三維激光雷達(dá)成像數(shù)據(jù)處理與可視化研究.pdf

1、三維激光雷達(dá)系統(tǒng)的成像，是由激光雷達(dá)發(fā)射出一個(gè)脈沖信號(hào)或者一系列掃描光束，從探測目標(biāo)返回的回波信號(hào)的二維平面信息和激光雷達(dá)測距得到的距離信息來合成圖像的技術(shù)。激光雷達(dá)的發(fā)射脈沖具有方向性、相干性、單色性和亮度等方面的優(yōu)越性，使其發(fā)出的信號(hào)，抗干擾能力比普通的微波雷達(dá)要強(qiáng)，更加有助于目標(biāo)的探測和識(shí)別，如探測潛艇、隱形飛機(jī)、地質(zhì)探測、導(dǎo)彈跟蹤等領(lǐng)域。由于三維激光雷達(dá)使用環(huán)境的復(fù)雜和多變性，對(duì)激光雷達(dá)接收系統(tǒng)探測回波信號(hào)，特別是微弱回波信號(hào)的

2、能力就要更高的要求。如果要提高激光雷達(dá)的探測能力和成像精度，那么除了提高激光雷達(dá)的發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)的硬件水平以外，還要找到一種更加有效的回波信號(hào)處理方法和激光三維成像構(gòu)造方法。
　　本論文以閃光激光雷達(dá)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，先從激光雷達(dá)系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)造和成像原理開始分析，依據(jù)分析所得的三維激光雷達(dá)系統(tǒng)的主要模塊，用Matlab工具建立了數(shù)值模型；在各個(gè)數(shù)值模型中考慮了可能會(huì)影響激光成像的因素，接著引進(jìn)小波分析理論，并對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行了小波去噪

3、的理論仿真，最后依據(jù)GoogleEarth工具提供的實(shí)物點(diǎn)云數(shù)據(jù)，用激光雷達(dá)距離方程計(jì)算模型強(qiáng)度像和距離像，經(jīng)過小波去噪處理后，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行三維重建。本論文首次利用小波分析的方法對(duì)激光雷達(dá)的二維和三維像進(jìn)行了去噪研究，主要內(nèi)容如下所示：
　　1．詳細(xì)介紹了三維激光雷達(dá)系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)和工作原理；
　　2．由激光雷達(dá)的工作原理，確定系統(tǒng)模型，可分為5個(gè)模塊：發(fā)射模塊，需要考慮光脈沖能量的空間分布、時(shí)間分布以及脈沖寬度等因素；大氣模

4、塊，其影響可歸結(jié)為大氣衰減因素；探測目標(biāo)模塊，歸一化的用雙向反射密度函數(shù)BRDF來描述物體的反射性能；接收模塊，主要考慮APD探測器的探測性能以及信噪比和增益的關(guān)系；信號(hào)處理與成像模塊，依據(jù)Matlab語言建立，分為小波理論分析仿真和成像結(jié)果顯示兩個(gè)部分，用來演示仿真結(jié)果；
　　3．通過分析所得的各個(gè)模塊的主要性能和對(duì)激光雷達(dá)系統(tǒng)產(chǎn)生影響的因素，確定回波信號(hào)模型；依據(jù)探測器陣列大小對(duì)回波信號(hào)強(qiáng)度信息進(jìn)行抽樣處理，研究了探測器探測概

5、率分布和陣列大小之間的關(guān)系；
　　4．首先介紹激光雷達(dá)回波信號(hào)中噪聲的特性，分析小波去噪的基本理論，經(jīng)過仿真分析，選定了一種適合激光雷達(dá)的軟閾值去噪方法，建立了理論模型；在激光雷達(dá)微弱回波信號(hào)的前提下，通過Matlab仿真對(duì)比，選擇了有利于提高信噪比的小波基和其對(duì)應(yīng)的最佳分解層次；
　　5．依據(jù)三維激光雷達(dá)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)造出目標(biāo)原始三維模型，推導(dǎo)出激光雷達(dá)方程的模塊化表示方法，提取出點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的強(qiáng)度信息數(shù)據(jù)，依據(jù)推導(dǎo)出的激光