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基于虛擬儀器的激光雷達三維成像系統的制作方法
【專利摘要】一種基于虛擬儀器的激光雷達三維成像系統，包括三維場景建模、Lidar試驗系統仿真環境建模、全波信號處理、三維重建四個功能模塊；(1)三維場景建模模塊：載入三維模型元件，設置背景色、視角控制、光照、投影模式、顯示模型等基本場景項目；(2)Lidar試驗系統仿真環境建模模塊：包括激光脈沖模型、大氣傳輸模型、目標交互模型、接收單元模型四個子模塊建模；激光脈沖模型按照激光的波長、脈寬、能量等性質對激光源進行模擬；大氣傳輸模型對試驗的大氣環境進行模擬，生成噪聲模型對激光進行作用；目標交互模型對激光與探測目標作用模擬，包括鏡面反射、漫反射、表面反射、散斑；接收單元模型用以模擬傳感后產生的探測器噪聲、放大器噪聲。
【專利說明】基于虛擬儀器的激光雷達三維成像系統 一、

【技術領域】
[0001] 本發明是基于虛擬儀器的激光雷達三維成像系統，屬于激光雷達探測【技術領域】。 二、

【背景技術】
[0002] 激光雷達探測及測距系統（Light Detection and Ranging,簡稱Lidar)是一種主 動式遙感技術，它突破了傳統的被動式遙感成像機理，受天氣影響、光照影響小、自動化程 度高等特點，具有無可比擬的優勢。
[0003] 機載成像Lidar通過MU位置矯正，DGPS獲取裝置投影中心位置，MU/DGPS系統 是指利用裝在飛機上的GPS接收機和設在地面上的一個或多個基站上的GPS接收機同步而 連續地觀測GPS衛星信號，通過GPS載波相位測量差分定位技術獲取航攝儀的位置參數，應 用與航攝儀緊密固連的高精度慣性測量單元（IMU，Inertial Measurement Uint)直接測定 航攝儀的姿態參數，通過頂U、DGPS數據的聯合后處理技術獲得測圖所需的每張像片高精 度外方位元素的航空攝影測量技術，通過點云數據處理及濾波處理，三維重建DEM。
[0004] 激光雷達技術結合光學、雷達、信號處理、計算機視覺等多門學科領域于一身，其 應用范圍橫跨海、陸、空，是近年來國內外迅速發展和廣泛應用的【技術領域】。激光雷達最早 應用于航空航天領域，后來逐漸用于軍事上，諸如激光制導、戰場偵察、飛機防撞、地雷遙感 等領域。目前，激光雷達技術廣泛應用于城市數字模型重建、森林生態監測、海洋環境測繪、 地質地貌探測、太空勘測等眾多領域。
[0005] 全波激光雷達（Full-Waveform Lidar)對脈沖發射波形和各像素點的后向散射波 形進行數據采集并記錄，在一個時間軸上可以分解出各像素點的飛行時間（T0F)和強度信 肩、。
[0006] 激光雷達成像的方法主要分為三種：
[0007] (1)采用單顆探測器，每次只測量一個像素。這種方法是最早的探測技術，將單次 測量不同像素的飛行時間和強度信息，逐一恢復各個像素的距離和反射率。
[0008] (2)采用面陣探測器，每次可探測多個像素。通過將發射光同時覆蓋整個目標，回 波信號涵蓋多個像素的信息，接收器通過解調、分離可以得出不同的像素的距離。這種方法 用于大光斑成像，單次測量的像素點數較單顆測量明顯提高。
[0009] (3)采用APD(雪蹦光電二極管）陣列探測器，獨立探測多個像素。通過將光束分 為N束分別打在目標的N個點上，通過AH)陣列的N個單元接收，從而可以同時準確地分解 N個點的信息。通過掃描器掃描目標所有的像素點，最終成像。該方法采用了高靈敏度的 AH)傳感陣列，較前面兩種方法，既能保證高分辨率成圖，又能保證高速成圖。
[0010] 全波形回波信號建模仿真與分析是全波形激光雷達探測技術的一項重要研究內 容。一個實測系統的成果往往需要前期仿真建模進行理論驗證。關于激光雷達建模仿真方 面，國外有過很多成功的技術成果，而國內對此少有系統的研究成果。
[0011] (1)林肯實驗室基于0PENGL開發的3D Lidar系統仿真了葉簇隱蔽網下的機載3D ladar試驗，通過結果分析，仿真結果與實測試驗的結果匹配度在20%以內。
[0012] (2)澳大利亞的Graham基于Matlab對運載平臺不同運動軌跡下激光雷達植被穿 透試驗進行了仿真。
[0013] (3)美國的Kim通過建立激光穿透樹木的蒙特卡洛模型，獲得Lidar全波仿真信 號。這個模型將Lidar系統與自然場景，包括大氣，樹木和地形，最終得到植被的3D模型和 反射特性。
[0014] (4)德國JUTZI通過仿真不同斜度斜坡的全波信號，利用測量與估計波的相關性 來確定平面的斜度。
[0015] 在已有的技術成果中，沒有出現既能一體化控制激光雷達仿真實驗場景，又能為 應用平臺提供硬件模塊接口，實現激光雷達實測實驗的擴展應用的Lidar三維成像系統。 基于LabVIEW的虛擬儀器技術應用到激光雷達成像領域是一種全新的開發實現方式，將很 大程度上便捷系統可視化平臺的搭建。LabVIEW是一個基于G(Graphic)語言的圖形化編程 軟件。它采用圖形化程序設計方法，使用圖形符號表達程序行為，使用可視化技術建立人 機界面，更加直觀、簡潔。LabVIEW包含的豐富的函數庫和子程序，如數據采集、信號處理、 I/O驅動等程序庫，同時提供多語言開發接口，使其成為開發測試、測量、數據采集等應用的 理想工具。 三、
【發明內容】

[0016] 本發明的目的是基于LabVIEW平臺，開發一套完整的激光雷達三維成像的仿真試 驗系統并提供基于虛擬儀器的Lidar實測三維成像系統的擴展。
[0017] 一種基于虛擬儀器的激光雷達探測及測距系統三維成像仿真系統，包括三維場景 建模、Lidar試驗系統仿真環境建模、全波信號處理、三維重建四個功能模塊；各個模塊的 特征分述如下：
[0018] (1)三維場景建模模塊：讀入三維開發工具3DSMAX、AutoCAD產生的STL/WRL/ASE 等格式的三維元件，設置背景色、視角控制、光照、投影模式、顯示模型等基本場景項目，對 讀入的包括地形、植被、飛機的范圍紋理、大小、位置、數目進行控制，其中飛機的位置對應 激光源位置，試驗中動態變化，最終呈現機載Lidar成像試驗動態場景，并輸出最終的數字 高程模型DSM高程數據，以備后續試驗；
[0019] (2)Lidar試驗系統仿真環境建模模塊：包括激光脈沖模型、大氣傳輸模型、目標 交互模型、接收單元模型四個子模塊建模；激光脈沖模型按照激光的波長、脈寬、能量等性 質對激光源進行模擬；大氣傳輸模型對試驗的大氣環境進行模擬，生成噪聲模型對激光進 行作用；目標交互模型對激光與探測目標作用模擬，包括鏡面反射、漫反射、表面反射、散 斑；接收單元模型用以模擬傳感后產生的探測器噪聲、放大器噪聲。通過對四個模型順序建 模，設置高程差、溫度、飛行角度等系統參數，最終輸出各時間段目標相應像素點的全波信 號；
[0020] (3)全波信號處理模塊：針對各時間段產生的回波信號進行處理恢復像素點深 度、強度信息信息。該模塊主要包括信號增強、小波去噪、平滑、波形擬合四個部分；
[0021] (4)三維重建模塊：該模塊為機載激光雷達試驗提供最終的可視化的三維成圖； 針對全波信號處理模塊提供的目標完整的深度及強度信息，生成距離像、強度像；通過分割 分類劃分為非地面點與地面點兩類信息；地面點信息建立網格，對地面點進行三角劃分，融 合強度信息，最終重建生成數字高程模型DEM。
[0022] 進一步：（1)中的飛機位置動態變化對應不同測量周期，按照AH)數目將激光分 光，結合光斑涵蓋像素點數得到一個周期同時測得的像素點數及其回波信號。
[0023] 進一步：（3)可動態地對每個周期的回波信號搜索、采樣特征點，針對性處理，實 現信號增強、小波去噪、平滑、波形擬合的一體化功能；為了獲得更高的測量精度，波形擬合 模塊根據激光脈沖的實際波形設置擬合模板。
[0024] 進一步：基于LabVIEW的主開發平臺，結合LabWindows/CVI、Matlab、C++的混合 開發模式，各功能子模塊（子VI)按照繼承關系被父模塊（父VI)調用，最終集成為最上層 的主⑶I界面；通過執行總⑶I呈現完整的激光雷達三維成像的可視化仿真試驗。
[0025] 提出了一種基于虛擬儀器的Lidar實測成像系統的解決方案，預留了 TCP、串口通 信接口，通過采集器加載實測數據，完成Lidar實測點云數據三維成像的功能。
[0026] 該平臺利用LabVIEW圖形語言編程的優勢，巧妙地使用三維加載功能控件，構建 可調激光雷達實驗場景；對Lidar試驗系統仿真環境，包括激光器、大氣、目標交互、接收單 元進行全面模擬，實施仿真試驗生成全波信號；構建一套系統的全波信號處理方法，對全波 信號處理分解像素點云信息；三維重建功能實現模塊對點云數據分類濾波，最終三維重建 DEM。
[0027] 本發明的有益效果：虛擬儀器架構：虛擬儀器技術提供了豐富的高性能模塊化硬 件接口，其軟件工具LabVIEW提供了圖形化開發平臺，同時集成了包括數據采集、信號處 理、圖像處理等豐富的算法庫，大大縮短了開發周期，同時具有很強的擴展性能，實現了軟 硬件無縫集成。傳統的激光雷達成像系統上位成像系統幾乎都是基于Matlab、VC等平臺， 在實現測量實驗中優勢并不明顯。而將虛擬儀器應用于激光雷達成像領域很罕見，而具有 Lidar可視化成像，同時具有完整的回波信號處理、成像一體化處理的系統一直沒有出現。
[0028] 三維可視化動態試驗場景搭建：利用LabVIEW三維圖片加載控件，提供對專業 制圖工具生成的三維模型元件格式進行加載，通過三維模型變形，紋理等控制搭建Lidar 仿真試驗可視化場景。整個仿真試驗基于LabVIEW平臺，可結合LabWindows/CVI、VC++、 Matlab 等多種工具開發，結合 3DSMAX、AutoCAD、Pro/E、SolidWorks、VRMLPAD 等三維開發工 具，將不同類型3D模型統一并建立Lidar試驗場景，功能豐富、擴展性強、可視化效果佳，完 整并直觀地呈現了全波激光雷達三維成像的試驗并提供了功能驗證。同時，系統提供了實 測系統的上位接口，對實測試驗三維成像提供了擴展的解決方案。 四、【專利附圖】

【附圖說明】
[0029] 圖1是基于虛擬儀器的成像Lidar仿真平臺的結構框圖；
[0030] 圖2是三維場景模塊實現三維建模流程圖；
[0031] 圖3是仿真系統建立的流程圖；
[0032] 圖4是全波信號處理模塊的數據處理流程圖；
[0033] 圖5是二維重建模塊流程圖；
[0034] 圖6是全波采樣信號波形圖；
[0035] 圖7是基于LabVIEW的成像Lidar仿真軟件操作流程圖；
[0036] 圖8是基于LabVIEW的成像Lidar仿真軟件的主⑶I界面；
[0037] 圖9是三維場景模塊建模效果示意圖；
[0038] 圖10是Lidar仿真試驗最終三維重建模塊重建DEM ; 五、【具體實施方式】
[0039] 下面結合附圖對本發明的技術實施方案進行詳細說明。
[0040] 如圖1所示，本發明主要包括四個功能模塊：三維場景建模、Lidar試驗系統仿真 環境建模、全波信號處理、三維重建。其中三維場景建模模塊能夠加載3D繪圖軟件輸出的 3D模型元件，并對其進行布局，調整，使之產生所需的實驗場景。3D模型元件的創建方式是 豐富靈活的。例如，地形的模型元件可使用3dsmax中的地形地貌插件terrian插件，通過 連接GIS生成指定經纟韋度的實際數字地形；植被模型可利用3dsmax的造樹插件構造指定植 被群；飛機模型可在AutoCAD根據尺寸要求中設計。
[0041] 圖2所示的是三維場景建，可加載3D繪圖軟件輸出的3D模型文件，通過調用場景 網格節點可獲取頂點數組模模塊的實施方法。LabVIEW提供了 VIML、STL、ASE三種常規三 維幾何模型加載方法、顏色數組、紋理坐標等信息，通過建立幾何模型、添加對象、設置紋理 等調用節點功能融合不同類型的3D模型搭建三維場景。同時，LabVIEW提供了豐富的場景 控制方法，包括背景色、光源、視角控制器、自動投影方式、顯示模式等基本設置，以及場景 縮放、平移、旋轉等變形控件功能。通過融合這些功能控件于前臺界面，可以靈活控制三維 場景布局，最終呈現所需的仿真實驗場景，并輸出場景的數字高程信息，作為目標仿真實驗 使用。實施例中設定飛機飛行高度為2km，APD數目為8陣元，激光頻率為10kHz，地物光斑 腳印涵蓋8個像素點信息。通過for循環控件控制飛機動態線陣掃描，單次掃描次對應實 際時間0. lms。
[0042] 圖3給出了 Lidar試驗系統仿真環境建模實施方案，該方案按照現有的激光能 量分布公式、大氣傳輸公式建模。Lidar試驗仿真環境需要對激光脈沖模型、大氣傳輸 模型、目標交互模型、接收單元模型進行建模。激光脈沖建模的內容是對激光時間分布、 輻照度分布的構建，輸入參數包括激光的波長、半脈寬、發散角、激光能量、作用距離、頻 率。大氣傳輸模型的目的是模擬光束展寬、大氣湍流、大氣衰減的影響，作用于激光脈沖， 輸入參數包括光譜輻照度、湍流強度、能見距離、亮度因子。目標交互模型的目的是模擬 激光脈沖與探測目標作用時產生的鏡面反射、漫反射、表面反射、散斑的影響，輸入參數包 括鏡面反射因子、漫反射因子、瞬時斜坡度。接收單元模型是要模擬激光作用目標后回 波信號經過接收裝置受到探測器、放大器的噪聲影響，輸入的參數包括光圈半徑、瞬時視 場、帶寬、光傳輸、響應率、焦距、暗面電流、暗塊電流、過剩噪聲因子、檢測器內部增益、平 均背景反射、光濾波器帶寬、檢測器電容值、檢測器和放大器總放大倍數。整個系統模型 的相關參數有高程差、溫度、飛行角度、目標反射率，啟動系統仿真模型各模塊，順序執行 產生激光雷達仿真回波波形。實施例中，（1)激光脈沖時間傳播

【權利要求】
1. 一種基于虛擬儀器的激光雷達三維成像系統，其特征是包括三維場景建模、Lidar 試驗系統仿真環境建模、全波信號處理、三維重建四個功能模塊； (1) 三維場景建模模塊：載入三維模型元件，設置背景色、視角控制、光照、投影模式、 顯示模型等基本場景項目，對讀入的包括地形、植被、飛機的范圍紋理、大小、位置、數目進 行控制，其中飛機的位置對應激光源位置，試驗中動態變化，最終呈現機載Lidar成像試驗 動態場景，并輸出最終的DSM表面高程數據，以備后續試驗； (2) Lidar試驗系統仿真環境建模模塊：包括激光脈沖模型、大氣傳輸模型、目標交互 模型、接收單元模型四個子模塊建模；激光脈沖模型按照激光的波長、脈寬、能量等性質對 激光源進行模擬；大氣傳輸模型對試驗的大氣環境進行模擬，生成噪聲模型對激光進行作 用；目標交互模型對激光與探測目標作用模擬，包括鏡面反射、漫反射、表面反射、散斑；接 收單元模型用以模擬傳感后產生的探測器噪聲、放大器噪聲。通過對四個模型順序建模，設 置高程差、溫度、飛行角度等系統參數，最終輸出各時間段目標相應像素點的全波信號； (3) 全波信號處理模塊：針對各時間段產生的回波信號進行處理，恢復像素點深度、強 度信息。該模塊主要包括信號增強、去噪、平滑、分解四個部分； (4) 三維重建模塊：該模塊為機載激光雷達試驗提供最終的可視化的三維成圖；針對 全波信號處理模塊提供的目標完整的深度及強度信息，生成距離像、強度像；通過分割分類 劃分為非地面點與地面點兩類信息；地面點信息建立網格，對地面點進行三角劃分，融合強 度信息，最終重建生成數字高程模型（DEM)。
2. 根據權利要求1所述的基于虛擬儀器的激光雷達三維成像系統，其特征是（1)中的 飛機位置動態變化對應不同測量周期，按照AH)數目將激光分光，結合光斑覆蓋像素點數 得到一個周期同時測得的像素點數及其回波信號。
3. 根據權利要求1所述的基于虛擬儀器的激光雷達三維成像系統，其特征是（3)中可 動態地對每個周期的回波信號搜索、采樣特征點，針對性處理，實現信號增強、去噪、平滑、 波形擬合的一體化功能；為了獲得更高的測量精度，波形擬合模塊根據激光脈沖的實際波 形設置擬合模板。
4. 根據權利要求1或3所述的基于虛擬儀器的激光雷達探測及測距系統三維成像仿真 系統，其特征是預留TCP、串口通信接口，通過采集器加載實測數據，完成Lidar實測點云數 據三維成像的功能。
5. 根據權利要求1或3所述的基于虛擬儀器的激光雷達探測及測距系統三維成像仿 真系統，其特征是成像系統的全波信號處理模塊實現過程是：全波信號按指定采樣率獲取 全波采樣數據，對該信號進行信號增強，閾值增強、帶通濾波、脈沖積累方法，降噪模塊針 對地處理各邊緣、尖峰等細節信息；平滑算法對去噪信號平滑去毛刺，同時保證信號特征 的完整性。峰值、拐點檢測確定波形分解的數目及非線性擬合的初始化位置和峰值，基于 Levenberg-Marquardt非線性擬合算法，以實際激光脈沖波形作為LM擬合模板，明顯提高 擬合優度，減少擬合誤差。通過波形分解得到相應像素的深度信息、強度信息。
6. 根據權利要求1或3所述的基于虛擬儀器的激光雷達三維成像系統，其特征是基于 LabVIEW的主開發平臺，利用ActiveX技術的LabWindows/CVI、Matlab、C++的混合開發模 式，構建用戶交互主功能界面。通過執行主⑶I可呈現完整的激光雷達三維成像的可視化 仿真試驗，最終三維成圖。操作流程為： 第一步：啟動軟件平臺后，對三維場景基本參數進行初始化配置，加載地形、植被、飛 機的三維模型，對生成的場景元素進行大小、位置、紋理等控制，全面布局，最終生成并呈現 Lidar三維場景； 第二步：設置激光模型參數、大氣模型參數、探測器模型參數，全局參數，針對產生場景 觸發試驗，獲取并呈現全波信號； 第三步：觸發全波信號處理，實時解算出每個時間周期的像素深度信息，并刷新顯示， 可觸發數據存檔； 第四步：觸發點云三維重建，生成DEM及等高圖，設置其呈現窗顯示形式，對圖像存檔。
7.根據權利要求5所述的基于虛擬儀器的激光雷達探測及測距系統三維成像仿真 系統，其特征是成像系統的全波信號處理模塊實現過程是：降噪具有良好的時頻特性， 選基靈活，針對地處理非平穩信號的各邊緣、尖峰等細節信息。峰值、拐點檢測為了確 定波形分解的數目及非線性擬合的初始化位置和峰值，此前需要刪除誤判錯點，并計算 閾值作為擬合常量；非線性擬合是波形分解的核心算法采用包括Levenberg-Marquardt 非線性擬合，由LabVIEW提供了該功能控件可直接調用；使用高斯擬合，即
對于激光脈沖擬合會存在一定的誤差；實際的激光時間分布為：
，其中
T1/2表示半波；因此，使用
作為LM 擬合模板，明顯提高擬合優度，減少擬合誤差。通過波形分解得到相應像素的TOF(飛行時 間）、強度信息。
【文檔編號】G01S17/89GK104049259SQ201410308788
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年7月1日 優先權日:2014年7月1日
【發明者】王元慶, 徐帆, 曾真 申請人:南京大學