Воздушный лазерный сканер

Материал из Lidar wiki
Перейти к: навигация, поиск

Воздушный лазерный сканер, или лидар (от англ. LIDaR - Light Identification, Detection and Ranging) представляет собой устройство, предназначенное для измерения дальностей до топографических объектов с помощью лазерного дальномера и фиксации направлений на эти дальности.

В состав лазерного сканера входят следующие блоки:

  1. лазер-передатчик;
  2. передающая оптическая система;
  3. приемная оптическая система;
  4. спектроанализатор и фотоприемное устройство;
  5. блок обработки сигнала;
  6. блок управления;
  7. блок развертки;
  8. блок контроля параметров выходного лазерного излучения
  9. блок сбора и хранения информации.

Лидар представляет собой моностатическую оптическую систему, т.е. систему с совмещенными источником и приемником излучения (передатчик и приемник излучения устанавливаются на едином поворотном устройстве, которое осуществляет развертку лазерного луча в плоскости сканирования).

Принцип работы лидара

Лазер-передатчик генерирует оптический импульс, который попадает на передающую оптическую систему. Оптическая система необходима для улучшения коллимации пучка и осуществления пространственной фильтрации. Кроме того, часть импульса используется для маркировки момента начала отсчета времени и калибровки интенсивности (т.е. задания опорного сигнала), а также контроля длины волны излучения. Через передающую оптическую систему лазерный импульс попадается на блок развертки, который отклоняет лазерный луч в заданном направлении. Зондирующий импульс проходит через атмосферу и отражается от топографических объектов (земная поверхность, здания, растительность и т.д.), при этом часть отраженного излучения направляется в обратную сторону. Принятое излучение собирается с помощью принимающей оптики, попадает на спектроанализатор, который необходим выделения интервала длин волн, на котором производятся наблюдения, т.е. для отсечки фонового излучения, и затем отправляется на фотодетектор, который преобразует его в электрический сигнал, пропорциональный интенсивности принятого излучения. При этом осуществляется маркировка времени приема ответного сигнала. Полагая скорость света величиной постоянной и равной [math]c=3*10^8 м/с[/math] в блоке обработки сигнала вычисляется расстояние до исследуемого объекта по формуле: [math]D=(c*t)/2[/math],где [math]t[/math] - время между излучением лазерного импульса с помощью передатчика и получением ответного сигнала приемником, с. Полученная информация (измеренное расстояние, значение интенсивности принятого сигнала, направление распространения лазерного луча) отправляются на блок сбора и хранения информации для последующей обработки. Упрощенная структурная схема работы лазерного сканера представлена на рисунке.

Структурная схема работы лидара

Лазерный излучатель

Основным элементом лазерного сканера является источник зондирующего излучения, представляющий собой твердотельный лазер, работающий в импульсном режиме в ближнем инфракрасном (ИК) диапазоне с длиной волны чаще всего 1064 нм. Батиметрические сканеры, предназначенные для получения данных о глубинах водоёмов, имеют как правило длину волны 532 нм. При этом общий диапазон длин волн достигает 900-1550 нм[1]. Источник зондирующего излучения генерирует опорный импульс, который по своей форме подобен кривой Гаусса. Длительность лазерных импульсов, применяемых в современных лидарах, составляет порядка нескольких наносекунд[2], поэтому для определения расстояния измеряется время между максимумами опорного и ответного сигналов.

Signal.png

В случае воздушного лазерного сканирования форма ответного импульса далека от идеальной, изображенной на рисунке выше, и представляет собой более сложную функцию с несколькими максимумами, при этом ответных импульсов может быть несколько. Это явление возникает вследствие ряда факторов: наличия шумов в ответном электромагнитном излучении, расходимости лазерного излучения, отражающей способности, структуры, формы и ориентации сканируемой поверхности.

Для учёта влияния данного фактора в современных лидарах реализуется технология регистрации формы отраженного сигнала (по англ. full waveform digitizing and recording), которая заключается в следующем. В процессе сканирования приемником лазерного излучения регистрируется с интервалом 1-2 нс полная форма отраженного сигнала, которая преобразуется в цифровой вид и сохраняется на носителе. После завершения аэросъемочных работ на этапе камеральной обработки лидарной съемки ответный сигнал для каждого импульса восстанавливается и анализируется с помощью соответствующего программного обеспечения. На основе анализа определяется конечное число измеренных дальностей для данного импульса, кроме того, информация о форме отраженного сигнала может служить дополнительным критерием при классификации конечного облака точек.

Следует отметить, что более ранние модели воздушных сканеров имели возможность регистрировать один (первый или последний) или несколько (первый и последний) возвращаемых сигналов для каждого импульса. В дальнейшем возможное число регистрируемых импульсов достигло трёх или четырёх, при этом на сегодняшний день это количество у некоторых воздушных сканеров неограниченно. Данная технология позволяет достаточно успешно решать большинство прикладных задач топографии, при этом не требует записи, хранения и обработки огромного количества информации как в случае с регистрацией полной формы отраженного сигнала, и поэтому она с успехом применяется и сегодня.

Развертка лазерного луча

Способы развертки лазерного луча

Развертка лазерного луча в лазерном сканере осуществляется с помощью механического устройства, в качестве которого могут выступать:

  1. качающееся зеркало;
  2. вращающаяся призма;
  3. вращающееся зеркало (сканер Палмера).

Развертка с помощью качающегося зеркала

В этом случае зеркало устанавливается перед лазерным излучателем и совершает качающиеся движения в плоскости, перпендикулярной направлению полета. Преимуществом данного метода является относительная простота реализации механизма и обработки результатов сканирования. Недостатком данного метода является непостоянная частота движения зеркала. Когда зеркало достигает окончания цикла работы, оно должно замедлиться, затем полностью остановиться, поменять направление движения и ускориться. Следствием этого является то, что плотность точек в разных областях сканирования будет непостоянной, что видно на рисунке. Кроме того, частота вращения зеркала зависит от ширины области сканирования, т.е. чем область сканирования больше (чем больше поле зрения), тем частота меньше, и наоборот, что вызывает дополнительные трудности при планировании аэросъемочных работ. Развертка лазерного луча с помощью качающегося зеркала применяется в воздушных лазерных сканерах фирм Leica и Optech.

Развертка лазерного луча с помощью вращающейся призмы

Лидары австрийской фирмы Riegl оснащаются блоком развертки в виде призмы, вращающейся вокруг своей оси с постоянной скоростью. Этот метод лишен недостатков качающегося зеркала, при этом частота вращения призмы превосходит частоту колебательных движений зеркала. Однако данный метод развертки сложнее в реализации и обработке результатов наблюдений: призма не имеет четко определенных границ вращения, её движение не циклично, поэтому возникают сложности с определением точных моментов времени лазерных импульсов. Кроме того, сканирование ведется в одном направлении, что может вызвать систематические ошибки в результатах измерений, которые могут быть определены только на основе полевых наблюдений.

Развертка лазерного луча с помощью вращающегося зеркала (сканер Палмера)

В сканерах TopEye Mk II, TopEye Mk III и AHAB DragonEye применяется метод вращающегося зеркала (по англ. nutating mirror), или сканера Палмера (по англ. Palmer scan). Зеркало осуществляет вращающееся движение вокруг оси, при этом лазерный луч оставляет на поверхности сканирования след в виде эллиптической кривой. Преимуществом данного метода является то, что каждая точка на земной поверхности сканируется дважды с разных позиций центра сканирования, однако это же является и недостатком данного метода, т.к. обработка подобных двойных измерений является весьма сложной задачей. Кроме того, вследствие того, что точки в одной и той же области получены с разных позиций пространства и при разной ориентации летательного аппарата в моменты съемки, полученное таким способом облако точек может содержать большое количество "шумов".

Основные технические характеристики воздушных лазерных сканеров

Угол развертки

Fov.png

Угол развертки (по англ. scan angle или FOV (field of view)) определяет максимальный угол, в пределах которого осуществляется развертка лазерного луча в процессе сканирования, измеряется в градусах. Данная характеристика лазерного сканера непосредственным образом определяет производительность аэросъемочных работ: чем меньше угол развертки, тем больше времени требуется для сканирования, при этом его чрезмерное увеличение может привести к уменьшению плотности сканирования и появлению неотсканированных областей.

Частота генерации лазерных импульсов

Частота генерации лазерных импульсов (по англ. pulse rate) определяет, какое количество лазерных импульсов генерирует лазерный излучатель за одну секунду, измеряется в Герцах, Гц. Основным ограничением работы лазерного сканера является то, что каждый последующий лазерный импульс не может быть отправлен до тех пор, пока не принят ответный сигнал предыдущего. Таким образом максимально возможная частота сканирования [math]f_{max}[/math] определяется по формуле: [math]f_{max}=c/(2*D_{max})[/math], где [math]D_{max}[/math] - максимально возможное измеряемое расстояние с помощью лидара, м. При этом величина, вычисленная по приведенной формуле, является теоретически максимально достижимой, в реальности она несколько меньше.

Технология множественных импульсов

На сегодняшний день данная проблема частично решена путем разработки технологии, позволяющей генерировать следующий лазерный импульс до приема ответного сигнала от предыдущего. У разных производителей сканеров данная технология называется по-разному: multiple pulses in air (MPiA, Leica), continuous multipulse (CMP, Optech) и multitime time around (MTA, Riegl). Суть её заключается в следующем. Предположим, что в некоторый момент времени [math]t_{1}[/math] лазерный излучатель генерирует опорный импульс [math]I_{1}[/math], тогда, зная величину максимально допустимой частоты [math]f_{max}[/math], и полагая, что время генерации импульса мало по сравнению с временам распространения лазерного луча до земной поверхности и обратно, можно определить интервал времени [math]Δt[/math], через который будет сгенерирован второй импульс [math]I_{2}[/math] в момент времени [math]t_{2}=t_{1}+Δt[/math]. Аналогично определяется третий и т.д. импульсы. Пусть в некоторый момент времени [math]t_{1}+Δt/2[/math] был сгенерирован еще один опорный импульс [math]I_{1-2}[/math], который должен быть принят в момент времени [math]t_{2}+Δt/2[/math], и т.д. Таким образом, частота и, соответственно, плотность сканирования получилась в два раза выше. Аналогично можно увеличить частоту сканирования в три или четыре раза, однако на практике такое применяется редко.

Из рисунка очевидно, что каждый из полученных промежуточных ответных сигналов теоретически может быть отнесен к двум предыдущим излученным лазерным импульсам, но только одно из данных соответствий является корректным. Конечное разрешение неоднозначности соответствия отраженного сигнала излученному осуществляется в специальном программном обеспечении на этапе камеральной обработки лидарной съемки. При этом применение технологии множественных импульсов имеет ограничения, например, на местности с большими относительными превышениями: в этом случае усложняется задача планирования аэросъемочных работ, а экипаж воздушного судна должен осуществлять полет строго в соответствии с установленным планом, что также не всегда возможно.

Частота генерации лазерных импульсов оказывает влияние на общую плотность сканирования: чем она выше, тем достигается большее количество ТЛО будет снято на единице площади земной поверхности. При этом необоснованное увеличение плотности сканирования ведет к уменьшению производительности обработки данных лидарной съемки, т.к. большие объемы данных требуют больше времени на их обработку.

Частота работы сканирующего устройства

Частота работы сканирующего устройства [math]f_{sr}[/math] (по англ. scan rate) - величина, определяющая число полных циклов работы блока развертки лидара (вращающейся призмы, качающегося зеркала и т.д.) за одну секунду, измеряется в Гц. Как уже отмечалось выше, для блоков развертки в виде качающегося зеркала [math]f_{sr}[/math] зависит от установленного оператором угла развертки (чем больше угол развертки, тем меньше частота) и составляет, как правило, 50-100 Гц. Для вращающейся призмы частота работы сканирующего устройства является постоянной для всего поля зрения сканера и может достигать 200 Гц. Учитывая, что за один цикл работы блока развертки происходит сканирование вдоль одного направления, то эта величина определяет также количество линий сканирования за одну секунду и оказывает существенное влияние на плотность сканирования.

Расходимость лазерного луча

Расходимость лазерного луча [math]γ[/math] (по англ. laser beam divergence) определяет направленность лазерного излучения и выражается плоским углом с вершиной в центре излучения, в пределах которого распространяется большая часть энергии лазерного излучения, измеряется в мрад. В первом приближении угол расходимости можно определить по формуле[1]: [math]γ=2.44*λ/D[/math], где [math]λ[/math] - длина волны лазерного излучения, м; [math]D[/math] - апертура лазерного излучателя, м. У современных воздушных сканеров величина угла расходимости не превосходит 0.2-0.3 мрад. Данная величина оказывает влияние на такие параметры лидарной съемки, как размер "пятна" лазера на земной поверхности, минимально возможный объект съемки, на точность получения облака точек, а также на его информативность.

Примечания

  1. 1,0 1,1 Baltsavias, E. Airborne laser scanning: basic relations and formulas - ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, vol. 54, issue 2-3, pp. 199-214,
  2. Медведев Е.М., Данилин И.М., Мельников С.Р. Лазерная локация Земли и леса: Учеб. пособие. Второе издание, переработанное и дополненное. Красноярск: Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, 2006. 230 с.