Research and Application of Annular Rotating Array Airborne Lidar

YANG Tao-tao

（Gansu Zhitong Technology Engineering Detection Consulting Co.， Ltd.， Lanzhou 730050， China）

【摘? 要】現(xiàn)階段，公路及鐵路檢測行業(yè)用于評定相關(guān)檢測參數(shù)的統(tǒng)計點數(shù)較少，僅使用固定檢測間隔或檢測頻率的數(shù)據(jù)作為評定依據(jù)，不能全面、系統(tǒng)地評定目標體連續(xù)的質(zhì)量或形態(tài)。論文運用激光掃描測距系統(tǒng)LRF、衛(wèi)星導航系統(tǒng)GNSS、高精度動態(tài)載體姿態(tài)測量系統(tǒng)IMU的基本原理，采用環(huán)向旋轉(zhuǎn)陣列式激光發(fā)射方法，輔以縱向方位控制系統(tǒng)，搭載于無人機，構(gòu)建全方位、全地形、連續(xù)且實時的數(shù)據(jù)檢測處理系統(tǒng)。

【Abstract】At this stage， the number of points used to evaluate relevant detection parameters in highway and railway detection industry is relatively small. Only the data of fixed detection interval or detection frequency are used as the evaluation basis， which can not comprehensively and systematically evaluate the continuous quality or shape of the target. Using the basic principles of laser scanning ranging system （LRF）， satellite navigation system （GNSS） and high-precision dynamic carrier attitude measurement system （IMU）， this paper adopts the annular rotating array laser emission method， supplemented by the longitudinal azimuth control system， which is carried on the UAV to construct an omni-directional， all terrain， continuous and real-time data detection processing system.

【關(guān)鍵詞】激光雷達;旋轉(zhuǎn)陣列;激光測距;三維檢測;公路檢測

【Keywords】lidar; rotating array; laser ranging; 3D detection; highway detection

【中圖分類號】P225.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2022）02-0194-03

1 引言

目前，國外已將機載激光雷達系統(tǒng)運用于日常地表環(huán)境的各項監(jiān)測當中。美國國家生態(tài)觀測網(wǎng)NEON使用的Airborne LiDAR就是運用機載激光雷達系統(tǒng)來掃描地物、植被等，對其數(shù)據(jù)進行科學研究，機載激光雷達技術(shù)在國外已大規(guī)模應用于數(shù)據(jù)采集。

與國外相比，國內(nèi)在激光雷達技術(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系統(tǒng)。機載激光雷達技術(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，已廣泛應用于國土資源調(diào)查、地形測量、林業(yè)、災害評估等領(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、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。地質(zhì)雷達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位置，實用性不強。隨著我國相關(guān)領(lǐng)域科學技術(shù)的飛躍式發(fā)展，亟待研制出一種可用于目標體三維連續(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)計采取機載行進的方式，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)陣列式機載激光雷達檢測一體化系統(tǒng)，是基于激光測距和激光雷達技術(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)陣列式機載激光雷達檢測一體化系統(tǒng)是以激光測距為基礎(chǔ)的測量系統(tǒng)，研究采用無人機對地面沿路線前進方向進行環(huán)向旋轉(zhuǎn)掃描，記錄被測點三維坐標、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)，達到縱向、環(huán)向連續(xù)的三維檢測數(shù)據(jù)（見圖1）。

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載系統(tǒng)的飛行姿態(tài)，用于坐標定位校正控制;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。

2.2.2 系統(tǒng)工作原理

環(huán)形旋轉(zhuǎn)陣列式機載激光雷達系統(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體，同時，記錄激光發(fā)射時刻的發(fā)射坐標、發(fā)射角度等信息。GNSS系統(tǒng)、IMU系統(tǒng)安置在機載平臺上，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點的距離、角度信息。當機載平臺沿飛行方向前進時，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)測量機載平臺姿態(tài)，其慣性導航單元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信息，發(fā)射系統(tǒng)的坐標根據(jù)GNSS系統(tǒng)的坐標經(jīng)IMU系統(tǒng)校正后可準確獲得。機載環(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]。

①激光掃描坐標系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坐標系I-XYZ。坐標系按慣性平臺內(nèi)部坐標系定義，原點I位于IMU的參考中心;X軸指向機身縱軸朝飛機前進方向;Y軸垂直于X軸，并指向飛機左翼;Z軸垂直向下。

③導航坐標系G-XYZ。依據(jù)GNSS系統(tǒng)提供的三維坐標進行相關(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XYZ，則目標點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系下的三維坐標。對機載系統(tǒng)來說，起點LS為激光信號發(fā)射點，其坐標可通過機載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、IMU姿態(tài)坐標，求出每個激光測距目標點的三維坐標XYZ[2]，最終根據(jù)地面固定基準點的三維坐標，考慮各種采集誤差，精確計算出實際目標點的真實三維坐標。采集出的三維點在三維建模軟件中導入經(jīng)計算后的數(shù)據(jù)，自動建模出采集目標物的三維模型。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)星導航系統(tǒng)GNSS、空間直角坐標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，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)對初期支護完成后的隧道縱向、環(huán)向斷面進行連續(xù)檢測，得到初期支護的三維數(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的三維數(shù)據(jù)導入三維軟件，設(shè)置計算模型、數(shù)據(jù)計算頻率，可導出旋轉(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，使得目標點的單點采集更精確，環(huán)向采集頻率、縱向步進間距更有益于滿足目標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、縱向步進間距，以達到節(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)陣列式激光雷達檢測一體化系統(tǒng)，是激光測距系統(tǒng)和激光雷達技術(shù)的融合，使用激光測距原理，參考激光雷達的陣列數(shù)據(jù)采集方法，自主設(shè)計創(chuàng)造出以機載行進、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點數(shù)據(jù)，通過激光單元掃描鏡擺掃以及飛機運動實現(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)的應用需求增加，基于線陣、面陣等多陣列的激光雷達探測技術(shù)已經(jīng)成為技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展方向，新型機載激光雷達技術(shù)極大地提高了目標探測的分辨率及成像速率。該系統(tǒng)運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，使之運用于更精確的測量工作。

該系統(tǒng)借鑒激光雷達的采集原理，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檢測系統(tǒng)，不僅達到了激光雷達的使用效果，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

機載激光雷達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，將機載激光雷達檢測逐漸應用于公路及鐵路，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)進行檢測，推動檢測工作進步與檢測數(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)進步，為其他行業(yè)在激光雷達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，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)陣列式激光雷達檢測系統(tǒng)進行了詳細的設(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)陣列式激光雷達技術(shù)目前處于探索階段，隨著國內(nèi)外激光雷達技術(shù)的日益發(fā)展，基于線陣、面陣探測器的陣列式機載激光雷達技術(shù)將是激光雷達領(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，下一步激光雷達的探索發(fā)展會使采集數(shù)據(jù)精度得到大幅度的提升。

【參考文獻】

【1】郜松松.機載便攜式激光雷達信號采集存儲系統(tǒng)設(shè)計[D].西安：西安電子科技大學，2019.

【2】黎荊梅，周梅，李傳榮.陣列推掃式機載激光雷達三維點云解算方法研究[J].遙感技術(shù)與應用，2013，28（6）：1033-1038.

【作者簡介】楊濤濤（1988-），男，甘肅慶陽人，工程師，從事隧道檢測研究。