脉冲式机载激光三维成像雷达发展与现状

曾华锋,王 帅,康丽华,范爱民

(1.华能海南清洁能源分公司,海南 海口 570100;2.航天工程大学航天信息学院,北京 101416;3.66444部队,北京 100042)

1 引 言

在对地侦察、目标识别和地形建模等应用中,目标的三维信息至关重要。脉冲式激光三维成像系统使用激光器发射一个短脉冲照射目标,探测器接收回波信号并处理,得到回波携带的目标距离信息,最终获得目标的三维图像。机载激光三维成像是指将激光三维成像系统装载在机载平台,根据获得的三维图像判断成像中心到地面采样点的相对距离,辅以卫星定位及惯性导航系统(Inertial Navigation System,INS)等确定飞机的位置和姿态,根据几何原理计算出采样点的三维坐标,得到地面目标的三维图像,通常具有小型化、低功耗等特点。

脉冲式激光雷达的测距基本原理是激光器向目标发射一个或一系列激光窄脉冲,系统记录从发射激光脉冲经目标反射后回到探测器的总时间,结合已知的光在空气中传播速度,得到目标距离激光雷达的距离。系统的三维成像距离精度主要受到发射及回波信号时间提取精度和时间测量精度的限制,水平分辨率则受到扫描点的密集程度(扫描式)或是探测器的像元数量(闪光式)限制。激光雷达按照二维图像获取方式分类可以分为扫描式和闪光式两种。

扫描式激光三维成像是指利用激光束对目标进行单点扫描,并使用单元探测器收集回波信号,结合光束扫描实现范围成像,形成目标三维点云,图1即为线性扫描方式工作的原理简图[1]。闪光式激光三维成像控制激光束对目标进行泛光照明,用面阵探测器接收回波,发射一次激光脉冲即可完成对目标的三维成像。

图1 机载扫描式激光雷达原理示意图

机载激光三维成像技术主要有以下几个优势:①具备穿透伪装网及树林等稀疏障碍成像的能力；②不易受到日光或夜间影响,具备全天时工作能力；③不需要地面控制点配合；④成像效率高,更新周期短；⑤抗电磁干扰能力强；⑥能够与可见光或红外图像互补融合,全方位获取地面目标信息。脉冲式机载激光三维成像具有原理简单、性能稳定、工作高度范围广等优势,有效提高了对地面目标的探测和识别能力,在军事侦察、大面积三维地形测绘、地形导航及电力巡线等方面有广泛的应用前景。论文分为国外机载激光三维成像系统发展与研究现状和国内机载激光雷达研究现状分别综述。

2 国外机载激光三维成像系统发展与研究现状

2.1 扫描式机载激光三维成像系统

从20世纪80年代开始,欧美国家进行了大量扫描式机载激光三维成像系统的设计和相关实验。美国的NASA、荷兰的代尔夫特理工大学、加拿大的卡尔加里大学、日本的东京大学等机构均针对不同应用需求设计了相应的机载激光三维成像系统[2]。目前,扫描式机载激光雷达技术已较为成熟,有大量商业应用。

加拿大的Optech公司在美国海军的资助下开展了SHOALS系列高精度机载激光雷达的设计[3],其中最新设计的SHOALS 3000具备海洋测深和地形测绘两种模式,主要用于海岸线测绘等。在地形测绘模式时,其激光器重频为20 kHz,工作高度为300～1000 m,距离分辨率为25 cm,水平分辨率为2 m。在海洋测深模式时,采用双波长激光器,重频为3 kHz,工作高度为300～400 m,最大探测深度为50 m。系统总载荷质量为217 kg,其实物图和对海岸线获取的三维图像如图2所示,可以看出其具备水下地形探测的能力。

图2 SHOALS 3000激光雷达实物图及数字地形图

该公司的ALTM Gemini同样较具代表意义。系统采用连续的多脉冲激光技术,激光器发射两束或两束以上的激光,采用探测器分别接收,克服了激光飞行时间对激光帧频的影响,使得成像速率提高了一倍。系统工作高度为150～4000 m,距离分辨率为5～30 cm,水平分辨率为工作高度的1/5500,激光器重频为33～167 kHz,视场角为0～50°,帧频为0～70 Hz。系统实物图及获取的地面三维图像如图3所示。

图3 ALTM Gemini激光雷达实物图及数字地形图

针对高自动化应用场景,Optech公司设计了Eclipse机载激光三维成像系统[4],使得采集工作能够自动完成,无需人工干预。系统采用1550 nm激光,重频为300 kHz,在场景反射率大于20 %时,有效工作范围为50～1000 m,水平分辨率优于7 cm,在500 m高度的距离分辨率为8 cm,视场角为60°,系统搭载了与激光三维成像系统共视场的RGB相机,像元数量为6600×4400。系统传感器两个部分尺寸分别为355 mm×328 mm×290 mm和167×110 mm×100 mm,控制器尺寸为470 mm×880 mm×300 mm,质量约为36.5 kg。系统及其挂载在直升机如图4所示。

(a)系统样机 (b)系统挂载在直升机上

针对飞行高度对三维点云质量的影响,Optech公司设计了Galaxy[5]机载激光三维成像系统。该系统具备高效率宽视场采集能力,且能够根据飞机与地面之间的相对高度动态控制视场角,以保证扫描宽度和点云密度固定。如图5所示,传统机载激光雷达视场角固定,在采集山顶和山谷时地面场景视场大小与点云采样密度是不同的,而Galaxy通过可变视场角解决了这一问题。系统采用1064 nm激光器,重频为50～1000 kHz,扫描频率为每秒0-240扫描线,光束发散角为0.25 mrad,视场角为10～60°,工作高度为150～6000 m,测距精度随高度不同为0.03～0.25 m,传感器尺寸为0.34 m×0.34 m×0.25 m,质量为27 kg,传感器及其成像结果如图6所示。

图6 Galaxy激光三维成像系统传感器与成像结果

图5 Galaxy与传统机载激光扫描足迹的差别示意图

荷兰Fugro公司针对低空高分辨率三维成像应用设计了FLI-MAP 400机载激光三维成像系统[6-7]。该系统具备三维图像与RGB彩色图像融合功能,激光器重频为150 kHz～250 kHz,工作高度为50～900 m,距离分辨率为5 cm,水平分辨率为8 cm,在100 m的高度上,点云密度为70 points/m2。如图7为FLI-MAP 400系统对大桥的三维成像结果,其三维图像中融合了彩色信息。

图7 FLI-MAP 400激光雷达对大桥成像结果

针对激光三维成像辅助降落的应用需求,美国空军研究实验室(Air Force Research Laboratory,简称AFRL)主导研制了3D-LZ激光三维成像系统。如图8为3D-LZ挂载在EH-60直升机上完成了辅助降落实验[8]。系统采用了红外波段1550 nm的光纤激光器,接收探测器为APD,通过转镜扫描,视场角为30°×60°,最大工作高度为610 m,距离分辨率为1 cm,水平分辨率为1 mrad。该系统借助激光雷达的三维成像功能,能够有效应对扬尘及灯火管制等情况,辅助直升机驾驶员避开地面的障碍物。

图8 3D-LZ在严重扬尘的环境下辅助降落

美国塔斯马尼亚大学(University of Tasmania)Wallace等[9]采用Ibeo公司的LUX激光三维成像系统搭载在无人机上成功进行了对地三维成像实验,系统采用4条平行线扫描方式,激光波长为905 nm,激光发散角为0.08°,视场角为110°×3.2°,采样率为22 kpoints/s,工作高度为200 m,距离分辨率为0.1 m,质量为1 kg。系统搭载在无人机平台工作时如图9所示。

图9 无人机载平台激光三维成像系统

美国Vescent Photonics公司的Davis等[10]针对机载平台对载荷的小型化、低功耗要求,设计了一种全固态激光三维成像系统,该系统采用液晶双折射效应调制相位实现光束指向控制,在小型化、低功耗的同时避免了机械共振和扫描惯性延迟等问题,系统激光器重频为50 kHz,扫描控制精度为 (6×10-4)°,单脉冲能量为1 mJ,光束直径为2 mm,工作高度为100 m,帧频为2帧/s,视场角为20°×5°,体积为1 L,功耗小于20 W,质量小于1 kg。系统实物如图10所示。

图10 相控扫描激光三维成像系统

此外,还有奥地利Riegl公司、德国Leica公司、美国Phonix公司[11]等也设计了各具特色的激光三维成像系统。综上可以看出,扫描式激光雷达技术成熟,已经很好地实现了商业化,能够针对多种场景完成水底测深、彩色信息融合以及实时三维成像等工作。但是由于受到激光器单脉冲能量和激光器重频这一对矛盾参数的限制,很难在成像帧频和成像距离上有所突破。

2.2 闪光式机载激光雷达

国外闪光式机载激光雷达研究起步较早,并且借助于探测器工艺的先进性,取得了较大的进展。

2005年,美国麻省理工林肯实验室(MIT Lincoln Laboratory,MIT/LL)的Richard Heinrichs等[12]成功研制Jigsaw激光三维成像系统。该系统由DARPA资助,目的是具备一定的穿透障碍能力的低空成像侦察。系统采用激光器波长为532 nm,重频为16 kHz,脉宽为300 ps；接收光学系统孔径为75 mm,焦距为300 mm；探测器为32×32盖革APD阵列[13],视场角为10.1 mrad,在150 m的距离上,水平精度为5 cm,距离精度为40 cm。系统装载在UH-1直升机上,在100 m高度对地面隐蔽目标成像的结果如图11所示。

图11 Jigsaw外场实验结果图

2010年,MIT/LL的Robert Knowlton等[14]成功研制了机载雷达成像研究试验台系统(Airborne Ladar Imaging Research Testbed,ALIRT),该项目由美国空军资助。如图12所示,系统挂载在喷气式飞机,对地面三维成像的同时融合GPS/IMU信息,实现对地面的侦察与测绘。系统探测器是32×128的InP/InGaAsP盖革APD,激光器工作波长为1500 nm,能够全天时在3 km高空对地面进行2000 km2/h的快速三维成像,距离精度为0.3 m,成像实验结果如图13所示。

图12 MIT/LL设计的ALIRT激光雷达

图13 MIT/LL设计的ALIRT激光雷达对地成像结果

2010年,由美国DARPA主导研制的高空雷达实验系统(High-Altitude LIDAR Operations Experiment,HALOE)作为战场信息支援单位部署在阿富汗,并成功完成任务。其采用盖革APD阵列,可以对小于10个光子的回波信号响应。得益于高灵敏度面阵探测器的使用,系统挂载在WB-57等固定翼飞机上,能够在90天内完成50 %的阿富汗境内三维数字地形图绘制,且距离精度优于15 cm,而以往的扫描式雷达完成此项工作通常需要30年,如图14为HALOE系统获得的地面三维数字地形图[15]。2016年,美国陆军研究院(the Army Research Laboratory)与Scitor公司达成合作,在HALOE基础上研发高灵敏度机载三维成像系统,以借助机载平台高度优势快速完成大面积区域三维地图绘制工作。

图14 HALOE系统在阿富汗获得的地面三维图像

JIGSAW、ALIRT、HALOE构成了低、中、高空覆盖的机载激光三维成像系统,满足了军事应用需求。此后,DARPA促成了盖革APD阵列技术由MIT/LL向Princeton Lightwave公司、Boeing Spectrolab、哈瑞斯公司(Harris Corporation)的转让[16],推进了以盖革APD阵列为传感器的激光三维成像系统的商业化应用。

美国先进科技概念公司(Advanced Scientific Concepts Inc.,简称ASC)采用线性APD阵列作为探测器,在2006年成功研制了如图15所示的机载激光雷达系统[17]。其设计目的是挂载在无人机上进行地形图绘制,设计体积不大于0.3 m3,设计重量为22.7 kg(含GPS及INS),对地三维成像能力为350 km2/h,且具备实时三维成像能力。系统采用激光波长为1570 nm,脉宽为5 ns,单脉冲能量为2.5～7 mJ；探测器为128×128的线性InGaAs APD阵列,对400 m以外正在飞行的直升机成像结果如图15所示,从其对螺旋桨清晰成像可以看出其具备高速运动目标成像能力。其在300 m高度对地面车辆成像结果如图16所示。

图16 ASC公司机载激光雷达样机对地面成像结果

图15 ASC公司机载激光雷达样机及其成像结果

2010年,美国Ball Aerospace公司[18-19]研发了TotalSight激光三维成像系统,如图17所示。该系统具备实时生成彩色三维图像的能力,能够结合GPS及惯导技术,使用多帧图像对感兴趣区域进行图像拼接。系统最大工作高度大于1800 m,成像帧频为30 f/s,其在800 m高空机载平台上对地观测实验结果如图18所示。

图17 美国BALL公司设计的TotalSight激光雷达

图18 TotalSight在机载平台拼接后生成的彩色高程图

随着技术的成熟,美国的Princeton Lightwave和Boeing Spectrolab已经推出了分辨率为32×32,波长为1064 nm/1550 nm的商业化激光雷达。可以看出,相比于扫描式机载激光雷达,闪光式机载激光雷达在成像分辨率、成像速率、体积、重量等方面有着明显的优势,并且具备挂载在无人机平台的潜质,有着广阔的军事应用前景。

3 国内机载激光雷达研究现状

国内激光雷达硬件研制相对国外的研究而言起步较晚,但是发展速度较快。

1999年,中科院上海技术物理研究所研制了ASLRIS激光雷达系统[20]。系统的瞬时视场为3 mrad,总视场为0.3 rad,激光器重频为1280 Hz,飞行高度大于600 m,距离分辨率为10 cm,水平分辨率为5 m,采用该系统对澳门地区采集的三维图像如图19所示。2007年,该所成功设计了性能更好的机载激光雷达,距离精度为35 cm,强度动态范围为8 bit,视场角为±25°,最大扫描频率为50 Hz,方位角测量精度为0.5 mrad。

图19 ASLRIS激光雷达获取的澳门地区地形图

2007年,山东科技大学的程垒等[21]在天津市进行了其设计的AOE-a120激光雷达系统的首次飞行试验,试飞覆盖面积约为100 km2。系统搭载在运12固定翼飞机上,如图20所示。系统设计航高为600 m和1100 m,在600 m航高的情况下,飞行速度为200 km/h,设计地面点距为1.1×0.8 m,扫描角度为40°,扫描频率为24 Hz,激光器重频为40 kHz。系统对地面某立交桥得到的三维图像如图21所示。

图21 AOE-a120对地面立交桥得到的三维图像

图20 机载AOE-a120系统

2012年,桂林理工大学的周国清等[22]为了实现轻量化的目的,设计了一种闪光式机载激光三维成像系统,系统采用APD阵列作为探测器,预期在300 m的工作高度实现4.5 m的空间分辨率。2015年,周国清等[23]完成了无人机载平台激光三维成像系统的室内验证实验,在15 m的距离下,其测距精度优于11 cm,25路之间的不一致性标准差小于4.5 cm。系统采用波长为905 nm,重频为25 kHz的激光器,脉宽为8 ns,峰值功率为220 W,单脉冲能量为1760 nJ。

2013年,中科院光电研究院的李孟麟等[24]为了提高机载激光三维成像系统的扫描效率和点云密度,设计了双通道机载三维成像系统,系统采用两套独立激光测距分系统通过调整激光发射与接收单元的位置角度实现隔离,因此每次扫描能够得到目标场景中两个点的位置信息。实验证明,该系统在500 m的工作高度范围内能够有效提高点云密度。2015年,李孟麟等[25]以小型化和轻量化为目标设计了机载激光三维成像系统,系统采用四面棱镜作为扫描部件,扫描频率大于100 kHz,采用光纤激光器作为光源,在293 m高度时距离精度为18 mm,该系统在800 m高度对地面三维成像的结果如图22(a)所示,在100 m高度对地面电力线勘察结果如图22(b)所示。

图22 系统在不同工作高度三维成像结果

2016年,哈尔滨工业大学的于方磊等[26]针对机载三维成像系统中飞行高度与高数据率的矛盾,研究了机载单光子激光三维成像系统,设计了地面原理样机。同年,通课题组的叶光超等[27]以条纹阵列为探测器设计了机载激光三维成像系统,该系统采用扫帚式扫描体制,在3000 m和5800 m飞行高度下平定位精度分别为0.24 m和0.46 m,距离精度分别为0.11 m和0.16 m,能够在2 min 13 s完成30 km2的三维成像任务,其在3000 m和5800 m高度的三维成像结果如图23所示。

图23 影像与三维成像结果

2017年,中科院上海技物所的李铭等[28]采用单光子探测及光纤光学技术等方法,设计了多波束光子计数激光雷达,在保证采样率的同时降低了系统功率、体积和重量。系统视场角为100 mrad,最大工作高度为3 km,在1500 m高度的距离精度优于0.35 m,激光器波长为1064 nm,单脉冲能量约为1.4 uJ,系统安装在运12平台如图24所示。

图24 激光三维成像系统安装在运12平台

2017年,中科院上海光机所的贺岩等[29]完成了Mapper 5000机载激光三维成像系统在南海的测试。系统采用双波长激光三维成像原理实现了海陆一体化测绘,对海水最大成像深度为51 m,最小深度为0.25 m,测距精度为0.23 m,水平精度为0.26 m,对海水三维成像时水平分辨率为1.1 m,对陆地三维成像时水平分辨率为0.25 m。系统装载在运12上，如图25所示。

图25 Mapper 5000

2018年,中科院光电研究院的李伟等[30]提出一种针对复杂地形条件下电力巡线的无人机载平台激光三维成像系统,该系统采用激光器波长为905 nm,距离分辨率为4 cm,成像距离为200 m,视场角为110°,采样率为40 kpoints/s,角分辨率为0.125°,功耗为13 W,质量为4 kg。系统成功进行了外场试验,飞行高度为80～140 m,成像范围为输电线路两侧30 m带状区域,图26是完成滤波与目标分类后的三维成像结果。

图26 针对电力巡线的无人机载三维成像系统

此外,中国科技大学、海军海洋测绘研究院等相关机构都在扫描式机载激光雷达方向展开了研究。

4 总 结

可以看出,机载激光三维成像系统在军事领域中的应用需求日益渐增,在目标的成像探测、战场态势图实时绘制及反伪装侦察等应用中前景广阔。

目前扫描式机载激光三维成像技术已经较为成熟,能够满足地形测绘、目标识别及辅助着陆等多种需求。商业用途的扫描式激光雷达可以采用低灵敏度传感器,结合多次扫描得到密集的点云,但是在军事领域的应用中,尤其是战场精确侦察和战场实时态势感知,激光三维成像系统必须在尽量少的飞行时间中得到满足需要的点云密度,需要更高的三维成像精度与效率,闪光式机载激光雷达能够更好地满足这些需求。同时,闪光式机载激光雷达由于工作距离较高,具备更好的生存能力；且在进一步小型化的基础上,能够挂载在无人机系统上完成军事侦察任务。因此,目前国外军事用途的机载激光雷达研究多集中在闪光式激光雷达方向,且有持续升温的趋势。