激光成像雷达图像融合匹配系统的设计与实现

摘要

现代化战争对精确导航系统提出了越来越高的要求，传统的地形匹配导航和景象匹配导航都受到一定条件的限制，无法满足需求。随着科学技术的发展，新型传感器不断出现，激光成像雷达是激光技术与雷达技术相结合产生的一种新型高精度距离图像传感器，作为一种主动成像系统，具有常规光学传感器所不具备的多种优点。利用激光成像雷达获取的图像进行匹配导航，具有定位精度高、不受外界条件影响等优点，激光成像雷达可以代替多个传统的传感器用于飞行器自主精确制导，开展基于激光成像雷达的地形匹配辅助导航技术的研究具有重要意义。其中，针对图像匹配导航应用的激光成像雷达实时信息处理机的研制是其关键技术之一。本文首先探讨里激光成像雷达的工作机理，研究了激光成像雷达距离探测、图像恢复、匹配导航的信息处理原理，确定了该信息处理机应该完成的任务。激光成像雷达通过光学系统的横向扫描和飞行器的纵向位移实现三维距离测量，然后通过三角关系、坐标变换和几何校正等方法得到飞行器下方地形高度图和激光反射强度图，最后利用上述数据进行无人飞行器的图像融合匹配导航等应用。然后，根据激光成像雷达信息处理的基本原理，我们对系统进行需求分析、任务分解和软硬件功能适配。接着，我们设计并实现了激光成像雷达信息处理机的硬件和软件系统。在硬件系统方面，采用高性能DSP芯片为主处理器，外加中等规模的高速FPGA作为协处理器构成处理机计算核心；采用多级存储结构来满足图像处理算法的高速大容量的存储需求；前向提供与雷达数据的LVDS接口和与仿真数据的USB2.0接口，后向提供与控制系统的RS422接口和RS232等接口，并提供板间通信接口以备多机扩展。在本章的末尾，我们本文分析了高速数字系统设计中有关PCB设计的关键技术，并给出了硬件系统的PCB设计和相应的解决方案。最后，我们该信息处理机系统的软件算法框架和并在该处理机上实时实现了图像匹配算法。该图像匹配算法采用神经网络多特征融合和小波的多尺度相关匹配进行融合图像匹配，具有匹配精度高，实时性好和可靠性高的特点，能够满足系统的需求。实验结果表明，该系统高实时性，高可靠性，结构灵活，可以满足导航系统需要。