環形旋轉陣列式機載激光雷達研究及應用

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】現階段，公路及鐵路檢測行業用于評定相關檢測參數的統計點數較少，僅使用固定檢測間隔或檢測頻率的數據作為評定依據，不能全面、系統地評定目標體連續的質量或形態。論文運用激光掃描測距系統LRF、衛星導航系統GNSS、高精度動態載體姿態測量系統IMU的基本原理，采用環向旋轉陣列式激光發射方法，輔以縱向方位控制系統，搭載于無人機，構建全方位、全地形、連續且實時的數據檢測處理系統。

【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.

【關鍵詞】激光雷達;旋轉陣列;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運用于日常地表環境的各項監測當中。美國國家生態觀測網NEON使用的Airborne LiDAR就是運用機載激光雷達系統來掃描地物、植被等，對其數據進行科學研究，機載激光雷達技術在國外已大規模應用于數據采集。

與國外相比，國內在激光雷達技術方面經過幾十年的不斷研究、不斷創新，激光雷達技術逐步實現了跨越式的發展。2007年，我國發射的“嫦娥一號”探測衛星搭載激光高度計，用以獲取月球表面高度數據;2012年，北京遙測技術研究所突破各種技術難題，研制出領先世界各國的大氣探測激光雷達系統。機載激光雷達技術作為一種新興的對地觀測技術，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手段，已廣泛應用于國土資源調查、地形測量、林業、災害評估等領域。

在隧道工程方面，目前主要的連續檢測儀器有地質雷達、三維激光斷面儀及全站儀等，可實現相關項目檢測的連續性，但適用性不強。地質雷達檢測中測線的布置有限，三維激光斷面儀、全站儀實現的連續數據檢測需耗費極大的社會資源。在連續檢測方面，上述儀器只適用于直線特定檢測區域的檢測，不能用于帶有曲線性質的檢測，尤其在路線緩和曲線處或轉折處，檢測數據誤差較大，不能真實反映具體點位的三維空間坐標位置，實用性不強。隨著我國相關領域科學技術的飛躍式發展，亟待研制出一種可用于目標體三維連續檢測的智能化數據采集、傳輸及處理系統。該系統以單點多通道二維平面精確檢測，設計采取機載行進的方式，實現了從傳統單點、單平面向多點、三維的檢測方式跨越，實現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、邊坡工程以及養護監測等。這對目前檢測行業將是質的飛躍，創新出了一種獨特的檢測方式，徹底擺脫了傳統檢測的各種環境及地形限制，真正實現全領域檢測適用性。

2 研究內容與方案

2.1 研究內容

環形旋轉陣列式機載激光雷達檢測一體化系統，是基于激光測距和激光雷達技術的融合技術，利用了激光測距原理，參考了激光雷達的陣列采集技術，自主設計環形旋轉陣列式激光布置，創新出的一種集激光掃描測距系統LRF、衛星導航系統GNSS、高精度動態載體姿態測量系統IMU于一體的綜合檢測系統。

環形旋轉陣列式機載激光雷達檢測一體化系統是以激光測距為基礎的測量系統，研究采用無人機對地面沿路線前進方向進行環向旋轉掃描，記錄被測點三維坐標、距離，生成連續、高精度的激光點陣三維數據，數據經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，達到縱向、環向連續的三維檢測數據（見圖1）。

2.2 研究方案

2.2.1 系統組成及功能

系統主要由激光測距系統LRF（見圖2）、衛星導航系統GNSS、高精度動態載體姿態測量系統IMU、環形旋轉陣列系統CR（見圖3）、機載系統以及傳輸處理系統組成。激光測距系統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;衛星導航系統與高精度動態載體姿態測量系統主要用于測定激光在空中的位置及機載系統的飛行姿態，用于坐標定位校正控制;環形旋轉陣列系統主要用于控制激光測距系統的旋轉角度;機載系統主要用于航點及航向規劃;傳輸控制系統用于快速存儲激光測距獲取的各項原始數據。多套系統的有機結合有利于根據載具的位置反算出激光點陣的精確三維坐標。

2.2.2 系統工作原理

環形旋轉陣列式機載激光雷達系統采用激光器作為發射單元，環形旋轉陣列系統控制一定夾角的激光光束射向目標體，同時，記錄激光發射時刻的發射坐標、發射角度等信息。GNSS系統、IMU系統安置在機載平臺上，激光環形陣列排布方向與飛行方向垂直。工作時系統以固定頻率向環形垂直平面發射激光脈沖，更精確測量時可控制旋轉系統，以更小的發射角度多次測量數據。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，即可獲得連續的激光點位數據信息。系統采用固聯的IMU系統測量機載平臺姿態，其慣性導航單元IMU用于測定飛行平臺在空間的姿態參數，其姿態參數主要有側滾角、俯仰角和航向角等。GNSS系統提供飛行平臺的三維坐標信息，發射系統的坐標根據GNSS系統的坐標經IMU系統校正后可準確獲得。機載環形旋轉陣列激光在連續飛行期間以固定頻率發射、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據（見圖4）[1]。

①激光掃描坐標系L-XYZ。原點L為激光發射原點;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;環向旋轉系統設置在YZ環向平面內。

②IMU坐標系I-XYZ。坐標系按慣性平臺內部坐標系定義，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GNSS系統提供的三維坐標進行相關計算。若空間有一向量S，其模為|S|（激光測距系統采集的距離數據），方向為L-XYZ的方向結合環形旋轉陣列系統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。研究系統直接獲取的是激光測距信息，不能直接形成三維數據，因此，需要通過三維數據處理，將每個激光點的發射角及測距值求解為坐標系下的三維坐標。對機載系統來說，起點LS為激光信號發射點，其坐標可通過機載GNSS系統的G-XYZ記錄數據與慣性測量裝置IMU采集的I-XYZ經校正計算獲得。通過三維解算處理，聯合激光脈沖的測距信息、GNSS坐標、IMU姿態坐標，求出每個激光測距目標點的三維坐標XYZ[2]，最終根據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計算后的數據，自動建模出采集目標物的三維模型。在三維建模軟件中設置檢測參數、計算原理及計算模型，導出檢測項目的自動化生成數據。此外，考慮各種系統誤差，剔除偏離實際數據較大的離散數據，得到目標體的連續檢測數據用于實際工作開展。

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LRF、高精度動態載體姿態測量系統IMU、衛星導航系統GNSS、空間直角坐標原理為主要研究理論。上述理論已發展多年，理論及相關實現技術已十分成熟并大規模運用于實際生產，研究系統理論基礎可靠，方法可行。

②試驗技術和方法的可行性。系統參考各種前沿科技的技術方法，結合自主設計的環形旋轉陣列發射裝置，設計思想富有創造性和前瞻性，是目前各項技術的延伸和改進，解決了其他研究領域精度不足的問題，且解決現有問題的方法獨特，技術可行。

3 關鍵技術

①針對評定檢測參數的統計點數少、檢測頻率低等問題，該系統可自由設置檢測頻率以及環向檢測點數，確需縮小環向檢測間距時，可旋轉環向發射裝置，使環向檢測點數實現倍數增加。本系統實現了從傳統單點、單平面向多點、三維的檢測方式跨越。以隧道工程檢測為例，可使用本系統對初期支護完成后的隧道縱向、環向斷面進行連續檢測，得到初期支護的三維數據模型。待二次襯砌施工完成后，使用本系統對二次襯砌進行縱向、環向連續檢測，得到二次襯砌的三維數據模型。將二次襯砌和初期支護的三維數據導入三維軟件，設置計算模型、數據計算頻率，可導出旋轉角度相同的點位的二次襯砌厚度。

②目前，激光雷達領域基于線陣、面陣等多元陣列探測器的探測技術的數據分辨率不高，不能用于精確測量，本系統在運用其他前沿科技的基礎上，環形旋轉陣列式激光布置，正是對線陣、面陣等數據采集方法的創造性改進，使得目標點的單點采集更精確，環向采集頻率、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量級的提高。

③目前，檢測行業的數據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、局部平面的形態或質量，不能用于大面積連續的檢測。本系統解決了目前檢測點數偏少、檢測工作效率低的問題，不僅使檢測效率提升數倍，而且使檢測成本大幅降低。使用本系統可根據實際需要，設置不同的環向采集頻率、縱向步進間距，以達到節約社會資源的目的。

4 特色與創新

本項目研究的環形旋轉陣列式激光雷達檢測一體化系統，是激光測距系統和激光雷達技術的融合，使用激光測距原理，參考激光雷達的陣列數據采集方法，自主設計創造出以機載行進、環形旋轉陣列式激光布置，實現連續單平面多通道精確檢測。該套檢測系統的數據采集方式為空中間接接觸式，不同于目前檢測行業普遍采用的接觸式檢測方法，檢測環境及地形限制較少，極大地增加了多種檢測環境的適用性。

目前，大多數商用系統采用單點掃描方式，每次激光脈沖采集一個目標點數據，通過激光單元掃描鏡擺掃以及飛機運動實現一個航帶的三維點云獲取。隨著高分辨率、連續、快速采集數據的應用需求增加，基于線陣、面陣等多陣列的激光雷達探測技術已經成為技術領域的發展方向，新型機載激光雷達技術極大地提高了目標探測的分辨率及成像速率。該系統運用激光測距的理論基礎，創新了激光采集陣列形式，增加了檢測數據的統計點數，提高了采集精度，使之運用于更精確的測量工作。

該系統借鑒激光雷達的采集原理，使用環形旋轉陣列式的發射接收方式，設計出了一種全新的激光雷達檢測系統，不僅達到了激光雷達的使用效果，而且使數據精度得到數量級的提高。

5 結論與展望

機載激光雷達由于高工作效率和高測量精度等優勢，迅速發展成為地表環境測量的主要技術手段之一。借助其他行業的研究經驗，將機載激光雷達檢測逐漸應用于公路及鐵路，助力檢測及監測行業的技術創新發展。

該系統可縱向、環向全方位連續進行檢測，推動檢測工作進步與檢測數據智能化發展，可大幅度提高檢測技術水平，推動行檢測業和社會技術進步，為其他行業在激光雷達測量方面提供一個全新的測量方法。該系統可滿足公路、鐵路及勘探方面的所有檢測及測量技術需求，可實現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備。該套檢測系統可同時檢測諸多參數，體現單套系統檢測多項參數的優越性。

本文針對環形旋轉陣列式激光雷達檢測系統進行了詳細的設計及研究，驗證了本文提出方法的正確性和可行性。環形旋轉陣列式激光雷達技術目前處于探索階段，隨著國內外激光雷達技術的日益發展，基于線陣、面陣探測器的陣列式機載激光雷達技術將是激光雷達領域的發展趨勢，相關的硬件設備、數據處理工作也將同步飛速發展，下一步激光雷達的探索發展會使采集數據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設計[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。