立木树干移动探测算法误差补偿研究项目研究报告.doc

项目研究报告论文：立木树干移动探测算法误差补偿研究摘要当前，障碍药带精准对靶施药技术的最首要的问题：如何自动准确的获得树木树干的位置、轮廓等特征信息，这个问题也是制约其实现的瓶颈所在激光测距为非接触式测量，利用了激光的反射性原理采用 LMS511 激光扫描仪（2D 型的激光扫描仪），采集树干的轮廓信息利用最小二乘法得到 KASA算法、MLS 算法、AI 算法三种定位识别算法，利用 VC++将这三种算法编成程序，LMS511 激光扫描仪测得数据分别采用 KASA 算法、MLS 算法、AI 算法，对树干进行定位识别记录下三种算法测得的数据，对三种算法测得的数据与人工测量数据进行对比，分析这些算法所测得数据的误差变化规律，对三种算法的误差精度进行对比从而选定最合适的定位识别算法，以实现立木树干的精准、自动、快速识别，从而为精准是要提供信息关键词：激光测距，LMS511，激光扫描仪，定位识别算法，误差分析11 绪论1.1 激光测距机组成、原理及其优点1.1.1 激光测距原理激光测距机是指利用射向目标的激光脉冲或连续波激光束测量目标距离的一种距离测量仪利用激光脉冲的称为脉冲激光测距机，利用连续波激光束的称为连续波激光测距机。

激光测距是光波测距中的一种测距方式，如果光以速度 在空气中传播在 A、 B 两点间往返一次所需时c间为 ，则 A、 B 两点间距离 可用下列表示t D2cD式中： ---表示测站点 A、 B 两点间的距离；---表示光在大气中的传播速度；---表示光在站点 A、 B 之间的往返时间t1.1.2 激光测距机的组成激光接收机由接收光学系统、光电探测器和放大器、接收电路和计数显示器组成，其作用是接收从目标漫反射回来的激光脉冲回波并计算和显示目标距离激光电源由高压电源和低压电源组成，其作用是提供电能激光测距机的工作原理是利用脉冲激光器向目标发射单次激光脉冲或激光脉冲串，计数器测量激光脉冲到达目标并由目标返回到接收机的往返时间，由此运算目标的距离其工作过程是：首先瞄准目标，然后接通激光电源，起动激光器，通过发射光学系统，向瞄准的目标发射激光脉冲信号同时，采样器采集发射信号，作为计数器开门的脉冲信号，起动计数器，钟频振荡器向计数器有效地输入钟频脉冲，由目标反射回来的激光回波经过大气传输，进入接收光学系统，作用在光电探测器上，转变为电脉冲信号，经过放大器放大，进入计数器，作为计算器的关门信号，计数器停止计数。

计数器从开门到关门期间，所进入的钟频脉冲个数，经过运算得到目标距离，在显示器上显示出来 [1]1.1.3 激光测距机的优点由于激光器与普通光源有显著的区别，它利用受激发射原理和激光腔的滤波效应，使得所发光束具有一系列特点：激光有小的光束发散角，即所谓的方向性好或准直性好；激光的单色性好，或者说相干性好，普通灯源或太阳光都是非相干光；激光的输出功率虽然有限度，但光束细，所以功率密度很高，一般的激光亮度远比太阳表面的亮度大因而采用激光器做光源的测距仪也就有一些优于其他测距仪的特点1.1.3.1 测距精度高高精度是激光测距最大的一个优点，激光测距的误差仅仅取决于仪器的精度，与实际操作者的操作和被测距离都无关通常，战术激光测距仪的误差一般再 5m 以内，科学实验用到的测距仪精度更高，例如，由于在月球上安放有角反射器（合作目标），最好的测距距离是 384401km，误差仅为 10cm，而将激光测距应用在卫星的精密测轨上，精度可以达到 lcm在日本，将测距设备用于预防地震的长距离监测系统，全程 84km，误差小于 lmm[2]1.1.3.2 测距仪体积小重量轻小型化重量轻是测距设备的一个重要特点在军事装备上的激光测距仪，体积小巧，只有普通那么大，重量只有 10kg， 而最小测距仪的重量仅有 0.36kg[3]。

激光由于其具有很好的方向性和干涉性，所以激光的散射角很小，一2般可达到 1/20mrad，因此，在实际的应用中，激光不需要很大的天线，只要直径为 7.62cm 的天线即可发射出小发散角的激光光束，而想要让微波也能发射出同样发散角的光束，只需天线的直径达到 305m 以上即可1.1.3.3 分辨率高，抗干扰能力强要求一定的分辨率和具备足够的抗干扰能力是设备必须达到的技术指标，激光所具有的的窄光束和短脉冲宽度的特点，不但大大提高了微波的横纵双向的目标分辨率，而且还使得其不会受到电磁波和地波的干扰例如，在导弹的初始阶段，微波测距由于受到地波的严重干扰，使其不能得到应用，而激光却能在此发挥良好的作用在微波雷达中结合激光测距仪进行应用，可以充分发挥激光波速窄的特点，能有效的弥补微波雷达低仰角工作时受地面干扰的不足而如果将激光测距与光学经纬仪、红外及电视跟踪系统相结合，组合而成光电跟踪测量系统，不但可以作为靶场试验的测量设备，还可以用作武器的光电火力控制系统目前，该激光测距仪在地面火炮的火控系统以及坦克火炮的控制系统中得到了广泛的应用，大大地提高了命中率 [4]1.2 激光测距的国内外发展状况测距在军事和民用方面都有广泛的用途。

传统的测距方法主要有超声波测距和射频电磁波测距等激光作为测距手段，其方向性明显优于前二者，而且激光具有良好的抵抗电磁波干扰的能力，尤其在探测距离较长时，激光测距的优越性更为明显激光器问世虽然只有半个世纪，但是发展迅速从红宝石激光器到 YAG 激光器、饵玻璃激光器、二氧化碳激光器、受激拉曼射频激光器、半导体激光器、光参震荡激光器等，纷至沓来，激光测距技术迅猛发展第一代红宝石激光器已经淘汰了；第二代 Nd：YAG 激光器上世纪 80 年代美欧国家大量装备部队，但对人眼不安全；第三代受激拉曼射频激光器有着其优点和缺点还有最近研制的光参震荡激光器，半导体激光器 [5]激光测距是指根据激光往返时间测定距离的方法,激光测距无论在军事应用,还是在科学技术、生产建设方面都起着重要作用由于激光方向性强、高亮度、单色性好等特点,且激光测距仪结构小巧,安装调整方便,故激光测距机是目前测距中较理想的仪器具体可以用于测量长度、距离、速度等由激光器特性,使其测量精度比一般仪器精度高很多,月 J 吏用方法简便,对研究激光测距具有重要意义近 20 年来,激光技术!微电子技术和计算机技术的飞速发展,一批新型的电子测距仪试制成功并迅速投入生产,如各种测程的激光测距机和红外测距机等。

激光测距机作为非接触式的测量仪器,已被广泛使用于遥感、精密测量、工程建设、安全监测以及智能控制等领域,研究激光测距涉及多种学科技术本次研究的目的和意义就是研究提高测量精度的方法,将新型器件与技术应用于激光测距机之中 [6]1.2.1 激光测距技术国外发展状况国内外在 20 世纪 70 年代初的一些测量仪器开始采用了激光技术，西方国家开发出了用途不同的测距系统，有单光束激光测距系统、二维激光扫描式测距系统等其中一维激光测距系统用于测量距离，二维激光测距系统用于扫描平面，监测一片区域，三维测距系统用于对空间的定位与三维轮廓测量等领域由于激光测距有很多优点而备受推崇国内外很多大学和研究机构在此领域展开研究2008 年，全球工业安全领域的迈赛展示了全新的 LMS30，能够产生一个达3到 190 度的不可见的非接触的监控平面，并且可用软件来自由控制监控的区域，较易于满足特殊的工业要求近年来，劳意斯提出了一系列的测距系统，其分辨率可达 30mm同时，莱卡公司也推出了用于不同场景的不同型号的激光测距系统，由其测距的快速性及电磁干扰的不敏感性而广泛应用于各个领域 [7]1.2.2 激光测距的国内情况20 世纪 70 年代，国内激光器样机的研究出现了。

北京光学仪器厂，苏州第一光学仪器厂先后研制出 He-Ne 气体激光器作光源的经纬仪可以说，在起步阶段我国的激光技术迅速发展，在技术上都已经接近国际先进水平在激光测距方面的研究，我国于 1972 年成功研制出了 JCY—1 型精密气体激光测距机，第二年推出了，JCY—2 型精密气体激光测距机1996 年上海光机所成功设计出了便携式半导体激光测距机，测距精度为 0.5m接下来几年里，体积小、精度高的便携式的测距机成为研究的主题在 1999 年，为了提高测量精度，详细的判别了误差来源2007 年中国科学院上海物理研究所采用了专用的时间间隔芯片，不仅增加了测距范围，提高了测量精度，还便于控制和使用2008 年，中科院成功研制出了基于时辐转换的激光测距系统，精度达到 5mm，处于国际先进水平在当今这个科技发达的社会，激光测距的应用越来越普遍在很多领域，如电力，水利，通讯，环境，建筑，地址，警务，消防，爆破，航海，铁路，军事，农业，林业，房地产，休闲，户外运动等都可以用到激光测距仪激光测距仪一般具有精确度和分辨率高、抗干扰能力强、体积小、重量轻等优点，因而应用领域广、行业需求众多，市场需求空间大当前激光测距仪的发展趋势是向测量更安全、测量精度高、系统耗能小、体积小型化方向发展。

激光测距仪一般分为两种：脉冲式激光测距仪和相位式激光测距仪其中脉冲激光测距的应用领域越来越宽广，比如，地形测量、战术前沿测距、导弹运行轨迹跟踪以及人造卫星、地球到月球距离的测量等脉冲激光测距法利用激光脉冲时间非常短，能量相对集中，瞬时功率大的特点（可达几兆瓦），再有合作目标的情况下，脉冲激光测距可以达到极远的测程；如果只是利用北侧目标对脉冲激光的漫反射所取得的微弱反射信号，也是可以测距的而相位式激光测距仪以其精度高、功率小和便携的特点，适用于民用范畴，有较大的市场和应用前景 [8]半导体激光测距机的研究起始于 20 世纪 60 年代末,到 80 年代中期陆续解决了激光器件、光学系统及信号处理电路中的关键技术,80 年代后期转入应用研究阶段,并研制出了各种不同用途的样机,90 年代中期,各种成熟的产品不断出现,近期将是其应用产品大发展的阶段,半导体激光测距机在中、近程激光测距应用方面有取代 YAG 激光的趋势1992 年美国亚特兰大激光公司为警方专门设计的手持式人眼安全激光二极管测距机,用于对车辆的测距和测速,激光重复频率 40Hz,探测角 4ITirad近期又有几家美国公司开展这方面研究的报道,19%年下半年,美国 Bushnell 公司推出了测距能力 400m 的 400 型 LD 激光测距机物 ddaga400,1997 年被评为世界 100 项重要科技成果之一 ,同年又推出了测距能力 800m 的 800 型激光钡距机 1998 年美国几 sco 公司研制出测距能力 800m 的摄像机型 LasersiteLD 激光测距机。

美国 Leica 公司展出了实用的小型 LD 测距机,测量距离 0.2 一 30m另外,1995 年以来,国际上对人眼安全的半导体激光测距技术发展十分迅速,已开展了波长在 800 一 900nm 范围内、峰值功率为 10 砰、脉冲宽度加一 50ns、重复频率 1 一 10kHz、测量距离 10m 一 Ikm 无合作目标的4激光测距机研究 [9]1.3 激光测距方法和存在的问题测距仪在实际使用时，测量效果会由四方面因素决定：目标大小、物体形状、空气质量、阳光强弱相信大家都经常听到，有的使用者说“这台测距仪厂家标 1000 米”但我们使用时为什么测不了这么远？这种问题在测距仪行业是经常会提到的一个问题，其实这个问题，主要由于使用者并不知道测距仪的原理，且厂家与使用者沟通不到位造成的目标物体越大，反射回来的光波越多，越容易被机器接受，效果越好；目标表面越平，反射回来的光波越多，越容易被机器接受，效果越好；目标颜色越浅对光波的反射效果越好，越容易被机器接受；空气质量越好对反射光波越好；阳光强烈对反射光波会造成影响 [10]1.3.1 激光测距的方法典型激光测距的方法有脉冲法、相位法、干涉法等，这些方法各有特点，分别应用于不同。