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线阵快扫描三维激光雷达成像仪 激光具有单色性、直径性、大型和短脉冲等特点。自20世纪60年代以来，它已在测量、距离和图像等领域得到广泛应用。在民用方面，激光技术主要用于电子测量（sd）。此后，激光技术逐渐应用于整个车站，并为无反射斜坡全车站仪制作了无反射镜。20世纪90年代，一些测量仪器制造商将激光测距仪安装在梯田上。这与现在的激光扫描仪非常相似，但扫描速度和成像精度较低。同时，一些科学家提出使用两种光学扫描仪来绘制成像。这两个镜子用于控制激光光束在它们之间的倾斜方向。这些机器被称为图像激光仪。由于距离遥远，许多现代激光扫描仪采用了《时间法》（tof）测距。为了获得物体表面（毫米级）的更高的测量精度，一些机器的设计师使用了三角形测量原理。为了在工业领域获得更高的测量精度（毫米级），一些设备的设计师使用了三角形测量原理来精确测量距离。基于相位法测距的图像激发光激发的工作距离和成像精度介于上述两种测距方法之间。根据地激光雷达不仅可以安装在不同的平台上，而且也可以放置在地面上的静态测量目标（也称为tls）。飞机、宇宙飞船和其他平台也可以进行大规模观测，也称为动态激光雷达（als）。 对于目前大多数商用的地面激光雷达来说,每次激光脉冲只能获取一个目标点的三维坐标.尽管现在的激光脉冲频率在不断提高,但在需要获取一个大范围场景的三维点云图像时,激光扫描仍然要花费较长的时间.另外,对于正在作业的工厂、施工场地而言,地面在激光扫描工作中会有微小的震动,激光扫描时间越长,三维成像的误差越大.一些研究人员提出了不同于单点扫描方式的激光雷达,以实现目标区域的高效、实时成像,主要包括线扫描,面扫描和FLASH激光雷达.陈宇伟等人提出了一个应用于机载的线扫描激光雷达,卜弘毅提出了一种线阵激光雷达扫描的理论,但没有详细描述其成像方程和实验结果.Colin等人用面阵探测器相位调制凝视成像实现国际空间站三维成像.Flash激光雷达由面阵雪崩阵列二极管焦平面器件接收激光回波,实时快速输出三维图像,该项技术对探测器要求很高,目前处于探索阶段. 本文提出了一种基于线阵探测技术的快扫描激光雷达成像系统,该系统的测距方式和光束偏转单元与单点扫描激光雷达一样,它的最大特征是激光雷达每次脉冲可以获取多个点的位置信息,与目前单元激光雷达成像相比,该仪器的成像速度可以提高十倍甚至几十倍. 1 光光束扫描原理 激光雷达主要由激光器及其驱动、二维摆镜及其驱动、激光探测单元、信息处理单元、二次电源等5部分组成,其工作原理框图如图1所示. 激光器在激光驱动电路的控制下产生高重频激光脉冲,激光器由柱透镜扩束为线列激光光束,在二维高速摆镜的驱动下对目标区域进行扫描.多元接收组件主要由线状激光和多元线阵探测装置组成.激光器发射的激光脉冲经柱透镜压缩后形成狭长的线列,返回的回波脉冲由多元线阵探测器独立接收. 一维摆镜按连续的正弦模式进行往复扫描,另一维摆镜按步进的方式扫描,在极短时间内完成对某一特定区域的三维成像.设X维以常用的正弦方式进行扫描,Y维按照该方向上扫描角度线性递增方式扫描,则扫描角度的数学表达式为 θx=θmaxcos(2πft)(1)θy=θ0+tΔθ(2)θx=θmaxcos(2πft)(1)θy=θ0+tΔθ(2) 式中:θmax为光线水平方向的最大偏移角度;θ0为光线垂直方向的最大偏移角度. 2 激光雷达系统成像的成像方程 根据多元线阵激光光学原理,结合解析几何知识,可以推导出激光雷达成像方程.线阵激光光路如图2所示. 图2中OX,OY是两个平面摆镜的中心,A为激光光源,AS→SS′→S′P为线阵激光某一单元的光路,θk为AOX与AS的夹角,其大小是由激光探测单元编号决定的,e和b是已知的仪器设计参数,分别为激光点与M镜中心距离以及M,N镜中心之间距离.激光扫描仪的直角坐标系OY-XYZ的建立原则:当两面镜子转角处于45°的初始平衡状态时,以N镜中心为坐标系原点,X轴定义为入射光AOX的反方向,Y轴定义为AOX经M镜反射后的方向,Z轴定义为AOX经N镜反射后的方向.假定阵列激光扫描仪的接收单元数为p,激光雷达系统获取的原始观测量包括两个镜子的旋转转角(θx,θy)和多路激光距离(R1,R2,…,Ri,…,Rp).下面详细推导由观测量、已知量(e,b)构成的激光扫描仪三维成像方程. 2.1 激光雷达本体坐标系的建立 假若线阵激光的大小为?,扫描布设接收单元数为N,第k条激光光线AS与X轴的夹角为 θk=-φ2+(k-1)φΝ-1(3)θk=?φ2+(k?1)φN?1(3) 以OY为坐标中心建立直角坐标系,OX在激光雷达本体坐标系下的三维坐标为(0,-e,0).光线AS的起始点A在激光雷达本体坐标系下的三维坐标为(b,-e,0),与N镜的交点S在激光雷达本体坐标系下的三维