS系统：DGPS与与IMU对比：对比：DGPS系统：系统：量测传感器的位置和速率量测传感器的位置和速率，具有高精度，误差不随时间积累等优点，但其动态性能差(易失锁)、输出频率低，不能两侧瞬间快速的变化，没有姿态量测功能。 IMU系统：系统：有姿态量测功能有姿态量测功能，具有完全自主、无信号传播、既能定位、测速，又可快速量测传感器瞬间的移动，输出姿态信息等优点，但主要缺点是误差随时间迅速积累增长。 因此，最优化的方法是对两个系统获得的信息进行综因此，最优化的方法是对两个系统获得的信息进行综合，这样可得到高精度的位置、速率和姿态数据。合，这样可得到高精度的位置、速率和姿态数据。9LiDAR的工作原理激光扫描仪：激光扫描仪激光扫描仪是是LiDARLiDAR的核心，的核心，一一般由激光发射器、接收般由激光发射器、接收器、时间间隔测量装置、传动装置、计算机和软件组成器、时间间隔测量装置、传动装置、计算机和软件组成。10LiDAR的工作原理激光扫描仪：（三维）激光扫描仪基本工作原理是： 线激光器发出的光平面扫描物体表面，面阵CCD采集被测物面上激光扫描线的漫反射图像，在计算机中对激光扫描线图像进行处理，依据空间物点与CCD面阵像素的对应关系计算物体的景深信息，得到物体表面的三维坐标数据，快速建立原型样件的三维模型。 主要参数有：波长、脉冲重复频率、功率、光斑尺寸：扫描方式。11LiDAR的工作原理数码相机： LiDAR直接获得点位三维坐标的功能提供了传统二维数据缺乏的高度信息，却忽略了对象特征的其它信息，如光谱信息。而图像数据包含光谱信息对认识物体也具有重要的作用。 因而，利用高分辨率的数码相机获取地面的地物地貌真彩或红外数字影像信息，以弥补LiDAR的不足，以达到对生成DEM产品的质量进行评价；或作为一种数据源，对目标进行分类识别；或作为纹理数据源。12LiDAR的工作原理中心控制单元： 机载LiDAR由多个重要硬件组成，个关键的技术就是如何实现三个重要设备的精确同步。中心控制单元一般都采用导航、定位和管理系统构成同步记录IMU的角速度和加速度的增量以及GPS的位置、激光扫描仪和数码相机的数据。13LiDAR的工作原理数据处理： 由于LiDAB产生的数据量非常巨大，现有的测量软件很难适应处理如此大量的数据，因此，需要特殊的专业软件来处理。 目前处理此类数据主要是在微软的Windows2000TM和Microstation SEJTM平台下用芬兰Terrasolid公司小品的，TerraModelerTM、TerraScanTM和TerraPhotoTM软件进行处理三维坐标数据和影像数据。14LiDAR的分类：按不同功能: 跟踪雷达（测距和测角）; 测速雷达（测量多普勒信息）; 动目标指示雷达（目标的多普勒信息）; 成像雷达（测量目标不同部位的反射强度和距离等信号）; 差分吸收雷达（目标介质对特定频率光的吸收强度）等。 15LiDAR的应用前景： 侦察用成像激光雷达 障碍回避激光雷达 大气监测激光雷达 制导激光雷达 化学/生物战剂探测激光雷达 水下探测激光雷达 空间监视激光雷达 机器人三维视觉系统 其他军用激光雷达 弹道导弹防御激光雷达 靶场测量激光雷达 振动遥测激光雷达 多光谱激光雷达 16LiDAR应用举例：（一）激光成像雷达 激光雷达分辨率高，可以采集三维数据，如方位角-俯仰角-距离、距离-速度-强度，并将数据以图像的形式显示，获得辐射几何分布图像、距离选通图像、速度图像等，有潜力成为重要的侦察手段。17uCMAGCMAG研究计划研究计划：1977年美国国防部高级研究计划局和美国空军航空系统部开展了“巡航导弹先进制导技术”（CMAG）的预研计划。u ATLASATLAS研究计划：研究计划：在CMAG计划基础上，90年代初美国空军和海军制定了“先进技术激光雷达导引头”（ATLAS）的研究计划。1991年11月，美国通用动力公司和休斯公司研制成研制成ATLASATLASCO2CO2成像激光雷达制导系统成像激光雷达制导系统。1993年吊挂在美国空军的F-15飞机上进行了第二阶段的高速飞行试验,获得高分辨率的彩色编码三维距离图像，很好地满足了航路导引和末段制导的要求。u美国海军美国海军“辐射亡命徒辐射亡命徒”先期技术演示计划：先期技术演示计划：1992年,采用CO2激光成像雷达远距离非合作识别空中和地面目标。u美国雷锡昂公司研制的美国雷锡昂公司研制的ILR100ILR100激光雷达激光雷达u洛克希德洛克希德马丁马丁沃尔特公司的低成本自主攻击系统沃尔特公司的低成本自主攻击系统uJigsawJigsaw计划：计划：20002003年美国国防部高级研究计划署(DARPA)实施了高精度激光3D成像雷达研究计划（即Jigsaw计划）。u直升机障碍回避激光成像雷达：直升机障碍回避激光成像雷达：用于探测电话线、动力线之类的障碍，该系统安装在UH-1H直升机上。 18直升机障碍回避激光成像雷达直升机障碍回避激光成像雷达1920032003年年6 6月月JigsawJigsaw系统装在系统装在UH-1 UH-1 直升机上进行了飞行实验直升机上进行了飞行实验 飞行实验中获取的坦克目标的伪彩色飞行实验中获取的坦克目标的伪彩色3D 3D 激光雷达图像处理过程显示激光雷达图像处理过程显示20坦克目标的坦克目标的伪彩色伪彩色3D 3D 激光雷达图激光雷达图像像21LiDAR应用举例：（二）CLAWS相干激光多普勒测风雷达 222m相干激光多普勒测风雷达p 1990年美国相干技术公司(CTI)研制出世界上第一台2m相干激光多普勒测风雷达p TODWL (Twin Otter Doppler Wind Lidar)p GWOLF (Ground based wind Observing Lidar Facility)p VALIDAR (Validation LIDAR)p Win Tracep JEM-CDL (Japanese Experiment Module-Chherent Doppler Lidar)23LiDAR的在我国的发展现状和发展趋势： 激光技术从它的问世到现在，虽然时间不长,但是由于它有: 高亮度性、高方向性、高单色性和高相干性等几个极有价值的特点，因而在国防军事、工农业生产、医学卫生和科学研究等方面都有广泛的应用。u军事方面的应用：军事方面的应用：目前，在水雷探测激光雷达、化学试剂探目前，在水雷探测激光雷达、化学试剂探测激光雷达、大气监测激光雷达、生化陆战激光雷达测激光雷达、大气监测激光雷达、生化陆战激光雷达11等方面等方面已经有了很大的成就已经有了很大的成就。u气象方面的应用：气象方面的应用：我国已经建立我国已经建立12 12 个沙尘暴长期观测站，首个沙尘暴长期观测站，首次形成全国性的沙尘暴监测网络。次形成全国性的沙尘暴监测网络。u测风方面的应用：测风方面的应用：多普勒测风激光雷达具有高分辨率、高精多普勒测风激光雷达具有高分辨率、高精度、大探测范围、能提供晴空条件下三维风场信息的能力。度、大探测范围、能提供晴空条件下三维风场信息的能力。u水土保持监测中的应用：水土保持监测中的应用：目前，全国由于建设开发的影响，目前，全国由于建设开发的影响，给水土流失治理带来很大的难度，据调查，全国每年由于开发给水土流失治理带来很大的难度，据调查，全国每年由于开发建设使水土流失面积达到建设使水土流失面积达到1.001.00104km2104km2由以上。由以上。24LiDAR的发展趋势：激光雷达寻的器：激光雷达寻的器：激光雷达可以提供以距离和强度为基础的高分辨率影像，使空激光雷达可以提供以距离和强度为基础的高分辨率影像，使空地地武器具有自主精确制导能力。激光雷达寻的器能形成目标的三维影像，确保准确地识别武器具有自主精确制导能力。激光雷达寻的器能形成目标的三维影像，确保准确地识别目标。目标。战场侦察激光雷达：战场侦察激光雷达：激光雷达有可能成为重要的侦察工具和手段。激光雷达有可能成为重要的侦察工具和手段。测风激光雷达：测风激光雷达：测定风速对研究气候变化、提高天气预报的精度、监测机场气流、优测定风速对研究气候变化、提高天气预报的精度、监测机场气流、优化飞机航线以及在军事、火箭发射等方面具有非常重要的意义。目前来看，化飞机航线以及在军事、火箭发射等方面具有非常重要的意义。目前来看，2m 2m 左右左右的全固化相干激光雷达及发射在紫外波段的非相干激光雷达将是未来发展的重点。的全固化相干激光雷达及发射在紫外波段的非相干激光雷达将是未来发展的重点。星载激光雷达：星载激光雷达：与机载与机载LiDAR LiDAR 相比，星载相比，星载LiDAR LiDAR 具有许多不可替代的优势。星载具有许多不可替代的优势。星载LiDAR LiDAR 以卫星作为平台，其运行轨道高、观测范围广、观测速度快以卫星作为平台，其运行轨道高、观测范围广、观测速度快, ,受地面背景、天空受地面背景、天空背景影响小，具有高分辨率、高灵敏度的特点，几乎可以触及世界的每一个角落，为三背景影响小，具有高分辨率、高灵敏度的特点，几乎可以触及世界的每一个角落，为三维控制点和数字地面模型（维控制点和数字地面模型（Digital Elevation Models,DEMDigital Elevation Models,DEM）的获取提供了新的途径，）的获取提供了新的途径，在国防或是科学研究等领域都具有十分重大的应用价值和研究意义。在国防或是科学研究等领域都具有十分重大的应用价值和研究意义。25结论： 由于激光雷达是一种代价小、效果好、使由于激光雷达是一种代价小、效果好、使用范围广的遥感手段，相信将来会应用得更为用范围广的遥感手段，相信将来会应用得更为广泛。特别是广泛。特别是“嫦娥一号嫦娥一号”、“嫦娥嫦娥二二号号”奔奔月以来，对我国发展星载激光雷达是个巨大的月以来，对我国发展星载激光雷达是个巨大的促进。促进。26谢谢谢谢观赏！观赏！