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(cè)行業(yè)用于評(píng)定相關(guān)檢測(cè)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)點(diǎn)數(shù)較少，僅使用固定檢測(cè)間隔或檢測(cè)頻率的數(shù)據(jù)作為評(píng)定依據(jù)，不能全面、系統(tǒng)地評(píng)定目標(biāo)體連續(xù)的質(zhì)量或形態(tài)。論文運(yùn)用激光掃描測(cè)距系統(tǒng)LRF、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS、高精度動(dòng)態(tài)載體姿態(tài)測(cè)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(jī)，構(gòu)建全方位、全地形、連續(xù)且實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)檢測(cè)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(dá);旋轉(zhuǎn)陣列;激光測(cè)距;三維檢測(cè);公路檢測(cè)

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

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

1 引言

目前，國(guó)外已將機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)運(yùn)用于日常地表環(huán)境的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)當(dāng)中。美國(guó)國(guó)家生態(tài)觀測(cè)網(wǎng)NEON使用的Airborne LiDAR就是運(yùn)用機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)來掃描地物、植被等，對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)研究，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在國(guó)外已大規(guī)模應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集。

與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)在激光雷達(dá)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(dá)技術(shù)逐步實(shí)現(xiàn)了跨越式的發(fā)展。2007年，我國(guó)發(fā)射的“嫦娥一號(hào)”探測(cè)衛(wèi)星搭載激光高度計(jì)，用以獲取月球表面高度數(shù)據(jù);2012年，北京遙測(cè)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(guó)的大氣探測(cè)激光雷達(dá)系統(tǒng)。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)作為一種新興的對(duì)地觀測(cè)技術(shù)，因其具有速度快、精度高、信息豐富等特點(diǎn)，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(yīng)用于國(guó)土資源調(diào)查、地形測(cè)量、林業(yè)、災(zāi)害評(píng)估等領(lǐng)域。

在隧道工程方面，目前主要的連續(xù)檢測(cè)儀器有地質(zhì)雷達(dá)、三維激光斷面儀及全站儀等，可實(shí)現(xiàn)相關(guān)項(xiàng)目檢測(cè)的連續(xù)性，但適用性不強(qiáng)。地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)中測(cè)線的布置有限，三維激光斷面儀、全站儀實(shí)現(xiàn)的連續(xù)數(shù)據(jù)檢測(cè)需耗費(fèi)極大的社會(huì)資源。在連續(xù)檢測(cè)方面，上述儀器只適用于直線特定檢測(cè)區(qū)域的檢測(cè)，不能用于帶有曲線性質(zhì)的檢測(cè)，尤其在路線緩和曲線處或轉(zhuǎn)折處，檢測(cè)數(shù)據(jù)誤差較大，不能真實(shí)反映具體點(diǎn)位的三維空間坐標(biāo)位置，實(shí)用性不強(qiáng)。隨著我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的飛躍式發(fā)展，亟待研制出一種可用于目標(biāo)體三維連續(xù)檢測(cè)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(diǎn)多通道二維平面精確檢測(cè)，設(shè)計(jì)采取機(jī)載行進(jìn)的方式，實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)單點(diǎn)、單平面向多點(diǎn)、三維的檢測(cè)方式跨越，實(shí)現(xiàn)了單次檢測(cè)所有適用項(xiàng)目，可應(yīng)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(hù)監(jiān)測(cè)等。這對(duì)目前檢測(cè)行業(yè)將是質(zhì)的飛躍，創(chuàng)新出了一種獨(dú)特的檢測(cè)方式，徹底擺脫了傳統(tǒng)檢測(cè)的各種環(huán)境及地形限制，真正實(shí)現(xiàn)全領(lǐng)域檢測(cè)適用性。

2 研究?jī)?nèi)容與方案

2.1 研究?jī)?nèi)容

環(huán)形旋轉(zhuǎn)陣列式機(jī)載激光雷達(dá)檢測(cè)一體化系統(tǒng)，是基于激光測(cè)距和激光雷達(dá)技術(shù)的融合技術(shù)，利用了激光測(cè)距原理，參考了激光雷達(dá)的陣列采集技術(shù)，自主設(shè)計(jì)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(cè)距系統(tǒng)LRF、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS、高精度動(dòng)態(tài)載體姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)IMU于一體的綜合檢測(cè)系統(tǒng)。

環(huán)形旋轉(zhuǎn)陣列式機(jī)載激光雷達(dá)檢測(cè)一體化系統(tǒng)是以激光測(cè)距為基礎(chǔ)的測(cè)量系統(tǒng)，研究采用無人機(jī)對(duì)地面沿路線前進(jìn)方向進(jìn)行環(huán)向旋轉(zhuǎn)掃描，記錄被測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)、距離，生成連續(xù)、高精度的激光點(diǎn)陣三維數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)處理后得到被測(cè)物的高程、厚度、輪廓信息，用以計(jì)算工程中各項(xiàng)檢測(cè)參數(shù)，達(dá)到縱向、環(huán)向連續(xù)的三維檢測(cè)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(cè)距系統(tǒng)LRF（見圖2）、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS、高精度動(dòng)態(tài)載體姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)IMU、環(huán)形旋轉(zhuǎn)陣列系統(tǒng)CR（見圖3）、機(jī)載系統(tǒng)以及傳輸處理系統(tǒng)組成。激光測(cè)距系統(tǒng)包括測(cè)距單元和控制單元，主要用于檢測(cè)頻率控制、距離測(cè)量;衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與高精度動(dòng)態(tài)載體姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)主要用于測(cè)定激光在空中的位置及機(jī)載系統(tǒng)的飛行姿態(tài)，用于坐標(biāo)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(cè)距系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)角度;機(jī)載系統(tǒng)主要用于航點(diǎn)及航向規(guī)劃;傳輸控制系統(tǒng)用于快速存儲(chǔ)激光測(cè)距獲取的各項(xiàng)原始數(shù)據(jù)。多套系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合有利于根據(jù)載具的位置反算出激光點(diǎn)陣的精確三維坐標(biāo)。

2.2.2 系統(tǒng)工作原理

環(huán)形旋轉(zhuǎn)陣列式機(jī)載激光雷達(dá)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(biāo)體，同時(shí)，記錄激光發(fā)射時(shí)刻的發(fā)射坐標(biāo)、發(fā)射角度等信息。GNSS系統(tǒng)、IMU系統(tǒng)安置在機(jī)載平臺(tái)上，激光環(huán)形陣列排布方向與飛行方向垂直。工作時(shí)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(cè)量時(shí)可控制旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，以更小的發(fā)射角度多次測(cè)量數(shù)據(jù)。每次接收到垂直于飛行方向的多個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的距離、角度信息。當(dāng)機(jī)載平臺(tái)沿飛行方向前進(jìn)時(shí)，即可獲得連續(xù)的激光點(diǎn)位數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)采用固聯(lián)的IMU系統(tǒng)測(cè)量機(jī)載平臺(tái)姿態(tài)，其慣性導(dǎo)航單元IMU用于測(cè)定飛行平臺(tái)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(tái)的三維坐標(biāo)信息，發(fā)射系統(tǒng)的坐標(biāo)根據(jù)GNSS系統(tǒng)的坐標(biāo)經(jīng)IMU系統(tǒng)校正后可準(zhǔn)確獲得。機(jī)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(biāo)點(diǎn)的距離及角度信息，采用高功率的激光單元，可獲得毫米級(jí)的測(cè)量數(shù)據(jù)（見圖4）[1]。

①激光掃描坐標(biāo)系L-XYZ。原點(diǎn)L為激光發(fā)射原點(diǎn);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(biāo)系I-XYZ。坐標(biāo)系按慣性平臺(tái)內(nèi)部坐標(biāo)系定義，原點(diǎn)I位于IMU的參考中心;X軸指向機(jī)身縱軸朝飛機(jī)前進(jìn)方向;Y軸垂直于X軸，并指向飛機(jī)左翼;Z軸垂直向下。

③導(dǎo)航坐標(biāo)系G-XYZ。依據(jù)GNSS系統(tǒng)提供的三維坐標(biāo)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。若空間有一向量S，其模為|S|（激光測(cè)距系統(tǒng)采集的距離數(shù)據(jù)），方向?yàn)長(zhǎng)-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(jì)算得到，如能測(cè)出該向量起點(diǎn)LS的坐標(biāo)XYZ，則目標(biāo)點(diǎn)XYZ可唯一確定。研究系統(tǒng)直接獲取的是激光測(cè)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(gè)激光點(diǎn)的發(fā)射角及測(cè)距值求解為坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)。對(duì)機(jī)載系統(tǒng)來說，起點(diǎn)LS為激光信號(hào)發(fā)射點(diǎn)，其坐標(biāo)可通過機(jī)載GNSS系統(tǒng)的G-XYZ記錄數(shù)據(jù)與慣性測(cè)量裝置IMU采集的I-XYZ經(jīng)校正計(jì)算獲得。通過三維解算處理，聯(lián)合激光脈沖的測(cè)距信息、GNSS坐標(biāo)、IMU姿態(tài)坐標(biāo)，求出每個(gè)激光測(cè)距目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)XYZ[2]，最終根據(jù)地面固定基準(zhǔn)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，考慮各種采集誤差，精確計(jì)算出實(shí)際目標(biāo)點(diǎn)的真實(shí)三維坐標(biāo)。采集出的三維點(diǎn)在三維建模軟件中導(dǎo)入經(jīng)計(jì)算后的數(shù)據(jù)，自動(dòng)建模出采集目標(biāo)物的三維模型。在三維建模軟件中設(shè)置檢測(cè)參數(shù)、計(jì)算原理及計(jì)算模型，導(dǎo)出檢測(cè)項(xiàng)目的自動(dòng)化生成數(shù)據(jù)。此外，考慮各種系統(tǒng)誤差，剔除偏離實(shí)際數(shù)據(jù)較大的離散數(shù)據(jù)，得到目標(biāo)體的連續(xù)檢測(cè)數(shù)據(jù)用于實(shí)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(xiàng)目以激光測(cè)距系統(tǒng)LRF、高精度動(dòng)態(tài)載體姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)IMU、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS、空間直角坐標(biāo)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(shí)現(xiàn)技術(shù)已十分成熟并大規(guī)模運(yùn)用于實(shí)際生產(chǎn)，研究系統(tǒng)理論基礎(chǔ)可靠，方法可行。

②試驗(yàn)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(jì)的環(huán)形旋轉(zhuǎn)陣列發(fā)射裝置，設(shè)計(jì)思想富有創(chuàng)造性和前瞻性，是目前各項(xiàng)技術(shù)的延伸和改進(jìn)，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(dú)特，技術(shù)可行。

3 關(guān)鍵技術(shù)

①針對(duì)評(píng)定檢測(cè)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)點(diǎn)數(shù)少、檢測(cè)頻率低等問題，該系統(tǒng)可自由設(shè)置檢測(cè)頻率以及環(huán)向檢測(cè)點(diǎn)數(shù)，確需縮小環(huán)向檢測(cè)間距時(shí)，可旋轉(zhuǎn)環(huán)向發(fā)射裝置，使環(huán)向檢測(cè)點(diǎn)數(shù)實(shí)現(xiàn)倍數(shù)增加。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)單點(diǎn)、單平面向多點(diǎn)、三維的檢測(cè)方式跨越。以隧道工程檢測(cè)為例，可使用本系統(tǒng)對(duì)初期支護(hù)完成后的隧道縱向、環(huán)向斷面進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)，得到初期支護(hù)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(duì)二次襯砌進(jìn)行縱向、環(huán)向連續(xù)檢測(cè)，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(hù)的三維數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維軟件，設(shè)置計(jì)算模型、數(shù)據(jù)計(jì)算頻率，可導(dǎo)出旋轉(zhuǎn)角度相同的點(diǎn)位的二次襯砌厚度。

②目前，激光雷達(dá)領(lǐng)域基于線陣、面陣等多元陣列探測(cè)器的探測(cè)技術(shù)的數(shù)據(jù)分辨率不高，不能用于精確測(cè)量，本系統(tǒng)在運(yùn)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(duì)線陣、面陣等數(shù)據(jù)采集方法的創(chuàng)造性改進(jìn)，使得目標(biāo)點(diǎn)的單點(diǎn)采集更精確，環(huán)向采集頻率、縱向步進(jìn)間距更有益于滿足目標(biāo)物檢測(cè)精確性的要求，使采集精度得到了數(shù)量級(jí)的提高。

③目前，檢測(cè)行業(yè)的數(shù)據(jù)采集均是基于測(cè)量人員的單點(diǎn)檢測(cè)，工作效率和檢測(cè)覆蓋面較窄，只能檢測(cè)局部點(diǎn)、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(cè)。本系統(tǒng)解決了目前檢測(cè)點(diǎn)數(shù)偏少、檢測(cè)工作效率低的問題，不僅使檢測(cè)效率提升數(shù)倍，而且使檢測(cè)成本大幅降低。使用本系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)置不同的環(huán)向采集頻率、縱向步進(jìn)間距，以達(dá)到節(jié)約社會(huì)資源的目的。

4 特色與創(chuàng)新

本項(xiàng)目研究的環(huán)形旋轉(zhuǎn)陣列式激光雷達(dá)檢測(cè)一體化系統(tǒng)，是激光測(cè)距系統(tǒng)和激光雷達(dá)技術(shù)的融合，使用激光測(cè)距原理，參考激光雷達(dá)的陣列數(shù)據(jù)采集方法，自主設(shè)計(jì)創(chuàng)造出以機(jī)載行進(jìn)、環(huán)形旋轉(zhuǎn)陣列式激光布置，實(shí)現(xiàn)連續(xù)單平面多通道精確檢測(cè)。該套檢測(cè)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(cè)行業(yè)普遍采用的接觸式檢測(cè)方法，檢測(cè)環(huán)境及地形限制較少，極大地增加了多種檢測(cè)環(huán)境的適用性。

目前，大多數(shù)商用系統(tǒng)采用單點(diǎn)掃描方式，每次激光脈沖采集一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過激光單元掃描鏡擺掃以及飛機(jī)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)航帶的三維點(diǎn)云獲取。隨著高分辨率、連續(xù)、快速采集數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求增加，基于線陣、面陣等多陣列的激光雷達(dá)探測(cè)技術(shù)已經(jīng)成為技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展方向，新型機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)極大地提高了目標(biāo)探測(cè)的分辨率及成像速率。該系統(tǒng)運(yùn)用激光測(cè)距的理論基礎(chǔ)，創(chuàng)新了激光采集陣列形式，增加了檢測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)點(diǎn)數(shù)，提高了采集精度，使之運(yùn)用于更精確的測(cè)量工作。

該系統(tǒng)借鑒激光雷達(dá)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(jì)出了一種全新的激光雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)，不僅達(dá)到了激光雷達(dá)的使用效果，而且使數(shù)據(jù)精度得到數(shù)量級(jí)的提高。

5 結(jié)論與展望

機(jī)載激光雷達(dá)由于高工作效率和高測(cè)量精度等優(yōu)勢(shì)，迅速發(fā)展成為地表環(huán)境測(cè)量的主要技術(shù)手段之一。借助其他行業(yè)的研究經(jīng)驗(yàn)，將機(jī)載激光雷達(dá)檢測(cè)逐漸應(yīng)用于公路及鐵路，助力檢測(cè)及監(jiān)測(cè)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(jìn)行檢測(cè)，推動(dòng)檢測(cè)工作進(jìn)步與檢測(cè)數(shù)據(jù)智能化發(fā)展，可大幅度提高檢測(cè)技術(shù)水平，推動(dòng)行檢測(cè)業(yè)和社會(huì)技術(shù)進(jìn)步，為其他行業(yè)在激光雷達(dá)測(cè)量方面提供一個(gè)全新的測(cè)量方法。該系統(tǒng)可滿足公路、鐵路及勘探方面的所有檢測(cè)及測(cè)量技術(shù)需求，可實(shí)現(xiàn)單次檢測(cè)所有適用項(xiàng)目，極大地提高工作效率，減少社會(huì)資源浪費(fèi)，可替代許多既有檢測(cè)設(shè)備。該套檢測(cè)系統(tǒng)可同時(shí)檢測(cè)諸多參數(shù)，體現(xiàn)單套系統(tǒng)檢測(cè)多項(xiàng)參數(shù)的優(yōu)越性。

本文針對(duì)環(huán)形旋轉(zhuǎn)陣列式激光雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)及研究，驗(yàn)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(dá)技術(shù)目前處于探索階段，隨著國(guó)內(nèi)外激光雷達(dá)技術(shù)的日益發(fā)展，基于線陣、面陣探測(cè)器的陣列式機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)將是激光雷達(dá)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，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(dá)的探索發(fā)展會(huì)使采集數(shù)據(jù)精度得到大幅度的提升。

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