激光雷达系统在大尺寸地形扫描中的应用

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1、第29卷第2期航天器环境工程2012年4月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING215激光雷达系统在大尺寸地形扫描中的应用112111陈启威，孙刚，庞贺伟，唐赖颖，杨再华，易旺民（1.北京卫星环境工程研究所，北京100094；2.中国空间技术研究院，北京100094）摘要：为了获取模拟月面的三维地形数据，采用激光雷达系统进行专项试验场地形测量。文章分析了激光雷达系统的测量站点布局规划和位置参数设置对大尺寸地形扫描测量的影响，重点研究了激光雷达在景深条件限制下为实现最大扫描面积的有效扫描高度和扫描宽度设置。研究结果可为深空大

2、范围扫描测量深入研究提供一定的参考。关键词：激光雷达；大尺寸地形扫描；模拟月面；景深中图分类号：TN958.98文献标识码：A文章编号：1673-1379(2012)02-0215-05DOI：10.3969/j.issn.1673-1379.2012.02.0200引言为了深入研究和掌握月面特殊环境（低重力、[1]月表地形地貌、月壤、月尘、月表温度等）对探测器探测活动的影响，将开展探测器在模拟月面地形[2]条件下的功能、性能专项试验评价研究，以验证其行走、越障及爬坡能力。在探测器专项试验图1大尺寸地形扫描的限制条件、解决途径及技术难题Fig.1R

3、estrictions,solutionsandtechnicalproblemsof研究中，首先需要测量获得模拟月面地形的DEMlarge-sizetopographyscanning图，以此作为器上设备的检测手段，并且与位姿测1测量方案的选定量系统联合辅助探测器实现自主行走的“沙盘”三维地形高精度测量一般采用非接触三坐标演练。测量系统，根据原理不同可以大致分为空间测角测经纬仪测量系统、全站仪测量系统、激光跟踪距法、模式识别摄影测量法和激光扫描法。空间测测量系统、数字工业摄影测量系统及激光扫描测角测距法的采点密度和测量效率较低，难以应用于量系统等

4、在三维地形测量领域具备各自的测量优大尺寸地形扫描测量；模式识别摄影测量法的像点[3-6]势。针对模拟月面地形测量范围大、精度高、匹配较为困难，测量范围小、速度慢，而且易受测光照环境复杂以及测量时间短等特点，本专项试验量环境光照条件的影响；激光扫描法的测量范围的地形测量采用美国Metris公司MV330型激光雷大、速度快，而且采点密度高，也不易受外界环境达系统。激光雷达系统在进行大尺寸地形扫描测量影响。时，将受到最大测量距离、最大测量俯仰角以及景模拟月面地形的专项试验场测量区域为深等限制条件，为此，需要通过多站点测量、高度30m×30m，测量精度要求

5、在高度方向为5mm、水限制和扫描区域限制等措施来实现模拟月面地形平方向为10mm×10mm，试验场光照环境复杂，的扫描测量工作。针对测量站点布局、位置参数设且要求测量时间短，因此非常适合激光扫描法。置和扫描参数最大化设置等技术问题，本文开展了目前比较成熟的激光扫描仪器有Leica激光雷达系统在大尺寸地形扫描的应用研究。详情ScanStation系列扫描仪、FaroScene系列扫描仪、如图1所示。美国GSI公司的V-STARS测量系统以及美国Metris————————————收稿日期：2011-12-23；修回日期：2012-02-02作者简介：

6、陈启威（1988—），男，硕士研究生，研究方向为航天器总装精度测量。E-mail：wherechen@yahoo.cn。216航天器环境工程第29卷公司的激光雷达系统。尽管LeicaC10和Faro扫描为了满足测量数据无缝拼接的要求，测量过程仪是专业的地形测量系统，但其测量精度较低。中激光雷达相邻的站点间距不能超过2倍的激光V-STARS系统测量精度高且速度较快，但其单机雷达最大测量距离（与激光雷达测量高度密切相测量范围较小，拼接次数过多。与其他测量系统相关），同时测量站点布局必须使激光雷达的测量范比，激光雷达系统测点精度最高，测量范围大、速围覆盖

7、整个测量场地。度快，因此本专项试验场的地形测量选用美国激光雷达系统的扫描模式主要有“VisionMetris公司MV330型激光雷达系统。Scan”和“MetrologyScan”，它们对应的精度和速率均不同，其中“VisionScan”侧重于快速扫描，2测量站点布局[7]而“MetrologyScan”侧重于高精度扫描。对于美国Metris公司MV330型激光雷达的测量距地形扫描，扫描所需时间由总测量面积（试验场面离为1～30m，水平角测量范围为±180°。扫描积）和扫描速率决定。总测量面积依据测量站点布测量工作将受到激光雷达最大测量距离的限制，

8、一局而定，扫描速率依据扫描模式而定，总测量面积般无法一次性完成大尺寸地形的测量任务，需要在越小，扫描速率越快，则地形扫描所