脈沖式機載激光三維成像雷達發展與現狀

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.航天工程大學航天信息學院,北京 101416;3.66444部隊,北京 100042)

1 引 言

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

脈沖式激光雷達的測距基本原理是激光器向目標發射一個或一系列激光窄脈沖,系統記錄從發射激光脈沖經目標反射后回到探測器的總時間,結合已知的光在空氣中傳播速度,得到目標距離激光雷達的距離。系統的三維成像距離精度主要受到發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量(閃光式)限制。激光雷達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進行單點掃描,并使用單元探測器收集回波信號,結合光束掃描實現范圍成像,形成目標三維點云,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進行泛光照明,用面陣探測器接收回波,發射一次激光脈沖即可完成對目標的三維成像。

圖1 機載掃描式激光雷達原理示意圖

機載激光三維成像技術主要有以下幾個優勢:①具備穿透偽裝網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信息。脈沖式機載激光三維成像具有原理簡單、性能穩定、工作高度范圍廣等優勢,有效提高了對地面目標的探測和識別能力,在軍事偵察、大面積三維地形測繪、地形導航及電力巡線等方面有廣泛的應用前景。論文分為國外機載激光三維成像系統發展與研究現狀和國內機載激光雷達研究現狀分別綜述。

2 國外機載激光三維成像系統發展與研究現狀

2.1 掃描式機載激光三維成像系統

從20世紀80年代開始,歐美國家進行了大量掃描式機載激光三維成像系統的設計和相關實驗。美國的NASA、荷蘭的代爾夫特理工大學、加拿大的卡爾加里大學、日本的東京大學等機構均針對不同應用需求設計了相應的機載激光三維成像系統[2]。目前,掃描式機載激光雷達技術已較為成熟,有大量商業應用。

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的設計[3],其中最新設計的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。系統總載荷質量為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激光雷達實物圖及數字地形圖

該公司的ALTM Gemini同樣較具代表意義。系統采用連續的多脈沖激光技術,激光器發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激光雷達實物圖及數字地形圖

針對高自動化應用場景,Optech公司設計了Eclipse機載激光三維成像系統[4],使得采集工作能夠自動完成,無需人工干預。系統采用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,水平分辨率優于7 cm,在500 m高度的距離分辨率為8 cm,視場角為60°,系統搭載了與激光三維成像系統共視場的RGB相機,像元數量為6600×4400。系統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,質量約為36.5 kg。系統及其掛載在直升機如圖4所示。

(a)系統樣機 (b)系統掛載在直升機上

針對飛行高度對三維點云質量的影響,Optech公司設計了Galaxy[5]機載激光三維成像系統。該系統具備高效率寬視場采集能力,且能夠根據飛機與地面之間的相對高度動態控制視場角,以保證掃描寬度和點云密度固定。如圖5所示,傳統機載激光雷達視場角固定,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,質量為27 kg,傳感器及其成像結果如圖6所示。

圖6 Galaxy激光三維成像系統傳感器與成像結果

圖5 Galaxy與傳統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用設計了FLI-MAP 400機載激光三維成像系統[6-7]。該系統具備三維圖像與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系統對大橋的三維成像結果,其三維圖像中融合了彩色信息。

圖7 FLI-MAP 400激光雷達對大橋成像結果

針對激光三維成像輔助降落的應用需求,美國空軍研究實驗室(Air Force Research Laboratory,簡稱AFRL)主導研制了3D-LZ激光三維成像系統。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。該系統借助激光雷達的三維成像功能,能夠有效應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在嚴重揚塵的環境下輔助降落

美國塔斯馬尼亞大學(University of Tasmania)Wallace等[9]采用Ibeo公司的LUX激光三維成像系統搭載在無人機上成功進行了對地三維成像實驗,系統采用4條平行線掃描方式,激光波長為905 nm,激光發散角為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,質量為1 kg。系統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

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,設計了一種全固態激光三維成像系統,該系統采用液晶雙折射效應調制相位實現光束指向控制,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,質量小于1 kg。系統實物如圖10所示。

圖10 相控掃描激光三維成像系統

此外,還有奧地利Riegl公司、德國Leica公司、美國Phonix公司[11]等也設計了各具特色的激光三維成像系統。綜上可以看出,掃描式激光雷達技術成熟,已經很好地實現了商業化,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

國外閃光式機載激光雷達研究起步較早,并且借助于探測器工藝的先進性,取得了較大的進展。

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。該系統由DARPA資助,目的是具備一定的穿透障礙能力的低空成像偵察。系統采用激光器波長為532 nm,重頻為16 kHz,脈寬為300 ps；接收光學系統孔徑為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。系統裝載在UH-1直升機上,在100 m高度對地面隱蔽目標成像的結果如圖11所示。

圖11 Jigsaw外場實驗結果圖

2010年,MIT/LL的Robert Knowlton等[14]成功研制了機載雷達成像研究試驗臺系統(Airborne Ladar Imaging Research Testbed,ALIRT),該項目由美國空軍資助。如圖12所示,系統掛載在噴氣式飛機,對地面三維成像的同時融合GPS/IMU信息,實現對地面的偵察與測繪。系統探測器是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高空對地面進行2000 km2/h的快速三維成像,距離精度為0.3 m,成像實驗結果如圖13所示。

圖12 MIT/LL設計的ALIRT激光雷達

圖13 MIT/LL設計的ALIRT激光雷達對地成像結果

2010年,由美國DARPA主導研制的高空雷達實驗系統(High-Altitude LIDAR Operations Experiment,HALOE)作為戰場信息支援單位部署在阿富汗,并成功完成任務。其采用蓋革APD陣列,可以對小于10個光子的回波信號響應。得益于高靈敏度面陣探測器的使用,系統掛載在WB-57等固定翼飛機上,能夠在90天內完成50 %的阿富汗境內三維數字地形圖繪制,且距離精度優于15 cm,而以往的掃描式雷達完成此項工作通常需要30年,如圖14為HALOE系統獲得的地面三維數字地形圖[15]。2016年,美國陸軍研究院(the Army Research Laboratory)與Scitor公司達成合作,在HALOE基礎上研發高靈敏度機載三維成像系統,以借助機載平臺高度優勢快速完成大面積區域三維地圖繪制工作。

圖14 HALOE系統在阿富汗獲得的地面三維圖像

JIGSAW、ALIRT、HALOE構成了低、中、高空覆蓋的機載激光三維成像系統,滿足了軍事應用需求。此后,DARPA促成了蓋革APD陣列技術由MIT/LL向Princeton Lightwave公司、Boeing Spectrolab、哈瑞斯公司(Harris Corporation)的轉讓[16],推進了以蓋革APD陣列為傳感器的激光三維成像系統的商業化應用。

美國先進科技概念公司(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系統[17]。其設計目的是掛載在無人機上進行地形圖繪制,設計體積不大于0.3 m3,設計重量為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成像能力。其在300 m高度對地面車輛成像結果如圖16所示。

圖16 ASC公司機載激光雷達樣機對地面成像結果

圖15 ASC公司機載激光雷達樣機及其成像結果

2010年,美國Ball Aerospace公司[18-19]研發了TotalSight激光三維成像系統,如圖17所示。該系統具備實時生成彩色三維圖像的能力,能夠結合GPS及慣導技術,使用多幀圖像對感興趣區域進行圖像拼接。系統最大工作高度大于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果如圖18所示。

圖17 美國BALL公司設計的TotalSight激光雷達

圖18 TotalSight在機載平臺拼接后生成的彩色高程圖

隨著技術的成熟,美國的Princeton Lightwave和Boeing Spectrolab已經推出了分辨率為32×32,波長為1064 nm/1550 nm的商業化激光雷達。可以看出,相比于掃描式機載激光雷達,閃光式機載激光雷達在成像分辨率、成像速率、體積、重量等方面有著明顯的優勢,并且具備掛載在無人機平臺的潛質,有著廣闊的軍事應用前景。

3 國內機載激光雷達研究現狀

國內激光雷達硬件研制相對國外的研究而言起步較晚,但是發展速度較快。

1999年,中科院上海技術物理研究所研制了ASLRIS激光雷達系統[20]。系統的瞬時視場為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,采用該系統對澳門地區采集的三維圖像如圖19所示。2007年,該所成功設計了性能更好的機載激光雷達,距離精度為35 cm,強度動態范圍為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激光雷達獲取的澳門地區地形圖

2007年,山東科技大學的程壘等[21]在天津市進行了其設計的AOE-a120激光雷達系統的首次飛行試驗,試飛覆蓋面積約為100 km2。系統搭載在運12固定翼飛機上,如圖20所示。系統設計航高為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

2012年,桂林理工大學的周國清等[22]為了實現輕量化的目的,設計了一種閃光式機載激光三維成像系統,系統采用APD陣列作為探測器,預期在300 m的工作高度實現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的室內驗證實驗,在15 m的距離下,其測距精度優于11 cm,25路之間的不一致性標準差小于4.5 cm。系統采用波長為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的掃描效率和點云密度,設計了雙通道機載三維成像系統,系統采用兩套獨立激光測距分系統通過調整激光發射與接收單元的位置角度實現隔離,因此每次掃描能夠得到目標場景中兩個點的位置信息。實驗證明,該系統在500 m的工作高度范圍內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設計了機載激光三維成像系統,系統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,該系統在800 m高度對地面三維成像的結果如圖22(a)所示,在100 m高度對地面電力線勘察結果如圖22(b)所示。

圖22 系統在不同工作高度三維成像結果

2016年,哈爾濱工業大學的于方磊等[26]針對機載三維成像系統中飛行高度與高數據率的矛盾,研究了機載單光子激光三維成像系統,設計了地面原理樣機。同年,通課題組的葉光超等[27]以條紋陣列為探測器設計了機載激光三維成像系統,該系統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,其在3000 m和5800 m高度的三維成像結果如圖23所示。

圖23 影像與三維成像結果

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技術等方法,設計了多波束光子計數激光雷達,在保證采樣率的同時降低了系統功率、體積和重量。系統視場角為100 mrad,最大工作高度為3 km,在1500 m高度的距離精度優于0.35 m,激光器波長為1064 nm,單脈沖能量約為1.4 uJ,系統安裝在運12平臺如圖24所示。

圖24 激光三維成像系統安裝在運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在南海的測試。系統采用雙波長激光三維成像原理實現了海陸一體化測繪,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,該系統采用激光器波長為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,質量為4 kg。系統成功進行了外場試驗,飛行高度為80～140 m,成像范圍為輸電線路兩側30 m帶狀區域,圖26是完成濾波與目標分類后的三維成像結果。

圖26 針對電力巡線的無人機載三維成像系統

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

4 總 結

可以看出,機載激光三維成像系統在軍事領域中的應用需求日益漸增,在目標的成像探測、戰場態勢圖實時繪制及反偽裝偵察等應用中前景廣闊。

目前掃描式機載激光三維成像技術已經較為成熟,能夠滿足地形測繪、目標識別及輔助著陸等多種需求。商業用途的掃描式激光雷達可以采用低靈敏度傳感器,結合多次掃描得到密集的點云,但是在軍事領域的應用中,尤其是戰場精確偵察和戰場實時態勢感知,激光三維成像系統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能夠更好地滿足這些需求。同時,閃光式機載激光雷達由于工作距離較高,具備更好的生存能力；且在進一步小型化的基礎上,能夠掛載在無人機系統上完成軍事偵察任務。因此,目前國外軍事用途的機載激光雷達研究多集中在閃光式激光雷達方向,且有持續升溫的趨勢。