激光雷达(LiDAR)系统组成

搭载于不同平台的激光雷达系统,其系统组成会有所区别,但核心都是激光扫描系统。以机载(例如车载)激光雷达系统为例,除了激光扫描系统,通常还包含全球导航卫星系统、惯性导航系统、监视及控制系统等子系统。

激光扫描系统

激光扫描系统包括激光测距单元和机械扫描装置。测距单元由激光发射器和接收机组成,负责激光信号的发射与接收,确定地面目标到激光器的距离、回波数量及激光回波强度信息。发射和接收激光束共用同一光孔,保证发射光路和接收光路是同一光路。

激光束通常是一束很窄的光,发散度很小,照射到地面的范围即为激光光斑。激光被地物目标反射后,部分信号返回到接收机并被记录单元记录。机械扫描装置可通过机械的快速转动,使激光束从不同方向发射出去。扫描方式主要有摆镜扫描、旋转棱镜扫描、椭圆扫描、光纤扫描等。

全球导航卫星系统

全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)是在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候空间三维坐标和时间等信息的空基无线电导航定位系统,通常包括一个或多个卫星星座及其支持特定工作所需的增强系统。目前 GNSS 系统主要包括我国北斗、美国 GPS、俄罗斯 GLONASS、欧洲 Galileo 系统。

GNSS 在激光雷达系统中的作用主要有以下 3 个:

  1. 与 IMU、激光器之间实现时间同步;
  2. 与 IMU 数据进行组合导航解算轨迹,提高位置和姿态精度;
  3. 为飞行平台提供导航数据。

惯性导航系统

惯性导航系统(Inertial Navigation System,INS)主要包括惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)和导航处理器。

IMU 是负责姿态测定的陀螺和加速度计等惯性单元的总称,通常由三个加速度计和三个陀螺、数字电路、中央处理器等组成,其作用是测量激光发射时刻扫描仪的姿态信息,包括俯仰(pitch)角、侧滚(roll)角和航向(heading)角。

IMU 和 GNSS 构成了定位定姿系统(Position and Orientation System,POS),提供位置和姿态信息,其精度直接决定激光雷达系统获取的点云数据精度。

监视及控制系统

监测及控制系统控制激光扫描仪、GNSS 及 IMU 的工作状况,核心是保持激光雷达系统的协调同步工作,同时对获取的数据进行存储。获取的数据包括:距离、强度数据、GNSS 系统及 INS 系统等位置姿态数据、辅助数据等。