Литература

Лазерная локация земли и леса

2.1. Способы получения лазерно-локационных изображений. Основные принципы функционирования типового аэросъемочного лидара

На рисунке 12 представлена математическая схема первичного лазерно-локационного измерения.

pic_12.png
Рисунок 12. Математическая схема первичного лазерно-локационного измерения

Авиационный лазерный локатор (лидар) представляет собой активное средство дистанционного зондирования, используемое для съемки (получения лазерно-локационных изображений) земной поверхности. Методика съемки, реализуемая лазерным локатором, состоит в следующем.

Активным элементом является полупроводниковый лазер, работающий в импульсном режиме с рабочей длиной волны в ближнем инфракрасном диапазоне спектра. Лазер излучает короткие импульсы, направление распространения которых регулируется оптической системой и в частности входящим в ее состав сканирующим элементом. Режим сканирования выбирается таким образом, чтобы покрыть некоторую, наперед заданную полосу сканирования. В большинстве случаев поперечная развертка образуется за счет использования качающегося зеркала, а продольная – за счет движения носителя вдоль аэросъемочного маршрута.

Зондирующие импульсы распространяются по прямолинейной траектории от источника в сторону сцены съемки. Если в процессе распространения зондирующий импульс сталкивается с препятствием (поверхность Земли или наземный объект), то в месте столкновения лазерный луч переотражается. Характер переотражения в большинстве случаев является диффузным, в результате чего часть переотраженной энергии импульса возвращается в сторону локатора, где и регистрируется на приемнике излучения, который также входит в состав оптико-электронного блока (ОЭБ) локатора. Моменты времени, соответствующие излучению зондирующего импульса, а также регистрации отраженного импульса приемником регистрируются с высокой точностью с помощью устройства Time Interval Meter (TIM), также вхо-дящего в состав оптико-электронного блока. Это позволяет определить временной интервал, затрачиваемый зондирующим импульсом на распространение от источника до приемника и обратно, а это, в свою очередь, принимая во внимание прямолинейность распространения лазерного луча и постоянство скорости распространения электромагнитных колебаний, позволяет измерить дальность Dот источника до объекта, вызвавшего отражение. Следует упомянуть, что в каждом сеансе измерения могут регистрироваться отражения более чем от одного объекта (рис. 13).

pic_13.png
Рисунок 13. Регистрация множественных отраженных импульсов в одном акте сканирования

Из приведенного выше описания ясно, что лазерный локатор во многом реализует схему сканирующего лазерного дальномера.

Все первичные измерения координат выполняются лазерным локатором в геоцентрической системе координат oXYZ. Траектория движения носителя определяется за счет установленного на борту GPS приемника, а его ориентация в системе координат (СК) oXYZ – за счет использования инерциальной системы Inertial Measurement Unit (IMU). Таким образом, для каждого измерения, выполняемого лазерным локатором, определены пространственные координаты положения GPS антенны XaYaZaи углы ориентации сенсора IMU крена Rтангажа Pрыскания H. Взаимное положение точки сканирования (центра сканирующего зеркала) и фазового центра GPS антенны, определяемое вектором bSA, измеряется до начала аэросъемочных работ. Величина этого вектора постоянна в течение всего времени выполнения съемки. Это обстоятельство позволяет в каждый момент времени перейти от координат XaYaZaк координатам СК XmYmZm точки сканирования. Положение в геоцентрической СК зондирующего луча однозначно определяется как координатами точки сканирования XmYmZmи значениями углов RPH, так и величиной аргумента сканирования a, численно равному углу отклонения направления распространения зондирующего луча от вертикали в локальной СК сканерного блока oxyz. Знание значения наклонной дальности Dпозволяет с учетом вышеизложенного перейти к геоцентрическим координатам точки отражения XpYpZp. Полученные таким образом координаты XpYpZpлазерной точки являются основным результатом работы лазерного локатора.

Говоря о функциональной схеме типового лазерного локатора, можно выделить три главных структурных компонента, взаимодействие которых составляет суть функционирования ЛЛ:

  1. сканирующий блок, в функции которого входят генерация лазерных импульсов, прием отраженного сигнала и определение наклонной дальности до точки отражения. Кроме того, к функциям сканерного блока относится управление разверткой;
  2. бортовой навигационный комплекс (БНК), работа которого основана на взаимодействии в реальном времени GPS приемника и инерциальной системы IMU. Основной функцией бортового навигационного комплекса является обеспечение каждого первичного лазерно-локационного измерения полным набором элементов внешнего ориентирования, позволяющих, используя измеренное значение наклонной дальности D, перейти к геодезическим координатам наземной точки, в которой произошло отражение зондирующего луча;
  3. сеть наземных базовых GPS станций, поставляющих данные для проведения дифференциальной коррекции траекторных данных бортового GPS приемника. Предполагается, что каждая GPS базовая станция обеспечена реальными WGS-84 координатами. В определенных случаях, при небольших размерах территории съемки, может использоваться одна базовая GPS станция.

Здесь сразу же следует отметить, что указанные выше блоки никоим образом не отражают конкретную конструктивную структуру локатора, а приведенный список не является исчерпывающим. Структурная схема ЛЛ будет рассмотрена ниже. Там же будет дано описание всех структурных и функциональных компонентов, включая системы взаимной синхронизации, регистрации данных, электропитания и др.

Представим необходимые пояснения по принципам функционирования типового ЛЛ как системы, основанной на взаимодействии трех выделенных функциональных компонентов.

Прежде всего остановимся на уточнении используемой системы координат. Понятно, что этот вопрос имеет первостепенное значение, т.к. главным назначением ЛЛ является получение пространственных координат наземных объектов. Решающую роль при определении принципов функционирования ЛЛ играет СК Земного эллипсоида WGS-84 по следующим причинам:

  • принцип определения координат существенным образом опирается на кинематические GPS измерения, которые, как известно, выполняются в WGS-84. Положение точки в пространстве описывается значениями широты j, долготы l и высоты над эллипсоидом A;
  • принципы измерения угловых параметров ориентации носителя подробно изложены ниже. Сейчас отметим только, что методика определения угловых параметров основана на решении в реальном времени Ньютоновских уравнений движения относительно сенсора инерциальной системы IMU и сравнения результатов с GPS данными. Все соответствующие вычисления принципиально проводятся только в WGS-84.

В силу вышеизложенного можно заключить, что первичные ЛЛ данные могут быть получены только  в СК WGS-84, исходя из принципов работы локатора. Преобразование ЛЛ данных к другим СК, в частности к СК, образованной принятыми в России эллипсоидом Красовского и картографической проекции Гаусса-Крюгера, может быть выполнено только программно.

Для корректного использования СК WGS-84 необходимо принять во внимание следующие моменты:

  1. углы ориентации крена R и тангажа P определяются относительно плоскости касательной к эллипсоиду в данной точке. Курсовой угол H определяется относительно касательной к текущему меридиану в данной точке;
  2. окончательный расчет траектории движения носителя осуществляется только после выполнения процедуры дифференциальной коррекции и реализации фазового метода измерений. Если использованы неточные координаты базовой GPS станции или в эти координаты умышленно внесено смещение, то это прямо отразится на результатах съемки. Более того, использование неточных координат базовой станции приведет не только к соответствующему сдвигу, но и к появлению разброса результирующих лазерных точек из-за невозможности корректного разрешения неопределенности по целым длинам волн. С учетом этого, говоря о базовой системе координат, в которой происходит работа локатора, более правильно определять ее как СК Земного эллипсоида WGS-84 и конкретных значений координат базовой станции, используемых для расчета траектории;
  3. что касается угловых параметров ориентации носителя, то по этому вопросу различные модели ЛЛ реализуют различные подходы. Во всех случаях определение значений этих параметров самым существенным образом опирается на использование GPS данных. В начале 90-х годов некоторые компании даже предлагали модели, в которых параметры угловой ориентации определялись исключительно GPS методами. Примером может служить лазерный сканер типа FliMap американской компании John Chance & Associates. В этой модели измерение угловых параметров ориентации носителя осуществлялось с помощью трех бортовых GPS приемников, разнесенных на максимально возможное расстояние друг относительно друга. Способ измерения параметров угловой ориентации для такого случая хорошо известен по литературе (Шануров, Мельников, 2001).

Требуемые параметры определяются путем фазовых измерений разности хода несущей волны от спутника до каждого из приемников. Однако описанный выше способ не получил развития. В большинстве современных ЛЛ систем параметры угловой ориентации определяются на основе совместного анализа GPS и инерциальных данных. В некоторых моделях параметры ориентации определяются в реальном времени в процессе выполнения съемки, используя текущие данные бортового GPS приемника как с использованием кинематического режима реального времени RTK так и без него. В других моделях результаты вычисления углов ориентации реального времени уточняются в ходе наземной программной обработки, используя траекторию носителя, определенную посредством дифференциальной коррекции и фазовой обработки. Естественно, второй метод позволяет добиться на порядок лучших результатов по точности.