毛庆洲-国产测绘级激光雷达关键技术及交通设施数字化应用.pdf

1、P1毛庆洲 教授武汉大学遥感信息工程学院2023年6月国产测绘级激光雷达关键技术及交通设施数字化应用P2P2研究背景1P34铁路：轨道板离缝、钢轨磨耗、扣件失效等影响行车安全4隧道：衬砌掉块、透水、侵界、错台、结构变形等引发重大安全事故4公路：高速公路机场跑道等路面坑槽、破损等影响出行安全基础设施“结构形状和表面变化”是众多安全事故的直接原因结构形面“状态测量”是基础设施安全运维的关键香港高铁因轨道变形脱轨扣件松脱导致列车脱轨1.1研究背景-基础设施安全运维是国家重大需求P41.1研究背景-结构形面状态测量现状与难题指标测精难普查测全难状态判准难空间分布广泛、环境恶劣观测时间受限、精度高结构尺

2、度多变、形状复杂精度差效率低高效、高精度测量技术是大范围基础设施状态测量的亟需 我国基础设施正从大规模建设向精细化养护转变0.3mm裂缝1mm刻槽扣件0.2mmP51.1主要创新思路方法创新技术突破装备研制发明高精度脉冲-相位混合式激光扫描装置高信噪比高速率数字化波形高精度高重频测距点频150万HZ、高精度（0.5mm）地铁隧道精密测量发展融合高分影像和点云的交通基础设施病害分析与提取方法小波分析隧道环片点云去噪融合点云灰度深度图、高分图像的病害定位及精准识别快速、精准、智能的系列自主测量系列装备工程应用公路、隧道、铁路、机场等交通基础设施高精度检测测量公路隧道检测道岔结构检测高铁全断面测量大

3、机捣固清筛测量P6P6高精度激光雷达技术2P72.激光雷达测距原理及方法n 脉冲式激光雷达(dTOF)n 相位式激光雷达 测量距离远 系统简单，易小型化p 测距精度较低，为cm级到mm级 测量距离很远p 测距噪点多p 测量速度慢n 脉冲式单光子激光雷达p 测量距离近 测距精度高，为mm级到亚mm级p 系统较复杂n 三角法测距 测距精度可达到级p 测量距离很近，精度与测程互相制约 系统简单，成本较低P82.全波形激光雷达技术n 激光发射和回波波形n 波形数字化l 数据量高达50Gbits，由FPGA强大的在线处理能力，实时解算种子光和回波的时间间隔，实现高精度测距、多回波检测、获得目标物反射率等

4、需求。=12关键点：处理算法的优化及其FPGA实现 波形数字化方法高速ADC采样技术及FPGA在线处理技术P92.全波形激光雷达技术l 高速处理能力每个探测到的回波都需要进行处理，对算法效率提出很高要求l 波形分解常见的波形分解算法有EM、LM算法EM算法：将波形视为概率密度函数，通过求解波形占比进而求解每个子波形的参数；LM算法：利用非线性最小二乘法求解多个波形参数可将重叠波形分解出数个子波形，获得更多测距值波形分解需要迭代，耗时较长，对波形形态要求较高，且回波间隔小于1倍FWHM将无法分辨是否有多个波形；小于1.5倍FWHM测距偏差较大；大于2倍FWHM波形已基本分离 高精度测距多回波技术

5、EMLMP102.全波形激光雷达技术脉宽测距精度参考光幅值测距精度采样频率测距精度波形插值倍率测距精度插值后等效采样频率/GHz原始5GHz数据测距标准差/mm原始2.5GHz数据测距标准差/mm原始1.25GHz数据测距标准差/mm1.25nullnull2.332.50null1.301.195.000.760.890.9810.000.720.830.9120.000.700.770.8940.000.690.760.8780.000.690.760.874ns脉宽、EM算法不同算法在不同采样频率下的精度不同脉宽的参考光5GHz采样频率测距精度对比 高精度测距采样频率&脉宽P112.全波

6、形激光雷达技术 高精度指向面型角度标定采用多面镜扫描时，存在两个方向上的角度误差正视截面图俯视截面图多面镜扫描能有效增加扫描线数，且能设计不同的反射角度实现不同的扫描方向需要对角度误差进行修正原理图P122.全波形激光雷达技术 多周期回波技术问题描述在高频率测距时，当回波接收到的时间大于激光发射间隔时，将会产生模糊测距P132.全波形激光雷达技术飞行条件：三面塔镜扫描，250m航高，900k点频(跨2个MTA区间)l 最大回波数：5次l 错误区间噪点占比：0.103%l 点密度：206.8pt/m2（单航带）研究MTA解算技术，解决高重频和远测程制约问题，提高点密度和作业效率P142.1 国产