6.6. Інструментальні засоби лазерної локації

6.6.1. Способи отримання лазерно-локаційних зображень. Основні принципи роботи типового аерознімального лідара

На рисунку 6.11 надана схема первинного лазерно-локаційного вимірювання.

Авіаційний лазерний локатор (лідар) являє собою активний засіб дистанційного зондування, який використовується для знімання (отримання лазерно-локаційних зображень) земної поверхні. Методика знімання, що реалізується лазерним локатором, полягає в наступному.

Активним елементом є напівпровідниковий лазер, який працює в імпульсному режимі з робочою довжиною хвилі в ближньому інфрачервоному діапазоні спектра. Лазер випромінює короткі імпульси, напрямок розповсюдження яких регулюється оптичною системою і зокрема скануючим елементом, що входить до її складу. Режим сканування вибирається таким чином, щоби покрити деяку наперед задану смугу сканування. У більшості випадків поперечна розгортка утворюється за рахунок використання дзеркала, яке качається за певним алгоритмом, повздовжня – за рахунок руху носія вздовж аерознімального маршруту.

Рис. 6.11. Схема первинного лазерно-локаційного вимірювання.

1 – привід сканую чого елемента, 2 – скануючий елемент, 3 – гіроскопічна система, 4 – “центр координат носія, відносно якого вимірюються його координати відносно земної поверхні.

Рис. 6.12

Зондуючі імпульси розповсюджуються по прямолінійній траєкторії від джерела в бік сцени знімання. Якщо в процесі розповсюдження зондуючий імпульс стикається з перешкодою (поверхня Землі або наземний об’єкт), то місті зустрічі лазерний пучок перевідбивається. Характер перевідбивання у в більшості випадків дифузний, в результаті чого певна доля перевідбитої енергії імпульсу повертається у бік локатора, де і реєструється приймачем випромінювання, який також входить до складу оптико-електронного блока (ОЕБ) локатора. Моменти часу, які відповідають випромінювання зондуючого імпульсу, а також реєстрації відбитого імпульсу приймачем реєструються з високою точністю за допомогою пристрою Time Interval Meter (TIM), що також входить до складу оптико-електронного блока. Це дозволяє визначити часовий інтервал, який витрачається зондиуючим імпульсом на розповсюдження від джерела і назад, що, в свою чергу, беручи до уваги прямолінійність розповсюдження лазерного пучка і сталості швидкості розповсюдження електромагнітних коливань, дозволяє виміряти дальність D від джерела до об’єкта, що викликав відбивання. Треба відзначити, що в кожному сеансі вимірювання можуть реєструватися відбивання більш ніж від одного об’єкта (рис. 6.12). З приведеного вище опису стає зрозумілим, що лазерний локатор багато в чому реалізує схему скануючого лазерного далекоміра.

Всі первинні вимірювання координат виконуються лазерним локатором в геоцентричній системі координат . Траєкторія руху носія визначається за рахунок встановленого на борту GPS приймача, а його орієнтація в системі координат (СК) – за рахунок використання інерціальної системи (гіроскопічного датчика) Inertial Measurement Unit (IMU). Таким чином, для кожного вимірювання, яке виконується лазерним локатором, визначені просторові координати положення GPS антени і кути орієнтації сенсора IMU крену , тангажу , рискання .

Взаємне розташування точки сканування (центра скануючого дзеркала) і фазового центра GPS антени, визначається вектором та вимірюється до початку аерознімальних робот. Величина цього вектора стала на протязі всього часу виконання знімання. Ця обставина дозволяє в кожний момент часу перейти від координат до координат СК точки сканування. Положення в геоцентричній СК зондуючого пучка однозначно визначається як координатами точки сканування і значеннями кутів , так і величиною аргументу сканування , числено рівному куту відхилення напрямку розповсюдження зондиуючого пучка від вертикалі в локальній СК сканерного блока . Тоді наявність інформації про нахилену дальність дозволяє перейти до геоцентричним координат точки відбивання . Отримані таким чином координати лазерної точки є основним результатом роботи лазерного локатора.

Отже у функціональній схемі типового лазерного локатора, можна виділити три головних структурних компоненти, взаємодія яких складає суть функціонування ЛЛ:

1. Сканерний блок, до функцій якого входять генерація лазерних імпульсів, приймання відбитого сигналу і визначення нахиленої дальності до точки відбивання. Окрім цього, до функцій сканерного блока відноситься керування розгорткою;

2. Бортовий навігаційний комплекс (БНК), робота якого базується на взаємодії в реальному часі GPS-приймача і інерціальної системи IMU. Основною функцією бортового навігаційного комплексу є забезпечення кожного первинного лазерно-локаційного вимірювання повним набором елементів зовнішнього орієнтування, які дозволяють, використовуючи виміряне значення нахиленої дальності , перейти до геодезичних координат наземної точки, в якій відбулося відбивання зондуючого пучка;

3. Мережа наземних базових GPS-станцій, які поставляють дані для проведення диференціальної корекції траєкторних даних бортового GPS-приймача. Передбачається, що кожна GPS базова станція забезпечена реальними WGS-84 координатами. В певних випадках, при невеликих розмірах території знімання, може використовуватися одна базова GPS-станція.