基于虛擬儀器的激光雷達(dá)三維成像系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種基于虛擬儀器的激光雷達(dá)三維成像系統(tǒng)，包括三維場(chǎng)景建模、Lidar試驗(yàn)系統(tǒng)仿真環(huán)境建模、全波信號(hào)處理、三維重建四個(gè)功能模塊；(1)三維場(chǎng)景建模模塊：載入三維模型元件，設(shè)置背景色、視角控制、光照、投影模式、顯示模型等基本場(chǎng)景項(xiàng)目；(2)Lidar試驗(yàn)系統(tǒng)仿真環(huán)境建模模塊：包括激光脈沖模型、大氣傳輸模型、目標(biāo)交互模型、接收單元模型四個(gè)子模塊建模；激光脈沖模型按照激光的波長(zhǎng)、脈寬、能量等性質(zhì)對(duì)激光源進(jìn)行模擬；大氣傳輸模型對(duì)試驗(yàn)的大氣環(huán)境進(jìn)行模擬，生成噪聲模型對(duì)激光進(jìn)行作用；目標(biāo)交互模型對(duì)激光與探測(cè)目標(biāo)作用模擬，包括鏡面反射、漫反射、表面反射、散斑；接收單元模型用以模擬傳感后產(chǎn)生的探測(cè)器噪聲、放大器噪聲。
【專利說(shuō)明】基于虛擬儀器的激光雷達(dá)三維成像系統(tǒng) 一、
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明是基于虛擬儀器的激光雷達(dá)三維成像系統(tǒng)，屬于激光雷達(dá)探測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】。 二、
【背景技術(shù)】
[0002] 激光雷達(dá)探測(cè)及測(cè)距系統(tǒng)（Light Detection and Ranging,簡(jiǎn)稱Lidar)是一種主 動(dòng)式遙感技術(shù)，它突破了傳統(tǒng)的被動(dòng)式遙感成像機(jī)理，受天氣影響、光照影響小、自動(dòng)化程 度高等特點(diǎn)，具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。
[0003] 機(jī)載成像Lidar通過MU位置矯正，DGPS獲取裝置投影中心位置，MU/DGPS系統(tǒng) 是指利用裝在飛機(jī)上的GPS接收機(jī)和設(shè)在地面上的一個(gè)或多個(gè)基站上的GPS接收機(jī)同步而 連續(xù)地觀測(cè)GPS衛(wèi)星信號(hào)，通過GPS載波相位測(cè)量差分定位技術(shù)獲取航攝儀的位置參數(shù)，應(yīng) 用與航攝儀緊密固連的高精度慣性測(cè)量單元（IMU，Inertial Measurement Uint)直接測(cè)定 航攝儀的姿態(tài)參數(shù)，通過頂U(kuò)、DGPS數(shù)據(jù)的聯(lián)合后處理技術(shù)獲得測(cè)圖所需的每張像片高精 度外方位元素的航空攝影測(cè)量技術(shù)，通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及濾波處理，三維重建DEM。
[0004] 激光雷達(dá)技術(shù)結(jié)合光學(xué)、雷達(dá)、信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)視覺等多門學(xué)科領(lǐng)域于一身，其 應(yīng)用范圍橫跨海、陸、空，是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的【技術(shù)領(lǐng)域】。激光雷達(dá)最早 應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，后來(lái)逐漸用于軍事上，諸如激光制導(dǎo)、戰(zhàn)場(chǎng)偵察、飛機(jī)防撞、地雷遙感 等領(lǐng)域。目前，激光雷達(dá)技術(shù)廣泛應(yīng)用于城市數(shù)字模型重建、森林生態(tài)監(jiān)測(cè)、海洋環(huán)境測(cè)繪、 地質(zhì)地貌探測(cè)、太空勘測(cè)等眾多領(lǐng)域。
[0005] 全波激光雷達(dá)（Full-Waveform Lidar)對(duì)脈沖發(fā)射波形和各像素點(diǎn)的后向散射波 形進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并記錄，在一個(gè)時(shí)間軸上可以分解出各像素點(diǎn)的飛行時(shí)間（T0F)和強(qiáng)度信 肩、。
[0006] 激光雷達(dá)成像的方法主要分為三種：
[0007] (1)采用單顆探測(cè)器，每次只測(cè)量一個(gè)像素。這種方法是最早的探測(cè)技術(shù)，將單次 測(cè)量不同像素的飛行時(shí)間和強(qiáng)度信息，逐一恢復(fù)各個(gè)像素的距離和反射率。
[0008] (2)采用面陣探測(cè)器，每次可探測(cè)多個(gè)像素。通過將發(fā)射光同時(shí)覆蓋整個(gè)目標(biāo)，回 波信號(hào)涵蓋多個(gè)像素的信息，接收器通過解調(diào)、分離可以得出不同的像素的距離。這種方法 用于大光斑成像，單次測(cè)量的像素點(diǎn)數(shù)較單顆測(cè)量明顯提高。
[0009] (3)采用APD(雪蹦光電二極管）陣列探測(cè)器，獨(dú)立探測(cè)多個(gè)像素。通過將光束分 為N束分別打在目標(biāo)的N個(gè)點(diǎn)上，通過AH)陣列的N個(gè)單元接收，從而可以同時(shí)準(zhǔn)確地分解 N個(gè)點(diǎn)的信息。通過掃描器掃描目標(biāo)所有的像素點(diǎn)，最終成像。該方法采用了高靈敏度的 AH)傳感陣列，較前面兩種方法，既能保證高分辨率成圖，又能保證高速成圖。
[0010] 全波形回波信號(hào)建模仿真與分析是全波形激光雷達(dá)探測(cè)技術(shù)的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi) 容。一個(gè)實(shí)測(cè)系統(tǒng)的成果往往需要前期仿真建模進(jìn)行理論驗(yàn)證。關(guān)于激光雷達(dá)建模仿真方 面，國(guó)外有過很多成功的技術(shù)成果，而國(guó)內(nèi)對(duì)此少有系統(tǒng)的研究成果。
[0011] (1)林肯實(shí)驗(yàn)室基于0PENGL開發(fā)的3D Lidar系統(tǒng)仿真了葉簇隱蔽網(wǎng)下的機(jī)載3D ladar試驗(yàn)，通過結(jié)果分析，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)試驗(yàn)的結(jié)果匹配度在20%以內(nèi)。
[0012] (2)澳大利亞的Graham基于Matlab對(duì)運(yùn)載平臺(tái)不同運(yùn)動(dòng)軌跡下激光雷達(dá)植被穿 透試驗(yàn)進(jìn)行了仿真。
[0013] (3)美國(guó)的Kim通過建立激光穿透樹木的蒙特卡洛模型，獲得Lidar全波仿真信 號(hào)。這個(gè)模型將Lidar系統(tǒng)與自然場(chǎng)景，包括大氣，樹木和地形，最終得到植被的3D模型和 反射特性。
[0014] (4)德國(guó)JUTZI通過仿真不同斜度斜坡的全波信號(hào)，利用測(cè)量與估計(jì)波的相關(guān)性 來(lái)確定平面的斜度。
[0015] 在已有的技術(shù)成果中，沒有出現(xiàn)既能一體化控制激光雷達(dá)仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，又能為 應(yīng)用平臺(tái)提供硬件模塊接口，實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)的擴(kuò)展應(yīng)用的Lidar三維成像系統(tǒng)。 基于LabVIEW的虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用到激光雷達(dá)成像領(lǐng)域是一種全新的開發(fā)實(shí)現(xiàn)方式，將很 大程度上便捷系統(tǒng)可視化平臺(tái)的搭建。LabVIEW是一個(gè)基于G(Graphic)語(yǔ)言的圖形化編程 軟件。它采用圖形化程序設(shè)計(jì)方法，使用圖形符號(hào)表達(dá)程序行為，使用可視化技術(shù)建立人 機(jī)界面，更加直觀、簡(jiǎn)潔。LabVIEW包含的豐富的函數(shù)庫(kù)和子程序，如數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、 I/O驅(qū)動(dòng)等程序庫(kù)，同時(shí)提供多語(yǔ)言開發(fā)接口，使其成為開發(fā)測(cè)試、測(cè)量、數(shù)據(jù)采集等應(yīng)用的 理想工具。 三、
【發(fā)明內(nèi)容】
[0016] 本發(fā)明的目的是基于LabVIEW平臺(tái)，開發(fā)一套完整的激光雷達(dá)三維成像的仿真試 驗(yàn)系統(tǒng)并提供基于虛擬儀器的Lidar實(shí)測(cè)三維成像系統(tǒng)的擴(kuò)展。
[0017] 一種基于虛擬儀器的激光雷達(dá)探測(cè)及測(cè)距系統(tǒng)三維成像仿真系統(tǒng)，包括三維場(chǎng)景 建模、Lidar試驗(yàn)系統(tǒng)仿真環(huán)境建模、全波信號(hào)處理、三維重建四個(gè)功能模塊；各個(gè)模塊的 特征分述如下：
[0018] (1)三維場(chǎng)景建模模塊：讀入三維開發(fā)工具3DSMAX、AutoCAD產(chǎn)生的STL/WRL/ASE 等格式的三維元件，設(shè)置背景色、視角控制、光照、投影模式、顯示模型等基本場(chǎng)景項(xiàng)目，對(duì) 讀入的包括地形、植被、飛機(jī)的范圍紋理、大小、位置、數(shù)目進(jìn)行控制，其中飛機(jī)的位置對(duì)應(yīng) 激光源位置，試驗(yàn)中動(dòng)態(tài)變化，最終呈現(xiàn)機(jī)載Lidar成像試驗(yàn)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景，并輸出最終的數(shù)字 高程模型DSM高程數(shù)據(jù)，以備后續(xù)試驗(yàn)；
[0019] (2)Lidar試驗(yàn)系統(tǒng)仿真環(huán)境建模模塊：包括激光脈沖模型、大氣傳輸模型、目標(biāo) 交互模型、接收單元模型四個(gè)子模塊建模；激光脈沖模型按照激光的波長(zhǎng)、脈寬、能量等性 質(zhì)對(duì)激光源進(jìn)行模擬；大氣傳輸模型對(duì)試驗(yàn)的大氣環(huán)境進(jìn)行模擬，生成噪聲模型對(duì)激光進(jìn) 行作用；目標(biāo)交互模型對(duì)激光與探測(cè)目標(biāo)作用模擬，包括鏡面反射、漫反射、表面反射、散 斑；接收單元模型用以模擬傳感后產(chǎn)生的探測(cè)器噪聲、放大器噪聲。通過對(duì)四個(gè)模型順序建 模，設(shè)置高程差、溫度、飛行角度等系統(tǒng)參數(shù)，最終輸出各時(shí)間段目標(biāo)相應(yīng)像素點(diǎn)的全波信 號(hào)；
[0020] (3)全波信號(hào)處理模塊：針對(duì)各時(shí)間段產(chǎn)生的回波信號(hào)進(jìn)行處理恢復(fù)像素點(diǎn)深 度、強(qiáng)度信息信息。該模塊主要包括信號(hào)增強(qiáng)、小波去噪、平滑、波形擬合四個(gè)部分；
[0021] (4)三維重建模塊：該模塊為機(jī)載激光雷達(dá)試驗(yàn)提供最終的可視化的三維成圖； 針對(duì)全波信號(hào)處理模塊提供的目標(biāo)完整的深度及強(qiáng)度信息，生成距離像、強(qiáng)度像；通過分割 分類劃分為非地面點(diǎn)與地面點(diǎn)兩類信息；地面點(diǎn)信息建立網(wǎng)格，對(duì)地面點(diǎn)進(jìn)行三角劃分，融 合強(qiáng)度信息，最終重建生成數(shù)字高程模型DEM。
[0022] 進(jìn)一步：（1)中的飛機(jī)位置動(dòng)態(tài)變化對(duì)應(yīng)不同測(cè)量周期，按照AH)數(shù)目將激光分 光，結(jié)合光斑涵蓋像素點(diǎn)數(shù)得到一個(gè)周期同時(shí)測(cè)得的像素點(diǎn)數(shù)及其回波信號(hào)。
[0023] 進(jìn)一步：（3)可動(dòng)態(tài)地對(duì)每個(gè)周期的回波信號(hào)搜索、采樣特征點(diǎn)，針對(duì)性處理，實(shí) 現(xiàn)信號(hào)增強(qiáng)、小波去噪、平滑、波形擬合的一體化功能；為了獲得更高的測(cè)量精度，波形擬合 模塊根據(jù)激光脈沖的實(shí)際波形設(shè)置擬合模板。
[0024] 進(jìn)一步：基于LabVIEW的主開發(fā)平臺(tái)，結(jié)合LabWindows/CVI、Matlab、C++的混合 開發(fā)模式，各功能子模塊（子VI)按照繼承關(guān)系被父模塊（父VI)調(diào)用，最終集成為最上層 的主⑶I界面；通過執(zhí)行總⑶I呈現(xiàn)完整的激光雷達(dá)三維成像的可視化仿真試驗(yàn)。
[0025] 提出了一種基于虛擬儀器的Lidar實(shí)測(cè)成像系統(tǒng)的解決方案，預(yù)留了 TCP、串口通 信接口，通過采集器加載實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，完成Lidar實(shí)測(cè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維成像的功能。
[0026] 該平臺(tái)利用LabVIEW圖形語(yǔ)言編程的優(yōu)勢(shì)，巧妙地使用三維加載功能控件，構(gòu)建 可調(diào)激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景；對(duì)Lidar試驗(yàn)系統(tǒng)仿真環(huán)境，包括激光器、大氣、目標(biāo)交互、接收單 元進(jìn)行全面模擬，實(shí)施仿真試驗(yàn)生成全波信號(hào)；構(gòu)建一套系統(tǒng)的全波信號(hào)處理方法，對(duì)全波 信號(hào)處理分解像素點(diǎn)云信息；三維重建功能實(shí)現(xiàn)模塊對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類濾波，最終三維重建 DEM。
[0027] 本發(fā)明的有益效果：虛擬儀器架構(gòu)：虛擬儀器技術(shù)提供了豐富的高性能模塊化硬 件接口，其軟件工具LabVIEW提供了圖形化開發(fā)平臺(tái)，同時(shí)集成了包括數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處 理、圖像處理等豐富的算法庫(kù)，大大縮短了開發(fā)周期，同時(shí)具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性能，實(shí)現(xiàn)了軟 硬件無(wú)縫集成。傳統(tǒng)的激光雷達(dá)成像系統(tǒng)上位成像系統(tǒng)幾乎都是基于Matlab、VC等平臺(tái)， 在實(shí)現(xiàn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)中優(yōu)勢(shì)并不明顯。而將虛擬儀器應(yīng)用于激光雷達(dá)成像領(lǐng)域很罕見，而具有 Lidar可視化成像，同時(shí)具有完整的回波信號(hào)處理、成像一體化處理的系統(tǒng)一直沒有出現(xiàn)。
[0028] 三維可視化動(dòng)態(tài)試驗(yàn)場(chǎng)景搭建：利用LabVIEW三維圖片加載控件，提供對(duì)專業(yè) 制圖工具生成的三維模型元件格式進(jìn)行加載，通過三維模型變形，紋理等控制搭建Lidar 仿真試驗(yàn)可視化場(chǎng)景。整個(gè)仿真試驗(yàn)基于LabVIEW平臺(tái)，可結(jié)合LabWindows/CVI、VC++、 Matlab 等多種工具開發(fā)，結(jié)合 3DSMAX、AutoCAD、Pro/E、SolidWorks、VRMLPAD 等三維開發(fā)工 具，將不同類型3D模型統(tǒng)一并建立Lidar試驗(yàn)場(chǎng)景，功能豐富、擴(kuò)展性強(qiáng)、可視化效果佳，完 整并直觀地呈現(xiàn)了全波激光雷達(dá)三維成像的試驗(yàn)并提供了功能驗(yàn)證。同時(shí)，系統(tǒng)提供了實(shí) 測(cè)系統(tǒng)的上位接口，對(duì)實(shí)測(cè)試驗(yàn)三維成像提供了擴(kuò)展的解決方案。 四、【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0029] 圖1是基于虛擬儀器的成像Lidar仿真平臺(tái)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0030] 圖2是三維場(chǎng)景模塊實(shí)現(xiàn)三維建模流程圖；
[0031] 圖3是仿真系統(tǒng)建立的流程圖；
[0032] 圖4是全波信號(hào)處理模塊的數(shù)據(jù)處理流程圖；
[0033] 圖5是二維重建模塊流程圖；
[0034] 圖6是全波采樣信號(hào)波形圖；
[0035] 圖7是基于LabVIEW的成像Lidar仿真軟件操作流程圖；
[0036] 圖8是基于LabVIEW的成像Lidar仿真軟件的主⑶I界面；
[0037] 圖9是三維場(chǎng)景模塊建模效果示意圖；
[0038] 圖10是Lidar仿真試驗(yàn)最終三維重建模塊重建DEM ; 五、【具體實(shí)施方式】
[0039] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)施方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0040] 如圖1所示，本發(fā)明主要包括四個(gè)功能模塊：三維場(chǎng)景建模、Lidar試驗(yàn)系統(tǒng)仿真 環(huán)境建模、全波信號(hào)處理、三維重建。其中三維場(chǎng)景建模模塊能夠加載3D繪圖軟件輸出的 3D模型元件，并對(duì)其進(jìn)行布局，調(diào)整，使之產(chǎn)生所需的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。3D模型元件的創(chuàng)建方式是 豐富靈活的。例如，地形的模型元件可使用3dsmax中的地形地貌插件terrian插件，通過 連接GIS生成指定經(jīng)纟韋度的實(shí)際數(shù)字地形；植被模型可利用3dsmax的造樹插件構(gòu)造指定植 被群；飛機(jī)模型可在AutoCAD根據(jù)尺寸要求中設(shè)計(jì)。
[0041] 圖2所示的是三維場(chǎng)景建，可加載3D繪圖軟件輸出的3D模型文件，通過調(diào)用場(chǎng)景 網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)可獲取頂點(diǎn)數(shù)組模模塊的實(shí)施方法。LabVIEW提供了 VIML、STL、ASE三種常規(guī)三 維幾何模型加載方法、顏色數(shù)組、紋理坐標(biāo)等信息，通過建立幾何模型、添加對(duì)象、設(shè)置紋理 等調(diào)用節(jié)點(diǎn)功能融合不同類型的3D模型搭建三維場(chǎng)景。同時(shí)，LabVIEW提供了豐富的場(chǎng)景 控制方法，包括背景色、光源、視角控制器、自動(dòng)投影方式、顯示模式等基本設(shè)置，以及場(chǎng)景 縮放、平移、旋轉(zhuǎn)等變形控件功能。通過融合這些功能控件于前臺(tái)界面，可以靈活控制三維 場(chǎng)景布局，最終呈現(xiàn)所需的仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，并輸出場(chǎng)景的數(shù)字高程信息，作為目標(biāo)仿真實(shí)驗(yàn) 使用。實(shí)施例中設(shè)定飛機(jī)飛行高度為2km，APD數(shù)目為8陣元，激光頻率為10kHz，地物光斑 腳印涵蓋8個(gè)像素點(diǎn)信息。通過for循環(huán)控件控制飛機(jī)動(dòng)態(tài)線陣掃描，單次掃描次對(duì)應(yīng)實(shí) 際時(shí)間0. lms。
[0042] 圖3給出了 Lidar試驗(yàn)系統(tǒng)仿真環(huán)境建模實(shí)施方案，該方案按照現(xiàn)有的激光能 量分布公式、大氣傳輸公式建模。Lidar試驗(yàn)仿真環(huán)境需要對(duì)激光脈沖模型、大氣傳輸 模型、目標(biāo)交互模型、接收單元模型進(jìn)行建模。激光脈沖建模的內(nèi)容是對(duì)激光時(shí)間分布、 輻照度分布的構(gòu)建，輸入?yún)?shù)包括激光的波長(zhǎng)、半脈寬、發(fā)散角、激光能量、作用距離、頻 率。大氣傳輸模型的目的是模擬光束展寬、大氣湍流、大氣衰減的影響，作用于激光脈沖， 輸入?yún)?shù)包括光譜輻照度、湍流強(qiáng)度、能見距離、亮度因子。目標(biāo)交互模型的目的是模擬 激光脈沖與探測(cè)目標(biāo)作用時(shí)產(chǎn)生的鏡面反射、漫反射、表面反射、散斑的影響，輸入?yún)?shù)包 括鏡面反射因子、漫反射因子、瞬時(shí)斜坡度。接收單元模型是要模擬激光作用目標(biāo)后回 波信號(hào)經(jīng)過接收裝置受到探測(cè)器、放大器的噪聲影響，輸入的參數(shù)包括光圈半徑、瞬時(shí)視 場(chǎng)、帶寬、光傳輸、響應(yīng)率、焦距、暗面電流、暗塊電流、過剩噪聲因子、檢測(cè)器內(nèi)部增益、平 均背景反射、光濾波器帶寬、檢測(cè)器電容值、檢測(cè)器和放大器總放大倍數(shù)。整個(gè)系統(tǒng)模型 的相關(guān)參數(shù)有高程差、溫度、飛行角度、目標(biāo)反射率，啟動(dòng)系統(tǒng)仿真模型各模塊，順序執(zhí)行 產(chǎn)生激光雷達(dá)仿真回波波形。實(shí)施例中，（1)激光脈沖時(shí)間傳播
【權(quán)利要求】
1. 一種基于虛擬儀器的激光雷達(dá)三維成像系統(tǒng)，其特征是包括三維場(chǎng)景建模、Lidar 試驗(yàn)系統(tǒng)仿真環(huán)境建模、全波信號(hào)處理、三維重建四個(gè)功能模塊； (1) 三維場(chǎng)景建模模塊：載入三維模型元件，設(shè)置背景色、視角控制、光照、投影模式、 顯示模型等基本場(chǎng)景項(xiàng)目，對(duì)讀入的包括地形、植被、飛機(jī)的范圍紋理、大小、位置、數(shù)目進(jìn) 行控制，其中飛機(jī)的位置對(duì)應(yīng)激光源位置，試驗(yàn)中動(dòng)態(tài)變化，最終呈現(xiàn)機(jī)載Lidar成像試驗(yàn) 動(dòng)態(tài)場(chǎng)景，并輸出最終的DSM表面高程數(shù)據(jù)，以備后續(xù)試驗(yàn)； (2) Lidar試驗(yàn)系統(tǒng)仿真環(huán)境建模模塊：包括激光脈沖模型、大氣傳輸模型、目標(biāo)交互 模型、接收單元模型四個(gè)子模塊建模；激光脈沖模型按照激光的波長(zhǎng)、脈寬、能量等性質(zhì)對(duì) 激光源進(jìn)行模擬；大氣傳輸模型對(duì)試驗(yàn)的大氣環(huán)境進(jìn)行模擬，生成噪聲模型對(duì)激光進(jìn)行作 用；目標(biāo)交互模型對(duì)激光與探測(cè)目標(biāo)作用模擬，包括鏡面反射、漫反射、表面反射、散斑；接 收單元模型用以模擬傳感后產(chǎn)生的探測(cè)器噪聲、放大器噪聲。通過對(duì)四個(gè)模型順序建模，設(shè) 置高程差、溫度、飛行角度等系統(tǒng)參數(shù)，最終輸出各時(shí)間段目標(biāo)相應(yīng)像素點(diǎn)的全波信號(hào)； (3) 全波信號(hào)處理模塊：針對(duì)各時(shí)間段產(chǎn)生的回波信號(hào)進(jìn)行處理，恢復(fù)像素點(diǎn)深度、強(qiáng) 度信息。該模塊主要包括信號(hào)增強(qiáng)、去噪、平滑、分解四個(gè)部分； (4) 三維重建模塊：該模塊為機(jī)載激光雷達(dá)試驗(yàn)提供最終的可視化的三維成圖；針對(duì) 全波信號(hào)處理模塊提供的目標(biāo)完整的深度及強(qiáng)度信息，生成距離像、強(qiáng)度像；通過分割分類 劃分為非地面點(diǎn)與地面點(diǎn)兩類信息；地面點(diǎn)信息建立網(wǎng)格，對(duì)地面點(diǎn)進(jìn)行三角劃分，融合強(qiáng) 度信息，最終重建生成數(shù)字高程模型（DEM)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬儀器的激光雷達(dá)三維成像系統(tǒng)，其特征是（1)中的 飛機(jī)位置動(dòng)態(tài)變化對(duì)應(yīng)不同測(cè)量周期，按照AH)數(shù)目將激光分光，結(jié)合光斑覆蓋像素點(diǎn)數(shù) 得到一個(gè)周期同時(shí)測(cè)得的像素點(diǎn)數(shù)及其回波信號(hào)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬儀器的激光雷達(dá)三維成像系統(tǒng)，其特征是（3)中可 動(dòng)態(tài)地對(duì)每個(gè)周期的回波信號(hào)搜索、采樣特征點(diǎn)，針對(duì)性處理，實(shí)現(xiàn)信號(hào)增強(qiáng)、去噪、平滑、 波形擬合的一體化功能；為了獲得更高的測(cè)量精度，波形擬合模塊根據(jù)激光脈沖的實(shí)際波 形設(shè)置擬合模板。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的基于虛擬儀器的激光雷達(dá)探測(cè)及測(cè)距系統(tǒng)三維成像仿真 系統(tǒng)，其特征是預(yù)留TCP、串口通信接口，通過采集器加載實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，完成Lidar實(shí)測(cè)點(diǎn)云數(shù) 據(jù)三維成像的功能。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的基于虛擬儀器的激光雷達(dá)探測(cè)及測(cè)距系統(tǒng)三維成像仿 真系統(tǒng)，其特征是成像系統(tǒng)的全波信號(hào)處理模塊實(shí)現(xiàn)過程是：全波信號(hào)按指定采樣率獲取 全波采樣數(shù)據(jù)，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行信號(hào)增強(qiáng)，閾值增強(qiáng)、帶通濾波、脈沖積累方法，降噪模塊針 對(duì)地處理各邊緣、尖峰等細(xì)節(jié)信息；平滑算法對(duì)去噪信號(hào)平滑去毛刺，同時(shí)保證信號(hào)特征 的完整性。峰值、拐點(diǎn)檢測(cè)確定波形分解的數(shù)目及非線性擬合的初始化位置和峰值，基于 Levenberg-Marquardt非線性擬合算法，以實(shí)際激光脈沖波形作為L(zhǎng)M擬合模板，明顯提高 擬合優(yōu)度，減少擬合誤差。通過波形分解得到相應(yīng)像素的深度信息、強(qiáng)度信息。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的基于虛擬儀器的激光雷達(dá)三維成像系統(tǒng)，其特征是基于 LabVIEW的主開發(fā)平臺(tái)，利用ActiveX技術(shù)的LabWindows/CVI、Matlab、C++的混合開發(fā)模 式，構(gòu)建用戶交互主功能界面。通過執(zhí)行主⑶I可呈現(xiàn)完整的激光雷達(dá)三維成像的可視化 仿真試驗(yàn)，最終三維成圖。操作流程為： 第一步：?jiǎn)?dòng)軟件平臺(tái)后，對(duì)三維場(chǎng)景基本參數(shù)進(jìn)行初始化配置，加載地形、植被、飛 機(jī)的三維模型，對(duì)生成的場(chǎng)景元素進(jìn)行大小、位置、紋理等控制，全面布局，最終生成并呈現(xiàn) Lidar三維場(chǎng)景； 第二步：設(shè)置激光模型參數(shù)、大氣模型參數(shù)、探測(cè)器模型參數(shù)，全局參數(shù)，針對(duì)產(chǎn)生場(chǎng)景 觸發(fā)試驗(yàn)，獲取并呈現(xiàn)全波信號(hào)； 第三步：觸發(fā)全波信號(hào)處理，實(shí)時(shí)解算出每個(gè)時(shí)間周期的像素深度信息，并刷新顯示， 可觸發(fā)數(shù)據(jù)存檔； 第四步：觸發(fā)點(diǎn)云三維重建，生成DEM及等高圖，設(shè)置其呈現(xiàn)窗顯示形式，對(duì)圖像存檔。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于虛擬儀器的激光雷達(dá)探測(cè)及測(cè)距系統(tǒng)三維成像仿真 系統(tǒng)，其特征是成像系統(tǒng)的全波信號(hào)處理模塊實(shí)現(xiàn)過程是：降噪具有良好的時(shí)頻特性， 選基靈活，針對(duì)地處理非平穩(wěn)信號(hào)的各邊緣、尖峰等細(xì)節(jié)信息。峰值、拐點(diǎn)檢測(cè)為了確 定波形分解的數(shù)目及非線性擬合的初始化位置和峰值，此前需要?jiǎng)h除誤判錯(cuò)點(diǎn)，并計(jì)算 閾值作為擬合常量；非線性擬合是波形分解的核心算法采用包括Levenberg-Marquardt 非線性擬合，由LabVIEW提供了該功能控件可直接調(diào)用；使用高斯擬合，即
對(duì)于激光脈沖擬合會(huì)存在一定的誤差；實(shí)際的激光時(shí)間分布為：
，其中
T1/2表示半波；因此，使用
作為L(zhǎng)M 擬合模板，明顯提高擬合優(yōu)度，減少擬合誤差。通過波形分解得到相應(yīng)像素的TOF(飛行時(shí) 間）、強(qiáng)度信息。
【文檔編號(hào)】G01S17/89GK104049259SQ201410308788
【公開日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年7月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月1日
【發(fā)明者】王元慶, 徐帆, 曾真 申請(qǐng)人:南京大學(xué)
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