（物理电子学专业论文）机载三维成像系统中的定时测量.pdf

中国科学技术大学博士论文摘要2 0 0 1 年s 月 r a n g e f in d e r ) 、 全 球定 位 系 统 ( g p s ) 、 惯性 导 航系 统 ( i n s ) 为技 术支 持的 机载 扫 描 激 光三维定位进入重要的研究阶段。国内8 6 3 支持的测高一 成像组合扫描系统是国际独创 的设计思想，目 前尚无同类设计。 第三章综合分析了影响机载激光三维成像定位精度的各种因素。机载三维定位几 何精度主要受机载信息获取技术各个组成部分的参数测量误差、机械光学系统装校误 差、电子时序误差、光斑弥散 ( c o n f u s i o n ) 误差 ( 激光束定位误差)以 及激光触发方 式等的影响。得出了t s 响几何定位精度的主要因素之一是激光测距的分辨率。 第四章介绍了实现时间数字化的各种技术。实现时间数字化的记数主要有记数方 式，电流积分扩展技术，延迟线技术，锁相环技术及延迟锁定技术等。 第五章论述了 进一步实现高精度时间数字化的技术。为提高时间分辨率， 人们想 了很多方法， 包括模拟扩展技术、游标技术、模拟内插技术、藕合振荡技术、延迟锁 定阵列技术、r c延退线内插技术等，并且随着微电 子技术的不断发展，可以实现更高 精度的时间测量。 第六章研究了 机载激光三维成像距离测量中的 5 0 0 p s高精度大动态范围t d c实现 原理和实现方法。首光对系统的需求进行了 分析， 介绍了 实现延迟线内 插的工作原理。 论述了 用集成器件实现 t d c的电 路工作原理， 系统的工作时序以 及控制实现精确延时 内插的方法。 第七章分析研究了t d c 的各种性能指标及造成t d c 非线性及测量误差的各种因素， 建立了t d c 的误差及牛 线性分析的数学模型。 第八章在第七章对 t d c误差及非线性分析的 基础上，设计了 t d c各种性能指标测 量的方法，对t d c 进行了刻度、测量，给出了测试结果和分析。 第九章利用高速数据采样技术，提出了对激光回波不规则造成的测距误差进行修 正 的 波 形 采 样 修 正 方 法 给 出 了 实 验 检 验 结 果 。 卜 中国科学技术大学 博士论文 2 0 0 1 年 s月 ab s t r a c t t h e t im e m e a s u r e m e n t t e c h n i q u e i n t h e a i r b o rn e 3 - d i m a g i n g s y s t e m i s d i s c u s s e d i n t h i s a rt i c l e . i t i n v o l v e s t h e t h e o ry o f a i r b o rne 3 - d i m a g i n g , p r e c i s i o n a n a l y s e s o f p o s i t i o n in g . f o l l o w i n g t h e s e a n d a i m i n g a t t h e e n g i n e e r i n g o f t h e a i r b o rn e 3 - d i m a g i n g s y s t e m f r o m th e n a t i o n a l h i g h - t e c h p r o j e c t ( 8 6 3 ) , t h e t h e o ry o f t i m e t o d i g it a l c o n v e rt e r ( t d c ) a n d t h e w a y o f a c h i e v i n g w i d e d y n a m i c r a n g e a n d h i g h p r e c i s i o n t i m e t o d i g i t a l c o n v e rt e r a s w e l l a s i t s m e a s u r e m e n t a r e s t u d i e d i n e m p h a s i s . a s a m p l e s e t u p w h i c h i s s u i t a b l e f o r t h e a i r b o rn e 3 - d i m a g i n g s y s t e m i s d e s i g n e d . l a t e r t h e i m p r o v in g t e c h n i q u e o f a b n o r m a l s h a p e e c h o p u l s e b a s e d o n w a v e f o r m s a m p l i n g t o im p r o v e t h e t i m e m e a s u r e m e n t c h a r a c t e r s a r e i n t r o d u c e d . t h e q u a n t i f ic a t i o n o f r e m o t e s e n s i n g in f o r m a t i o n i s a g o a l f o r r e m o t e s e n s i n g t e c h n iq u e t o b e w e l l a p p l i e d . a i r b o m e 3 - d i m a g i n g t e c h n i q u e i s o n e o f t h e i n f o r m a t i o n a c q u i s i t i o n a n d p r o c e s s i n g o f 3 - d p o s i t i o n i n g a n d i m a g i n g o f g r o u n d t a r g e t s , w h i c h h a s b e e n d e v e l o p e d i n r e c e n t y e a r s . i t s q u a n t i f i c a t i o n l e v e l d i r e c t l y d e t e r m i n e s t h e r e s o l u t i o n , a c c u r a c y a n d a p p l i c a b i l i t y o f t h o s e m a p s p r o d u c e d t h r o u g h t h e t e c h n i q u e . i n o r d e r t o p r o d u c e l a r g e s c a l e o f 3 - d p o s i t i o n i n g a n d i m a g in g m a p s ， i t i s n e e d e d t o i m p r o v e t h e q u a n t i f i c a t i o n l e v e l o f e v e ry v a r t i n a i r b o rn e 3 - d i m a g i n g t e c h n i q u e , e s p e c i a l l y t h e g e o m e t r i c p o s i t io n i n g a c c u r a c y . b e i n g o n e k e y t e c h n i q u e o f t h e a i r b o rn e 3 - d i m a g i n g t e c h n i q u e , t h e a c c u r a c y o f t h e l a s e r b a s e r a n g e m e a s u r e m e n t w i l l d e t e r m i n e t h e r e s o l u t i o n o f a i r b o rne 3 - d i m a g i n g d i r e c t l y . t h e l a s e r b a s e r a n g e m e a s u r e m e n t i s b y m e a n s o f l a s e r p u l s e e j e c t i n g a n d m e a s u r e m e n t t e c h n i q u e , a r c h i v i n g t h e t i m e i n t e r v a l b e t w e e n t h e p u l s e e j e c t e d f r o m l a s e r a n d t h e e c h o p u l e f r o m t h e t a r g e t b e i n g m e a s u r e d . a n d t h e n t h e r a n g e b e t w e e n t h e l a s e r a p p a r a t u s a n d t h e t a r g e t a c c o r d i n g a s t h e r a t e o f l a s e r fl y i n g t h r o u g h t h e a i r a n d t h e t i m e i n t e r v a l m e a s u r e d . t h e i m p l e m e n t a t i o n o f h i g h r e s o l u t i o n t i m e i n t e r v a l m e a s u r e m e n t i s t h e k e y o f a c h i e v i n g h i g h r e s o l u t i o n r a n g e m e a s u r e m e n t . i t i s k n o w n t h a t t i m e m e a s u r e m e n t t e c h n i q u e h a s a b r o a d a p p l i c a t i o n i n m a n y f i e ld . t h e n e e d f o r i t s m e a s u r e m e n t r e s o l u t i o n a n d d y n a m i c r a n g e i s d i f f e r e n t a c c o r d i n g a s i n w h i c h i t i s u s e d . s o m e m a y n e e d h i g h r e s o l u t i o n a n d l it t l e d y n a m i c r a n g e . a n o t h e r m a y n e e d l o w r e s o l u t i o n a n d w i d e d y n a m i c r a n g e . a n d i n s o m e s i t u a t i o n b o t h h i g h r e s o l u t io n a n d w i d e d y n a m i c r a n g e a r e n e e d . t o f i t f o r d i f f e r e n c e r e q u i r e m e n t s , m a n y d i ff e r e n t k i n d s o f t i m e t o d ig i t a l c o n v e r s i o n t e c h n o l o g i e s a r e d e v e l o p e d . t h e m a i n w o r k d o n e i n t h i s p a p e r i s t h e a c c o m p l i s h m e n t a n d a p p l i c a t i o n o f w i d e 3 中国科学技术大学博士论文 ab s t r a c t2 0 0 1 年 5月 d y n a m i c r a n g e a n d h i g h r e s o l u t i o n t i m e m e a s u r e m e n t i n r a n g e m e a s u r e m e n t o f a i r b o rn e 3 - d i m a g i n g s y s t e m f r o m t h e n a t i o n a l h ig h - t e c h p r o j e c t ( 8 6 3 ) . t h e h i g h r e s o l u t i o n t i m e t o d i g i t a l c o n v e r s i o n t e c h n i q u e i s f ir s t l y d e v e l o p e d i n e x p e r i m e n t a l n u c l e u s p h y s i c s , a n d w i d e l y u s e d i n h ig h e n e r g y p h y s ic s . t h e a p p l i c a t i o n o f th i s t e c h n i q u e i n r e m o t e s e n s i n g 3 - d i m a g i n g s y s t e m i s a n i n n o v a t i o n . t h u s t h e r e a r e m a n y r e s e a r c h w o r k s s u c h a s a n a l y s i s , e m u l a t i o n a n d e x p e r i m e n t a t i o n t o d o . t h e t i m e r e s o l u t i o n o f t h e d e s i g n e d s y s t e m i s 5 0 0 p s a n d i t s d y n a m i c r a n g e u p t o a b o u t 3 2 u s . t h e r e a r e e i g h t c h a n n e l s i n it . t h e r e a r e n i n e c h a p t e r s i n t h i s a r t i c l e . f o l l o w i n g i s t h e m a i n c o n t e n t o f e v e ry c h a p t e r . t h e f o r e g r o u n d o f l a s e r b a s e d r e m o t e s e n s in g 3 - d i m a g i n g t e c h n i q u e i s e x h ib i t e d i n t h e f i r s t c h a p t e r . t h e n e e d f o r h i g h r e s o lu t i o n r e m o t e s e n s i n g m e a s u r e m e n t i s r e c o g n i z e d , a n d th e m a i n p r o b l e m s t o b e s t u d i e d i n i m p l e m e n t i n g 3 - d i m a g i n g a n d p o s i t i o n i n g a r e p u t f o r e w a r d a l s o . t h e f u n d a m e n t a l , i m p l e m e n t i n g t h e o ry a n d d e v e l o p m e n t s t a t u s o f t h e a i r b o rn e i ma g i n g i ma g i n g t e c h n i q u e i s d e s c r i b e d i n c h a p t e r 2 . s i n c e l a t e r d e c a d e 9 0 , a i r b o rn e l a s e r 3 - d 3 - d t e c h n iq u e , b a s e d o n s c a n n i n g l a s e r r a n g e m e a s u r e m e n t , g p s a n d i n s , c o m e t o i t s i m p o r t a n t s t a g e o f s t u d y . t h e f a c t o r s w h i c h i n fl u e n c e t h e a c c u r a c y o f a i r b o rn e l a s e r 3 - d i m a g i n g a r e a n a l y z e d i n c h a p t e r 3 . o n e o f t h e m a i n f a c t o r s o f g e o m e t r i c a l a c c u r a c y o f a i r b o rn e 3 - d p o s i t i o n i s t h e r e s o l u t i o n o f t h e l a s e r r a n g e m e a s u r e m e n t . d i f f e r e n t t e c h n o l o g i e s o f t i m e t o d i g i t a l c o n v e r s i o n a r e i n t r o d u c e d i n c h a p t e r 4 . ma i n w a y s o f i m p le m e n t i n g t d c a r e a s f o l l o w , c o u n t e r t e c h n i q u e s , c u r r e n t i n t e g r a t i o n t e c h n i q u e s , d e l a y l i n e b a s e d t e c h n iq u e s , p h a s e l o c k e d l o o p t e c h n i q u e s a n d d e l a y l o c k e d lo o p t e c h n i q u e s . t h e m o r e a c c u r a c y t i m e t o d i g i t a l c o n v e r s i o n t e c h n i q u e i s d i s c u s s e d i n c h a p t e r 5 . t o i m p r o v e t h e r e s o l u t i o n o f t i m e t o d i g i t a l i n v e r t e r , m a n y w a y s a r e d e v e l o p e d s u c h a s a n a l o g u e t i m e e x p a n s i o n , v e rn i e r d i f f e r e n c e t e c h n i q u e , a n a l o g u e t i m e i n t e r p o l a t i o n t e c h n i q u e , a r r a y o f c o u p l e d o s c i l l a t o r t e c h n i q u e s , a r r a y d e l a y l o c k e d l o o p s , a n d t i m e i n t e r p o l a t i o n u s i n g p a s s i v e r c d e l a y l i n e s . mo r e a c c u r a c y t i m e t o d i g i t a l c o n v e r t e r c a n b e d e v e l o p e d a l o n g w i t h t h e d e v e lo p m e n t o f m i c r o - e l e c t r o n i c s t e c h n i q u e s . t h e t h e o ry a n d w a y t o i m p l e m e n t w i d e d y n a m i c r a n g e a n d 5 0 0 p s h i g h r e s o l u t i o n t i m e t o 中 国 科 学 技 术 大 学 博 士 论 文a b s tr a c t一一一一一一一一2 0 0 1 丝旦一一 d i g i t a l c o n v e rt e r u s e d i n r a n g e m e a s u r e m e n t i n a i r b o rn e l a s e r 3 - d i m a g i n g s y s t e m a r e s t u d i e d i n c h a p t e r 6 . t h e a n a l y s e s i s c a r r i e d o u t o n w h a t i s n e e d e d in t h e s y s t e m f i r s t l y . t h e t h e o ry i m p l e m e n t i n g d e l a y l i n e s b a s e d i n t e r p o l a t io n i s i n t r o d u c e d . t h e t h e o ry o f t h e t i m e t o d i g i t a l c ir c u i t u s i n g i n t e g r a t e d t d c i s d e s c r i b e d , . t h e t i m i n g o f t h e s y s t e m a s w e l l a s t h e m e t h o d u s e d t o c o n t r o l a n d t o i m p l e m e n t h i g h r e s o l u t i o n d e l a y i n t e r p o l a t i o n a r e a l s o i n t r o d u c e d . k in d s o f c h a r a c t e r s o f t d c a n d f a c t o r s w h i c h r e s u l t i n n o n - l i n e r i ty a n d c o n v e r s i o n e r r o r o f t d c a r e a n a l y z e d i n c h a p t e r 7 . ma t h e m a t i c a l m o d e l s o f e r r o r a n d n o n - l i n e r i ty o f t d c a r e mo d e l e d . f o l l o w i n g t h e a n a l y s i s o f c o n v e r s i o n e r r o r a n d n o n - l i n e r i ty o f t d c i n c h a p t e r 7 , n e e d s f o r t d c s c h a r a c t e r m e a s u r e m e n t a r e a n a l y z e d a n d m e t h o d s t o m e a s u r e t h e c h a r a c t e r s o f t h e t im e t o d i g i t a l c o n v e r s i o n c i r c u i t a r e d e s i g n e d in c h a p t e r 8 , t h e t d c c i r c u i t a r e c a l i b r a t e d a n d t h e t d c s c h a r a c t e r a r e m e a s u r e d . a n d t h e a n a l y s i s o f t h e m e a s u r e m e n t i s g i v e n . u s i n g h i g h s p e e d a n a l o g u e t o d i g i t a l c o n v e r s i o n t e c h n i q u e , a p u l s e s l o p e m o d i f y i n g t e c h n i q u e b a s e d o n p u l s e w a v e f o r m s a m p l i n g , u s e d t o i m p r o v e t h e r a n g e m e a s u r e m e n t e r r o r r e s u lt e d f r o m t h e a b n o r m i ty o f l a s e r e c h o , i s i n t r o d u c e d . a n d a g r o u p o f t e s t r e s u l t s a r e s h o wn . 中国科学技术大学博士论文主要工作 2 0 0 1 年5 月 论文作者的主要工作 作者在论文中描述了解决国 家 8 6 3计划项目“ 机载三维成像系统” ( 8 6 3 - 3 0 8 ) 中高精度大动态范围距离测量技术问 题的原理和方法， 对用于距离测量的时间数字变 换器 ( t d c )作了比较深入的研究，并研制成一台适合于机载三维成像系统用的样机。 高精度的时间数字变换技术原本是从实验核物理中发展、并在高能物理中大量应用的， 将这种技术用于遥测三维成像是一种创新性的工作，因此需要做一系列的分析、仿真 和试验，具体说来有: 1 、研究分析机载三维成像系统的测距 ( 测高)原理，对影响成像精度的各种因素 进行逐个的分析研究，给出了误差分析模型，确定成像误差的各种因素。本文 分析的结果证明，测距的误差是主要的因素，这样就确定了 t d c在机载三维 成像系统中的重要作用和地位。 2 、分析研究各种t d c的实现方法，对不同t d c的测时原理、测时精度和动态范 围作对比分析，比较了它们各自的优点和存在的问题，根据机载三维成像系统 的具体要求， 选择了以直接计数和内 插相结合的t d c . 3 、从系统工程实际应用的角度出发，设计一种大动态范围、多通道、高精度的机 载三维成像系统距离测量的时间测量模块，其主要的指标是:动态范围3 2 p s 8 通道，分辨5 0 0 p s a 4 、分析研究t d c的各种的性能指标，分析研究构成t d c测量误差的因素，建立 了t d c性能测量的数学模型，设计并建立一个测量系统， 对制成的t d c性能 指标进行测量和分析。 5 、在完成上述各项工作以外，又提出了基于回波脉冲波形高速采样技术的时间测 量修正技术， 对机载三维成像系统距离测量进行校正， 进一步提高其测量精度。 中国科学技术大学博士论文 第一章 2 0 0 1 年5 月 第一章绪论 空间信息技术是2 0 世纪6 0 年代发展起来的一门 新型技术 u ， 于7 0 年代中期以后， 在我国得到了迅速的发展。基于空间信息技术的 “ 数字地球”的概念的提出，更促进 了空间信息技术的发展。 遥感对地观测技术是当今 “ 数字地球”的主要数字信息源这种认识己成为世人共 识。遥感技术的发展，在人类认识自 然、改造自 然的进程中发挥着越来越重要的作用。 在遥感技术短短3 0 多年的发展过程中，已 经取得了 众所周知的辉煌的应用效果。事实 上，遥感对地观测技术 3 0多年来取得的应用成果及相关技术的发展是形成当今 “ 数字 地球”概念的重要基础。可以认为，没有遥感对地观测技术提供人们认识自然的强有 力工具和实际效果，其 “ 数字地球”概念也不会产生。 目 前，对遥感技术的研究，也以实际应用为动力，朝着实用化方向努力。其研究 的关键点在于解决遥感的定量化问题，需要给出观测目 标属性和地理位置两方面准确 的量的描述。它包括三个要素:定性的定量化、定位的自 动化、定量的高精度化。定 性的定量化，就是对目 标属性的识别与掌握，要采用严格的数据来描述，而且，其描 述结果是唯一的。定位的自 动化，就是对目 标信息快速、自 动化地在全球统一坐标系 中定位。定量的高精度化，就是对目 标属性的定量化描述、对目 标位置的定量化描述 方面，保持高的参数精度，以满足实际需要。定量化遥感就是将上述三者有机地集成 于同一 “ 技术体系”之中，以 “ 技术体系”这一整体达到准确、快速、自 动化地识别 目 标属性、确定目 标在全球统一地理坐标系统中的位置。 遥感定量化技术的发展， 主要表现在，在对地观测光学遥感成像领域，人们不仅仅 满足于灰度或伪彩色合成图像的肉眼判读，而进一步要求遥感数据在物理意义上定量 化，从而反演地面真实的理化状况和准确的三维地理位置。成像定量化包括辐射定量 和几何定量两方面，其中辐射定量是为了了解地面辐射、反射的准确光谱特征。几何 定量是为了提取地面目标相对和绝对地理位置及三维地形等特征。 几何定量化在需要准确对地定位的遥感领域显得更加重要，尤其是当今的实用化 遥感更是如此。机载三维成像就是一个典型例子，它需要高定量化水平的几何定位技 术。长期以来，几何定量曾保持在航空摄影及其像对立体判读的水平，它存在的最大 问题是在工作量巨大且在非连续地表及无明显特征地物条件下有难以克服的技术障 碍，所以发展受到很大约束。然而，生产应用上对三维几何信息获取有广泛的需求。 所以，对几何定量的研究需要加以特别关注，近年来，国内外在提高几何定量水平方 中 国 科 学 技 术 大 学 博 士 论 文第 二 童2 0 0 1 1 匕一一 面开展了一定的研究，也取得了相应的研究成果。 机载激光扫描测高和多光谱地面辐射成像，是近年来逐渐发展成熟的两项遥感技 术，它们是遥感生成数字地面模型的重要手段，具有效率高、实时性强的特点，有着 广阔应用前景，对提高机载三维成像的定量化水平起了极大的促进作用。由我国国家 高技术发展计划 8 6 3 - 3 0 8支持的机载三维成像技术研究，取得了国际领先的研究成果 ta i 。 其重要组成部分的测高一 成像组合扫描仪结合了激光扫描测高的 几何成像技术和光 学扫描成像的辐射成像技术，而且保持像元级匹配，促进了地面图像的准确定位技术 的进步。配以g p s 定位和姿态测量，以空一 地定位模式，能够实时 ( 准实时)地实施数 据获取与处理，高效率而又不需要地面控制点地获取d e m 和地学编码图 像。 机载三维成像中的几何定位技术是实现定量化遥感的基础，几何定位技术的水平 决定着所生成三维图像的可应用程度。国外在这方面均进行了不少的研究，但几乎都 是成像与几何遥感相对独立的系统，通过数据的后处理获得三维成像结果。国内 8 6 3 支持的测高一 成像组合扫描系统是国际独创的设计思想，目 前尚无同类设计。 激光扫描测距技术是机载激光三维成像技术的核心技术之一，距离测量的精确度 直接决定了三维成像的准确性。 本文将在我国机载三维成像信息获取技术研究的基础上，侧重研究其激光距离测 量的定量化电子学技术应用。对不同数字转换技术的工作原理和应用进行了比较深入 的研究和分析， 将实验核物理和高能物理上的大动态范围高分辨率的时间 一数字转换 技术应用于机载三维激光成像技术的几何定位中，设计一种适合实际应用的大动态范 围、高精度的机载三维成像系统距离测量的时间测量样机。 高精度的时间数字变换技术原本是从实验核物理中发展、并在高能物理中大量应 用的，将这种技术用于遥测三维成像是一种创新性的工作，因此需要做一系列的分析、 仿真和试验。 中国科学技术大学博士论文 第二章 2 0 0 1 年 s 月 第二章机载激光三维成像原理及发展 2 . 1 机载三维成像的基本原理及其应用 1 1 机载三维成像的几何定位就是解决地物目 标的定位问题，给出目 标的三维特征数 据。所关心的是如何能够准确、高效、高精度地给出观测目 标地在全球统一地理坐标 下的位置。早期的地面目 标几何定位靠人工逐点测绘得到，它最大问题是效率低，而 且在某些区域作业困难。遥感技术是解决定位问题重要的技术手段，而航空遥感由于 其作业灵活、获取的定位分辨率高、费用低等优势成为遥感的重要组成部分。传统的 遥感一般都是获取地面二维图像，再利用地面控制点进行图像几何纠正来获得地学编 码影像 ( 正射影像) 。人们一直希望能够摆脱地面控制点来直接产生地学编码影像，进 入 9 0年带 后期以 来，以 扫描 激光测 距 ( s c a n n i n g l a s e r r a n g e f i n d e r ) 、 全球定位系统 ( g p s ) 、 惯性导航系统 ( i n s ) 为技术支持的机载扫描激光三维定位进入重要的研究 阶段，利用它可以快速获取对地几何定位信息，进而生成数字地面模型 ( d e m)以及 地面三维图像、地学编码图像。研究结果表明，几何定位是三维成像的基础，高定量 化的几何定位，决定着三维成像的定量化水平。 若假设作为信息获取平台的飞机在空中位于如图2 . 1 所示的某点a ,航向与x 轴负 方向 相同， 它 在空中 地理直 角坐 标系中 的 坐标为( x , , y z , ) ， 地面 被 测点 工的 三维坐 标 为 ( x ; , y , , z ;) , 飞 机 到 被 测 点 的 距 离 为 s = a t 。 根 据 空 间 几 何 的 原 理 ， 线 段 s 的 一 个 端 点 a 坐 标 、 线 段 a 工 的 长 度以 及 线 段 s 在 空 间 的 方向 己 知 的 情 况 下 ， 线 段 另 一 端 点 戈 的 坐 标 是 唯 一 确 定 的 。 因 此， 为 了 能 够 在 飞 机中 求 得 t ; 的 三 维 坐 标， 就 需 要 通 过 一 定 图2 . 1 地面定位坐标测量示意图 中 国 科 学 技 术 大 学博 士 论 文 _一一兰.y 一一一一一一一一一止0 1 色 手段测量得到点a 的坐标、线段s 的长度及其方向。 飞机中a 点的地理坐标由动态高精度g p s 差分定位系统获得;飞机到被测点之间的 距 离 s ( 也 就 是 线 段 a 工 的 长 度) 由 机 载 扫 描 激 光 测 距 系 统 测 量 而 得 到 ; 这 时 机 载 扫 描 激光 器 将 一 脉 冲 激 光 束 射向 地面 点 t ; ， 它 相 对 于 飞 机 有 一 个角 度中 ， 在 扫 描 过 程中 ， 中 的 值是 预 先 可 知 的 ; 激 光 束 的 方 向 就 是 线 段 a t ; 的 方 向 ， 它 在 地 球 空 间 地 理 坐 标中 的 方向 不仅与激光束 相对于飞机的角度中 有关， 而且与飞机姿态角( kv , w , k ) 有关， 这里 的平、。 、k 分别 代表飞机的 俯仰、 侧滚和航向， 飞机的 这些姿态数据将由高 精度姿 态 测 量 装 置 提 供 这 时 可 以 计 算 得到 地 面点 t ; 的 坐 标 为 x i = f i ( s , x g , 几, z g , 中 ， y r , ( 0 , k ) 丫= f , ( s , x g , 砚, z g , 中 , y , w , k ) z ; = 几 ( s , x g , 叽, z g , 中 , y , (0 , k ) ( 2 - 1 ) 式中的f l , f 2 , f 3 为具有一定关系的函数，z i 即为被测点高度，x i 和y i 即为被测点的平 面位置坐标。 与地面三维坐标测量同时进行的还有图像信息获取，作为生成地学编码图像的数 据源，表示为 f a ( x i , yz , ) f , ( x 丫, z , ) ( 2 - 2 ) 一- x丫 了lesj、es 然后，将要利用以上所得到的地面三维信息和地面成像结果， 进行信息处理，以 拟合插值生成d e m和地学编码图像; 利用d e m作地形修正及图像分析处理;多元、 多维数据情况下的复合匹配技术及图像处理:进入 g i s作分析模型、决策模型处理; 输出应用成果。 在获取三维地貌信息的应用中，以激光扫描测距为主的机载几何定位可以得到相 对于飞行平台坐标系的三维地形信息，加上飞行器姿态测量和全球定位，可以演算出 地理坐标系下的地面数字高程模型，并推算出其它地貌信息。典型应用有，工程建设 中的大面积土地平整的土方量估算;灾情监控和区域治理开发中通过生成微地貌数字 模型，可进行水、冰险情预报，防淤改道，淹没范围定界和灾情损失估算。 中 国 科 学 技 术 大 学 博 士 论 文m 三 戛一一一 . 一一一一 2 0 0 1 垫 a 一一一 在地物及自 然环境信息获取为主的应用中，多光谱地面辐射成像，加上飞行器姿 态测量和全球定位，可以得到几何定位较准确的多波段地面辐射图像。但是扫描图像 的像元与瞬时视场对应，以瞬时扫描角度定位，地面坐标点在平整的地面上与原始图 像立方体的对应位置有正切畸变，而这种畸变会因地形起伏产生变化，尤其在丘陵山 地，这种与地形有关的扫描畸变更加严重。 通过几何定位获得的地形信息可以 用来校 正这种畸变，从而得到地理坐标系下定量化程度较好、误差较小的多波段辐射投影图。 其应用包括遥感探矿、作物估产、农林业资源管理、林火监控、病虫害灾情评估等方 面有实用价值。 在地形信息与地物光谱信息的综合应用方面，通过几何定位和多光谱扫描成像， 能够采集数字地面模型中大多数的信息。再辅助一些资料收集和地面调查，就可以完 成比任一单项遥感的应用面广得多、深得多的应用。例如道路选线工作中，用三维地 貌模型计算土方量，由地物光谱特征可进行地质分类，可完成土方费用专题地图和路 面建设费用专题地图。加上经济、人文调查数据，就可以估算征地费用专题图，这些 专题图可生成费用模型，权衡费用和路程，就可以 选出最优路线。在水电站设计中， 可利用三维地貌模型估计水库淹没范围，用光谱图像分类估算淹没范围内土地利用现 状和居民区面积等，进一步估计水库淹没损失，并有助于优化人口迁移新址。在厂矿 和交通枢纽选址时，对地形及周围可能受噪音或有毒气体影响的居民区、耕地等，都 要考虑。通过地貌模型和光谱图像，加上经济、气候等方面的资料收集就能较科学地 选择最优方案。在农业方面，通过几何定量化的地貌和光谱信息，可进行土地利用专 题制图、土地类型识别，和可耕地面积分析等应用。在军事方面同样具有非常广泛和 有价值的应用前景。 2 . 2 机载三维成像几何定位技术发展现状 机载三维成像中的几何定位技术是实现定量化遥感的基础，几何定位技术的水平 决定着所生成三维图像的可应用程度。国外在这方面均进行了不少的研究，但几乎都 是成像与几何遥感相对独立的系统，通过数据的后处理获得三维成像结果。国内 8 6 3 支持的测高一 成像组合扫描系统是国际独创的设计思想，目 前尚无同类设计。 所以，这 里将它们的几何定位技术作一分析与比较。 当今国外以扫描激光扫描测高为主的几何定位仪器主要由加拿大、美国、德国等 研制。其中第一代激光扫描测高地形获取仪器是加拿大的 l a r s e n 5 0 0为代表的s a t 。 它于 1 9 8 6年成功地被用于浅水水底地形勘测。1 9 8 8年美国和加拿大在此基础上进行 了 水深勘测制图 仪器的合作， 研制了s h o a l s s e t ，于1 9 9 4 年试飞成功。 它主要改 进了 激光器，大大提高了脉冲重复频率。 国科学技术大学博士论文第 二章 2 0 0 1 年 5月 与此同时，n a s a也对三维地形获取十分感兴趣。其中 g o d d a r d空间飞行中心长期 从事该工作，并卓有成效。该中心从 1 9 8 9 开始研制金星探测器激光高度计，并从此开 始地形测量仪器的研制。其机载海洋学激光雷达a o l ( 改进后称机载地形制图仪a t m ) 从 1 9 9 1 年9月到 1 9 9 5 年对格陵兰冰冠进行了长期连续检测，在仪器可靠性、精确度、 稳定性方面取得较成功的研究结果。 1 9 9 5 年g o d d a r d 中心研制成功了称为第二代机载、 空间载地形获取激光扫描测距器r a s c a l 。在性能上大大提高。 典型系统指标见表2 、 1 0 型号国家工作高总视场 地西点平高程分水平精激光重复车 k 助设备时间 lar