CN107533127A - 改善的激光扫描的装置和方法 - Google Patents

Abstract

所公开的实施例包括从机载或基于地面的平台使用激光器来扫描地面或目标的装置和方法。在某些实施例中，所述装置和方法产生地形的3D标高模型。在一些实施例中，所述装置包括脉冲激光器、用以检测和放大被地面上的物体（或地面自身）反射后的脉冲的接收器、以及测量光脉冲的飞行时间（根据其计算出与目标的斜程距）的电子设备。所公开的实施例的技术优点包括避免盲区以确保不浪费激光发射。在针对机载应用的某些实施例中，所述装置还可以被配置成独立于飞行器高程或地面地形标高而维持恒定的测线束宽度或恒定的光斑间距。

Description

改善的激光扫描的装置和方法

技术领域

本发明的实施例一般涉及提供一种用于来自机载的或基于地面的平台的陆地地势的3D测量的改善的装置和方法，并且特别地，提供一种消除可能由在现有的激光地形测绘***中可能出现的盲区所引起的潜在数据损失的装置和方法。

背景技术

机载激光地形测绘（ALTM）***使用时间飞行（TOF）LiDAR来测量从安装于飞行器中的***到飞行器下方的地面的距离。可见光或红外光的短脉冲由光源（诸如激光器）发出并且被指向目标。光脉冲传播到目标并且一部分被反射且传播回到LiDAR***，在那里所述一部分被高速光学检测器（诸如雪崩光电二极管）检测到，该高速光学检测器将光脉冲转换为电信号，然后该电信号被放大。通过测量从光脉冲被发出的瞬间到接收到返回信号时的时间间隔，可以使用精确已知的光脉冲传播的速度来计算与目标的距离。可以由电子子***（诸如时间间隔计）通过数字化所接收到的回波并且分析波形或其他手段来测量TOF。

当射出激光时，存在检测器可能看到一些散射光的非常短暂的时段。这可能是由来自内部光学部件的反射、来自***输出端处的窗口的反射、来自飞行器中的窗口（***通过该窗口进行操作）的反射或者来自飞行器下方的前几米空气的背向散射所引起的。如果来自先前发出的激光脉冲的回波将在此短暂时段期间到达检测器，则将无法将其与散射光脉冲相区分，并且如果散射光产生了具有比来自目标的返回脉冲高得多的幅值的信号，则它将淹没回波并且使***致盲一段时间。来自不需要的散射光的脉冲引起盲区，在该盲区期间***不能够对返回信号做出响应并且测量TOF。因此，不能计算程距数据并且本质上浪费了激光发射。目前，所有现有的机载激光测绘***具有这种限制。

对于在高脉冲重复频率（PRF）下操作的ALTM而言，与目标的程距可能使得TOF是在两个连续激光射出之间的时间间隔的许多倍。在接收到来自目标的返回脉冲之前射出激光导致了同时在空中的多于一个的脉冲。如果例如目标程距和激光PRF使得同时在空中存在五个脉冲，则可能存在五个盲区，其将显著地增加回波被掩盖的可能性并且减少获得有效程距测量的可能性。在高激光PRF下计划飞行高程来将盲区的影响最小化几乎是不可能的，因为TOF随飞行器在地面以上的高度、扫描器偏离角、飞行器滚转、俯仰或航向以及地形本身的地势而改变。

发明内容

一般而言，所公开的实施例涉及应对同时处于去往和来自目标的途中的多个光脉冲的挑战。目标是防止传出和传入的脉冲在同一时刻入射在检测器上，这将使***“看不到”传入的返回脉冲。

因此，所公开的实施例包括用于消除盲区的负面效应以及在没有数据损失的情况下使***能够在高激光PRF下操作的***或装置以及一个或多个方法。因此，所公开的实施例具有在全激光PRF下收集有效数据的潜在性。

除了上文描述的由不需要的散射光所引起的盲区以外，在某些大气条件下，当***检测到来自飞行器下方前几米空气的背向散射光时，也可能引起盲区。例如，返回信号可以是来自飞行器下方10米的潮湿空气，或者它可以是来自十个激光发射以前的地面返回脉冲，其最终到达检测器。因此，本文公开的某些实施例被配置成显著地减少该情况发生以及扩展盲区的可能性。例如，某些实施例可以包括防止检测来自前几米大气的不需要的返回脉冲的扫描器和特殊光学元件。在没有该光学元件的情况下，***将被非期望的信号淹没。在一个实施例中，所公开的***将减少或消除由飞行器下方20-50米内的背向散射光所引起的盲区。

如将被进一步描述的，在某些实施例中，所公开实施例的优点是通过使用电子电路来达成的，所述电子电路捕捉所发出的光脉冲与入射在检测器上的一定阈值以上的后续光学信号之间的时间间隔。这些信号可以是如下情况的结果：a) 由光学表面产生的来自传出光线脉冲的背向散射的光，b) 由靠近飞行器的大气产生的来自传出光脉冲的背向散射的光，或者c) 来自预期目标的返回脉冲。在某些情形中，接收不到返回脉冲（例如，高程过高、有雾的大气、目标反射率过低）；然而，在其他时候，可能从单个激光脉冲（从线路、或树的顶部、或树枝下方，或从地面）接收到多个返回脉冲。根据所公开的实施例，这些经检测的事件中的每一个都导致TOF测量。在某些实施例中，这是通过硬件解决方案来实现的。

在一个实施例中，实时地监视所检测到的信号并且计算所得到的与地面的程距。算法根据返回脉冲识别并且区分传出信号。由内部光学部件或窗口对输出脉冲进行的散射所产生的信号由于其出现的时间而就其本身而言被标识。所述时间与激光脉冲发射的时间同步。对于每个返回脉冲，如将在下文描述的，算法检查传出和传入信号将同时入射在检测器上的潜在性，该情况的发生在本文被称为冲突。该冲突可能发生于其中的时间跨度被称为盲区。如果预测到该情况将发生，则***对发出下一个激光发射（传出信号）的时间做出非常小的调整（例如，百万分之一秒的一部分），以便防止冲突并且由此消除盲区。实际上，激光的射出被延迟或者被提前，以使得传出的激光脉冲被置于返回信号不被预计为入射在检测器上的时间段中。按需要连续地监视和调整结果。在一个实施例中，这是以激光射出速率逐发射完成的，该激光射出速率可以是超过每秒五千次发射。

所公开实施例的另一个优点包括用于独立于飞行器的高程或者地面地形的标高来维持地面上的恒定测线束（swath）宽度和点分布的装置和方法。

作为示例实施例，所公开的装置可以包括用于执行计算机可执行指令的处理器和用于存储计算机可执行指令的计算机可读存储介质。这些指令当由处理器执行时，使所述装置能够执行下述特征，所述特征包括：动态地监视由激光扫描装置传输和接收的激光脉冲的飞行时间（TOF）；确定是否存在对于传出激光脉冲和传入信号将在彼此的几纳秒内被检测到的潜在性；以及响应于确定传出激光与传入信号的潜在的同时（在几纳秒之内）检测很可能发生，调整脉冲重复频率（PRF）。其他指令可以包括：当飞行器飞行高度和地面地形标高中的至少一个在用于使用激光扫描装置维持恒定测线束宽度的勘测任务期间改变时，动态地调整扫描器参数以保持光斑密度相对恒定。

本文公开的各种实施例中的一个示例包括一种***，其被适配为安装在机载平台上以用于地势标高的测量，其中所述***包括：脉冲激光器，其用于生成光脉冲；主反射镜，其被适配为在至少一个轴上来回振荡以便将激光以一定图案引导到地面，并且进一步被适配为接收激光从地面的反射以及将激光的反射引导到辅反射镜，所述辅反射镜被适配为将所接收的激光重定位和维持到检测器的中心上，所述检测器被配置成产生由接收器放大的电信号；时间间隔计，其被配置成确定所接收的激光的飞行时间；以及控制电子设备，其被配置成使用所接收的激光的飞行时间来确定机载平台下方的地势标高的测量结果。在一个实施例中，辅反射镜位于主反射镜和再成像模块之间。

在下文进一步详细描述所公开的***和方法的其他实施例和优点。

附图说明

为了更完整地理解本文提供的描述及其优点，现在对结合附图和具体实施方式所进行的以下附图说明做出参考，其中相似的附图标记代表相似的部分。

图1是图示了根据一个实施例的***的框图。

图2是操作中的***的示意图。

图3是图示了根据所公开的实施例的在任何给定时间在途中仅存在一个脉冲的情况的时序图的示例。

图4是图示了根据所公开的实施例的同时在途中存在两个光学脉冲的情况的时序图的示例。

图5是图示了根据一个实施例改变激光射出时间以避免潜在盲区的方法的流程图。

具体实施方式

上文所总结的发明可以通过参照应当结合附图阅读的以下描述而被更好地理解。以下阐述来使人们能够构建和使用本发明的实施方式的这种对实施例的描述并不意图限制本发明，而是用作本发明的特定示例。例如，尽管本文描述的某些实施例着重于本发明的机载应用，但本发明的其他实施例可以包括使用移动平台或者静态平台的基于地面的激光扫描应用。

本领域的技术人员应当理解的是，它们可以容易地使用作为用于修改或设计其他方法和***的基础而公开的概念和具体实施例，以用于实现本发明的相同目的。本领域的技术人员还应当认识到这样的等效组件不偏离本发明以其最宽泛形式的精神和范围。

此外，在随后的描述中，附图不一定是按比例的以及某些特征可以为了清楚和简明或者出于提供信息性目的而以概括性或示意性形式示出，并且不限制权利要求的范围。

另外，尽管本文采用了特定术语，但它们仅在一般性和描述性意义上使用并且不用于限制的目的。例如，本文使用的术语计算机意图包括必要的电子部件，诸如但不限于，被配置成使得能够实现编程指令执行的处理部件和存储器。

如本文描述的，所公开的实施例包括改善的激光扫描装置和方法，其被配置成防止由盲区引起的数据损失。例如，在一个实施例中，基于来自先前激光发射或者先前激光发射的序列的TOF测量，装置包括数据采集计算机或其他电子设备，其预测如果在当前激光PRF下继续操作，则来自下一激光发射的返回信号是否很可能落入盲区中。如果装置确定如果在当前激光PRF下继续操作则来自下一激光发射的返回信号很可能落入盲区中，则该装置被配置成提前或者延迟激光射出时间以确保返回信号将摆脱盲区。在一些实施例中，调整过程以逐发射为基础来执行，同时保持针对任务所计划的平均数据收集速率。

在一个实施例中，为了减少背向散射大气返回的潜在性，所述装置被配置成将激光功率减少至不高于在所选飞行高度下可靠地获得程距测量结果所需要的功率。所述装置还被配置成控制小反射镜，该小反射镜控制接收器指向方向。该附加反射镜配置和控制过程的一个优点是其减少了所需要的接收器视场（FOV），同时仍能够优化所接收信号的收集。例如，扫描速率通常是每秒几千度。对于长程目标而言，到接收到返回信号的时候，扫描器反射镜移动了可观的量。因此，为了使得能够实现在短程和长程两者下的检测，要求比最优更宽的接收器FOV。如本文所公开的，利用在计算机控制下的小反射镜，有可能作为扫描速率和与目标的程距的函数关于发射器调整接收器调准。这允许更小的经优化的接收器视场。

以图1开始，呈现了框图，其描绘了根据所公开的实施例的地势成像激光雷达***100的一个示例配置。在该特定实施例中，***100包括具有用于产生低发散度射束的附着准直仪的脉冲激光器1。这样的激光器的一个示例是光纤激光器，其可以在几百kHz脉冲重复频率下并且具有小于毫弧度的射束发散度的2纳秒宽的脉冲内产生几十微焦的脉冲能量。脉冲激光器1在外部从脉冲生成器2触发并且产生短光学脉冲20，该短光学脉冲20被引导到由电流计扫描器电机12所驱动的主振荡扫描器反射镜5上。包括主振荡扫描器反射镜5、电流计扫描器电机12以及扫描器驱动电子设备9的光学扫描器同时偏转来自目标的传出发射脉冲20和（一个或多个）所接收的返回脉冲22。不同扫描图案可以被用于（诸如锯齿的、正弦的，等等）获得正被成像的地形的样本数据点。

发射脉冲能量的小部分被地形反射并且然后在穿过包含透镜和光谱过滤器14的再成像模块15之前，由主振荡扫描器反射镜5反射到离轴抛物线反射镜11上并且反射到辅扫描器反射镜13上，以及反射到产生由接收器电子设备4放大的电信号的检测器3上。TOF由时间间隔计6测量。

在所描绘的实施例中，***包括位置与取向部件7，该位置与取向部件7包括用于对地形上的激光点的位置进行直接地理参考的全球定位***（GPS）定位和惯性***。控制与数据采集计算机10（其包括电子设备、一个或多个处理器、以及用于存储和执行指令的存储器部件和用于存储由***产生的数据的非易失性存储器）控制***100的操作。例如，在一个实施例中，当射出激光时，控制与数据采集计算机10收集测量数据，其包括TOF、扫描角度、传感器位置（例如纬度、经度、椭球体上方的高度，等等）以及取向（例如滚转、俯仰、航向，等等）。控制与数据采集计算机10被配置成对每个数据段加时间戳并且将其保存在数据存储单元（诸如但不限于固态磁盘驱动器）中。在一个实施例中，***100可以包括外部的、有线或无线的接口，诸如使***100能够与外部设备通信的操作者接口8。例如，在一个实施例中，控制与数据采集计算机10可以从用于设定***参数以及监视性能的膝上型计算机接收编程指令和/或其他数据。在某些实施例中，***100可以被配置成在一个或多个公共或私有网络（例如，互联网，内联网、移动数据网络，等等）上进行通信，以用于向***100发送或从***100接收编程指令和/或其他数据。在一些实施例中，控制与数据采集计算机10还被配置成运行任务计划软件，其提供用于进行下述各项的能力：通过在输入地图上图形地选择勘测区域来计划任务，查看需要在所选飞行高度下覆盖勘测区域的飞行线路以及实时监视实际的覆盖范围和***状态。

如图1中所示，在某些实施例中，***包括用于实施用于减少检测大气背向散射可能性的方法的辅扫描反射镜13。例如，在当前的***中，在所发射的激光脉冲（由发射射束20描绘）朝向目标反射离开主振荡扫描器反射镜5时，如果与目标的程距较大并且扫描速率较高，则到返回脉冲（由所接收的射束22描绘）返回到主振荡扫描器反射镜5的时候，主振荡扫描反射镜5旋转经过可观的角度。在没有辅扫描器反射镜13的情况下，随着主振荡扫描器反射镜5来回振荡，所接收的光斑将跨越检测器3的表面来回移动。因此，在当前的***中，在检测器3的尺寸确定接收器FOV的情况下，需要相对大的检测器以及因此需要大的接收器FOV。然而，结果将是小于最优的信噪比。

因此，根据所公开的实施例，辅扫描器反射镜13被用于将所接收的光斑保持在检测器3的中心，因此可以使用更小的接收器FOV。在一个实施例中，辅扫描器反射镜13与主振荡扫描器反射镜5同步，并且与主振荡扫描器反射镜5以同样的扫描速率来驱动。因为来自大气的背向散射脉冲在近程距处更普遍存在，这些不期望的背向散射脉冲将落在检测器3的边缘上并且因此将被极大地衰减。

在一个实施例中，为了进一步减少背向散射大气返回的潜在性，装置被配置成利用减少的激光功率进行操作，所述减少的激光功率不多于在所选飞行高度下可靠地获得程距测量结果所需要的功率。在一个实施例中，在所选飞行高度下可靠地获得程距测量结果所需要的最小激光功率可以通过执行一种算法来确定，所述算法在包含最小功率激光水平对比飞行高度的关系的表中实行查找。在一些实施例中，实时连续地执行该过程以随着飞行高度或地形改变而调整激光功率。将激光功率减少至不多于可靠地获得程距测量结果所需要的功率的优点是减少来自内部反射和大气的不需要的背向散射信号的幅度。低于接收器检测阈值的信号将不产生来自接收器的输出并且因此将不引起盲区。

所公开的实施例的第二优点是，对于要求最大激光功率的长程目标，辅扫描器反射镜以相对于主扫描器反射镜的偏移来定位（旋转），使得到（在TOF延迟之后）接收到回波的时候，主扫描器已经旋转为使得接收器FOV指向方向将处于最优位置以检测长程回波，但是对于短程大气返回将是未对准的。因此，检测到大气返回的可能性被减少或消除。

作为示例，假设主振荡扫描器反射镜5以4000度/秒的速率旋转射束，目标程距是3500米并且接收器FOV是1毫弧度。用于光学脉冲的2路运行的TOF将是近似23.4毫秒。因此，到接收到回波的时候，扫描器将已经将射束旋转了近似1.6 mrad 。结果，在具有如上文描述那样进行操作的辅扫描器反射镜13的情况下，接收器FOV将针对近程距目标未对准达1.6mrad，导致来自近程距目标的返回信号的显著衰减，由此减少或消除由来自大气的背向散射脉冲所引起的盲区。

图2示出了操作中的***100。***100被安装于机载平台之中或之上，所述机载平台诸如但不限于飞行器200。使用脉冲激光器，***100生成由跨飞行光学扫描器产生的测线束202，并且飞行器的向前运动导致沿着轨迹的覆盖范围。如上文所述的，***100使用GPS和IMU（惯性测量单元）定位以便对地形上的激光点的位置进行直接地理参考。

图3是示出了包括三个顺序的激光触发脉冲的序列301以及用于在任何时间在途中仅存在一个光学脉冲的情况的激光输出脉冲的对应的序列302的时序图的示例。在所描绘的实施例中，触发脉冲311产生激光输出脉冲312，触发脉冲314产生激光输出脉冲315，以及触发脉冲317产生输出脉冲318。序列303图示了来自目标的由激光输出脉冲导致的所接收的返回脉冲。例如，回波脉冲313是激光输出脉冲312的结果，回波脉冲316是激光脉冲315的结果，以及回波脉冲319是激光输出脉冲318的结果。对应的盲区（例如，***看不到传入信号的时间）被示为320、321和322。在典型的***中，激光脉冲的宽度是2或3纳秒，而盲区可以延续几十纳秒或更多。

图4是时序图的示例，该时序图示出了描绘到激光器的五个顺序激光触发脉冲的序列401和用于在已经接收到来自先前脉冲的回波（在序列403中示出）之前触发激光器的情况的激光输出脉冲的对应序列402。因此，在该情景下，同时在空中存在两个光学脉冲。例如，在所描绘的实施例中，触发脉冲411产生激光输出脉冲412，触发脉冲414产生激光输出脉冲415，触发脉冲417产生输出脉冲418，触发脉冲420产生输出脉冲421，以及触发脉冲422产生输出脉冲423。返回脉冲413是激光脉冲412的结果，返回脉冲416是激光脉冲415的结果，返回脉冲419是激光脉冲418的结果，等等。如上文所述的，因为在已经接收到来自先前脉冲的返回脉冲之前触发激光器，所以返回脉冲413是激光脉冲412而不是激光脉冲415的结果，并且返回脉冲416是激光输出脉冲415而不是输出脉冲418的结果。在所描述的实施例中，对应的盲区被示为433、434、435、436和437。如果同时在途中存在更多脉冲，则盲区的数量增加，但是盲区的长度并不改变。结果，增加了潜在浪费的激光发射的数量。

现在参照图5，根据所公开的实施例呈现了图示出改变激光射出时间以避免潜在盲区的方法的一个示例的流程图。

在标称PRF下操作激光器，所述标称PRF被选择为提供地面上的所需要的激光光斑密度。除了激光PRF外，光斑密度取决于扫描角度最小值到最大值的范围、扫描器速度、飞行器对地速度以及地上飞行高度。对于每个激光发射，TOF将是与目标的2路程距（往返）乘以光速。该TOF（其被精确测量）确定了相对于从激光器发出脉冲的时间何时从目标接收到返回脉冲。

由于激光器被外部触发并且由于激光发射在应用激光触发之后在固定的可重复时间发生，所以连续激光发射的光学输出之间的时间T（其中T是在那一时刻PRF的倒数）是已知的。因此盲区出现的时间也是已知的并且可以通过改变激光触发时间来控制。具体地，以逐发射为基础，T可以被稍微增加或减少以确保盲区在时间上不与接收到返回脉冲的时刻同时发生。T中的这些改变与激光PRF中的小改变等价，所述激光PRF中的小改变并不显著地改变激光光斑在地面上的位置或光斑密度。

作为示例，如果激光以200 kHz的PRF射出，将每5微秒存在可以延续（例如）10纳秒的盲区。如果与目标的程距是740米，TOF将是近似4.938微秒。在该示例中，将在盲区之前62纳秒接收到回波。TOF测量结果的在先序列可以指示：无论出于什么原因（地形变化，飞行器位置或取向改变，扫描角度改变，等等），如果不对PRF做出调整，则存在很高的可能性来自下一个激光发射的回波将落入盲区中。控制激光射出时间的软件算法然后可能通过减少T达 100纳秒的量（稍微增加PRF）来使盲区移位，以使得现在回波在盲区之后发生，或者该算法可能增加T（稍微减少PRF），以使得返回脉冲充分地在盲区之前出现。这些决定是基于来自在先TOF测量结果的知识。

过程或算法被实现为计算机可执行指令并且是通过使用所公开***的一个或多个处理器来执行的。所述过程通过实时监视每个激光输出脉冲的所报告的TOF（飞行时间）来在步骤501处开始。这是基于生成激光输出脉冲的时间到***接收到对应返回脉冲的时间所确定的。在该实施例中，在步骤502处分析TOF测量结果的序列，以预测即将到来的TOF是否将在盲区附近。在某些实施例中，可以基于用户偏好或基于其他参数（诸如但不限于飞行数据、地形类型，等等）来调整PRF。

在步骤503处，如果所述过程确定即将到来的TOF将在盲区附近，则调整PRF（向上或者向下），以避免此事件发生。在一个实施例中，如果返回脉冲在盲区之前短于30纳秒出现，则下一个激光触发脉冲被提前50纳秒（稍微增加PRF）以使盲区在返回脉冲的预期到达时间之前出现，或者延迟激光触发脉冲达40纳秒（稍微减少PRF）以使得盲区在返回脉冲的预期到达时间之后的附加40纳秒时出现。

如果尚未对PRF做出调整来避免盲区，则所述过程在步骤504处将对PRF做出调整以使它更接近于初始PRF设定，针对勘测任务来编程该初始PRF设定以实现期望的光斑间距和密度。

在一些实施例中，可以通过添加或减去恒定值来执行调整。替换地，在其他实施例中，可以通过基于所确定的即将到来的TOF添加或减去动态的值范围来执行调整。在一个实施例中，***将做出如所需要的最低限度的调整来使即将到来的TOF不在盲区附近。

尽管所描绘的实施例按时间顺序监视TOF测量结果，但在替换的实施例中，所述过程可以被扩展为通过作为扫描器位置或所计算的点的3D位置的函数而参考过往的激光发射来进行外推。

仍然在一些实施例中，***可以被配置成动态地调整最小值到最大值扫描角度覆盖范围，以便补偿改变中的飞行器高度以及改变中的地面地形标高，以提供地面上的恒定的测线束宽度和激光光斑分布。在一个实施例中，通过使用可编程的基于电流计的扫描器来使这一点成为可能。可编程的基于电流计的扫描器被配置成出于维持地面上的期望的激光光斑密度的目的而执行测线束追踪算法。在没有测线束追踪的***中，测线束宽度是经编程的扫描角度和地上飞行高度的函数。因此，在变化的地形高度中，光斑密度将不是恒定的。根据所公开的实施例，通过动态地调整扫描器参数（例如，最小值到最大值扫描角度覆盖范围），***能够在地形高度在勘测任务期间发生改变时保持光斑密度相对地恒定。

另外，在某些实施例中，***还可以被配置成补偿飞行器飞行高度和滚转角度中的改变。例如，在一个实施例中，使用来自GPS接收器和惯性测量单元的输入，位置与取向部件7（如图1中所描述）被配置成实时计算飞行器滚转角度。由于主振荡扫描器反射镜5的旋转轴与飞行器的滚转轴平行，控制与数据采集计算机10能够对主振荡扫描器反射镜5进行编程，以通过相应地偏移测线束来补偿飞行器滚转。由此，这种调整保持测线束在飞行器下方以对称方式居中。控制与数据采集计算机10还监视由时间间隔计6测量的针对每个激光发射的TOF数据，并且计算与地形的斜程距（slant range）。通过使用所计算的与地形的斜程距以及与每个激光发射相关联的所测量的扫描角度，所述***计算地上垂直标高并且估计平均值，所述平均值被用于调整最小值到最大值扫描角度覆盖范围（测线束）。

在另一个实施例中，飞行器到地面距离的中值差被用来调整测线束宽度。

在又一个实施例中，当测绘倾斜地形时，可以使飞行器左侧下方的地面上的测线束的范围不同于飞行器右侧下方的地面上的测线束的范围。

作为测线束追踪的示例，假设计划的勘测要求地上1000米的飞行高度处的20度的最大扫描角度，如果从飞行器到地面的距离改变为2000米，则由于地形高度中的改变或者由于飞行器高程中的改变，***将会动态地将最大扫描角度减少到10度，以便保持测线束宽度恒定。

因此，所公开的实施例为***操作者提供测线束追踪的好处。这一附加特征的优点包括不必计划比必要更宽的测线束宽度来覆盖飞行器到地面距离改变的可能性，这导致了成本节约。

因此，所公开的实施例向与当前机载激光扫描***相关联的问题提供了一个或多个技术解决方案。例如，在一个实施例中，所公开的实施例提供了一种改善的机载激光扫描***，所述***消除或减少了由不需要的散射光（例如，由来自内部光学部件的反射、来自***输出端处的窗口的反射、来自飞行器中的窗口（***通过该窗口进行操作）的反射所引起）以及来自飞行器下方前几米空气的背向散射光所引起的盲区。另外，如上文描述的，所公开的实施例提供了能够维持恒定测线束宽度的改善的机载激光扫描***。

尽管在本文中已经详细描述了有代表性的过程和制品，本领域的技术人员将认识到的是，可以在不偏离由所附权利要求描述和限定的范围的情况下做出各种替换和修改。例如，尽管以上说明书描述了以一定顺序并且通过特定模块执行特定步骤和功能，但本文公开的特征不意图被限于任何特定顺序或任何特定实施约束。例如，在不偏离所公开实施例的范围的情况下，可以在图1中描述的实施例中添加、重定位、移除和/或组合一个或多个部件。作为另一个示例，在某些实施例中，图5中描述的过程可以在不考虑PRF是否处于其标称设定的情况下调整PRF。

因此，要理解的是，本发明将不限于所公开的具体实施例。权利要求的范围意图宽泛地覆盖所公开的实施例以及如本文公开的任何这样的修改或组合。

Claims (20)

1.一种适配为测量地势标高的***，所述***包括：

脉冲激光器，用于生成激光脉冲；

主反射镜，其被适配为在至少一个轴上来回振荡以便将所述激光脉冲以一定图案引导到目标，并且进一步被适配为接收所述激光脉冲从所述目标的反射以及将所述激光脉冲的反射引导到辅反射镜；

所述辅反射镜，其被适配为将所述激光脉冲的反射重定位到检测器中心上，所述检测器被配置成产生由接收器放大的电信号；

时间间隔计，其被配置成基于生成所述激光脉冲的时间到所述接收器何时接收到所述激光脉冲的反射来确定飞行时间；以及

控制电子设备，其被配置成使用所述飞行时间来测量所述地势标高。

2.根据权利要求1所述的***，进一步包括：再成像模块，其包含配置于所述辅反射镜和所述检测器之间的透镜和至少一个光谱过滤器，在其中所述激光脉冲的反射从所述辅反射镜传递到所述检测器。

3.根据权利要求2所述的***，其中所述辅反射镜位于所述主反射镜和所述再成像模块之间。

4.根据权利要求1所述的***，其中所述脉冲激光器由外部触发脉冲所触发，以及在所述外部触发脉冲和从所述脉冲激光器发出的光学脉冲之间的延迟是精确已知的并且是可重复的。

5.根据权利要求1所述的***，其中所述控制电子设备被配置成控制所述辅反射镜的指向方向，所述辅反射镜关于所述激光脉冲的反射调整所述接收器的对准以减少针对检测大气背向散射返回的潜在性。

6.根据权利要求1所述的***，其中所述控制电子设备被配置成通过将激光脉冲能量减少到已经被确定为对于可靠程距测量结果而言足够的水平来减少针对背向散射大气返回的潜在性。

7.根据权利要求1所述的***，其中所述控制电子设备被配置成确定传出激光脉冲和传入信号的潜在冲突，并且调整所述传出激光脉冲的时序以避免所述潜在冲突。

8.根据权利要求7所述的***，其中如果所述传入信号的飞行时间在每次射出所述激光时出现的盲区之内，则所述潜在冲突发生。

9.根据权利要求7所述的***，其中调整所述传出激光脉冲的时序包括：如果设定先前被调整来避免潜在冲突，则将所述脉冲重复频率设定为更接近于初始值。

10.根据权利要求7所述的***，其中调整所述传出激光脉冲的时序以避免所述潜在冲突包括：做出最小调整以使得所述传入信号不在每次射出所述激光时出现的盲区之内。

11.根据权利要求1所述的***，进一步包括：可编程的基于电流计的扫描器，其被配置成产生在所述目标上维持恒定点分布的测线束宽度。

12.根据权利要求11所述的***，其中所述可编程的基于电流计的扫描器被配置成动态地调整扫描器偏离角和扫描测线束以补偿高程和标高改变。

13.根据权利要求11所述的***，其中所述控制电子设备进一步被配置成通过调节所述主反射镜来补偿***滚转运动，使得激光输出射束方向不被所述***滚转运动影响。

14.一种用于在激光扫描装置中减少由盲区引起的数据损失的机器实现的方法，所述方法包括：

动态地监视由所述激光扫描装置传输和接收的激光脉冲的飞行时间（TOF）；

确定传出激光脉冲和传入信号的潜在冲突是否很可能发生；以及

响应于确定所述传出激光脉冲和所述传入信号的潜在冲突很可能发生，调整脉冲重复频率（PRF）。

15.根据权利要求14所述的方法，其中如果所述传入信号的飞行时间在每次射出所述激光时出现的盲区之内，则所述潜在冲突发生。

16.根据权利要求14所述的方法，其中调整所述传出激光脉冲的时序包括：如果设定先前被调整来避免潜在冲突，则将所述脉冲重复频率设定为更接近于初始值。

17.根据权利要求14所述的方法，进一步包括：控制特殊光学元件和辅扫描器来防止检测到来自大气的不需要的回波。

18.一种用于使用激光扫描装置维持恒定测线束宽度的机器实现的方法，所述方法包括：

当飞行器飞行高度和地面地形标高中的至少一个在勘测任务期间发生改变时，动态地调整扫描器参数以保持光斑密度相对恒定。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述扫描器参数包括扫描器偏离角。

20.根据权利要求18所述的方法，其中动态地调整所述扫描器参数包括：补偿所述激光扫描装置安装于其上的飞行平台的滚转角度。