关键词： 机载雷达   机动目标跟踪   多目标数据关联   SE-LSTM网络   Transformer网络  

摘要： 机动目标跟踪和多目标数据关联一直是机载雷达数据处理领域的热点研究方向。然而,战场环境和目标的复杂性不仅导致被跟踪目标的运动状态具有不确定性,同时也造成目标量测具有不确定性,这使得传统跟踪滤波算法和多目标数据关联算法难以有效应对复杂战场环境下的目标跟踪任务。深度学习网络是基于数据驱动的,不需要提前假设杂波密度、噪声协方差和目标运动模型等先验信息,有望为复杂战场环境下机动目标跟踪和多目标数据关联提供一种新的解决方案。因此,本文开展了基于深度学习网络的机载雷达数据处理方法优化研究,用以提升目标机动状态下跟踪滤波性能和杂波环境下多目标数据关联性能。主要研究工作概括如下:1、针对传统跟踪滤波算法跟踪机动目标误差大的问题,提出了一种基于长短时记忆网络(Long Short-Term Memory,LSTM)的目标状态估计(State Estimation,SE)算法(SE-LSTM),同时,设计一种二阶总变分损失函数使跟踪航迹更为平滑。实测数据实验表明:提出的算法能有效估计目标的状态,与经典的跟踪滤波算法和基于深度学习网络的助记卡尔曼滤波算法(Mnemonic Kalman Filter,MKF)相比,具有更小的跟踪误差,并且对机动目标有更好的跟踪鲁棒性。2、传统的数据关联算法需要提前估计先验信息,如杂波密度和目标运动模型等,然而在实际场景中很难准确地估计出这些先验信息。为了解决这个问题,提出一种基于深度学习网络的数据关联算法。针对雷达探测目标可能存在虚警和漏检的情况,引入虚拟量测这一概念重新建立数据关联模型;在此基础上,提出了基于Transformer网络的数据关联(Data Association,DA)网络(Transformer-DA)用于求解多目标与多量测的关联问题,并设计了掩蔽交叉熵损失与重叠度损失相结合的损失函数(Masked Cross entropy and Dice,MCD)来训练所提网络。仿真和实测数据实验结果表明:所提算法在不同检测概率下能够有效解决多目标数据关联问题,与经典的数据关联算法和基于双向长短时记忆网络的算法相比,具有更小的OSPA(Optimal Sub-Pattern Assignment)误差。3、设计了一种基于双向长短时记忆网络(Bi-directional Long Short-Term Memory,Bi-LSTM)的航迹起始算法,在此基础上,提出了基于深度学习网络的机载雷达数据处理优化方法,包括航迹管理、数据关联和跟踪滤波三个模块。仿真数据实验结果表明,所提方法能够有效解决复杂环境下目标数目未知的多目标跟踪问题,与经典多目标跟踪算法相比,具有更小的跟踪误差。

关键词： 雷达数据处理   目标跟踪   多功能模式   动态杂波图   航迹互联  

摘要： 现代雷达技术的高速发展,使雷达探测功能不再单一,新型多功能雷达探测逐渐成为雷达领域的研究热点。本文以某型多功能近程监视雷达为课题背景,研究并设计了一套雷达数据处理软件,主要工作内容如下: 本文首先介绍了雷达数据处理中的参数估计与滤波算法,包括线性滤波器中的卡尔曼滤波和非线性滤波器中的扩展卡尔曼与不敏卡尔曼滤波,并对各自的滤波效果进行Matlab仿真分析;其次深入研究了目标航迹的起始波门和起始算法,给出了波门建立环境和算法递推过程,并对每种起始算法进行了仿真分析;接着针对多功能模式下的空中目标、地面目标、海面目标特征,完成了对探测波形、波束编排以及搜索跟踪策略的设计;为了减小雷达数据处理在点迹匹配航迹时的压力,本文设计了一种利用角度和时间限制的航迹动态分区方案;另外针对杂波干扰问题,本文对自适应门限动态杂波图策略做了重点设计与研究,通过杂波单元的划分与更新来动态调整杂波门限,有效抑制了杂波干扰;在航迹互联算法中,针对最近邻域法的目标易丢失和错误关联问题,提出了一种基于NNS改进的方法,利用目标幅度值和加权偏移概率对量测进一步筛选,并通过了仿真分析和实测数据验证,较好地实现了航迹互联效果;然后对整个雷达数据处理进行分模块实现,并给出了每个模块的详细设计,其中着重论述了数据预处理、航迹起始和航迹管理模块;最后基于Windows环境下的VS平台对雷达数据处理进行软件实现并给出了系统测试结果。 将雷达分别架设在对空、对地、对海三种环境下与数据处理软件进行外场联调,通过实验数据验证了雷达数据处理软件的航迹起始、目标跟踪、探测精度以及杂波抑制能力,较好地实现了多功能近程监视雷达数据处理。

关键词： 水上水下一体化测量系统   激光扫描系统   多波束测深系统   数据解算   点云数据去噪  

摘要： 海洋测绘是以海洋水体和海底为研究对象并针对性进行测量和海图编制的学科,是测绘科学领域的重要分支。现代海洋测绘囊括海洋大地测量、海底地形测量、海道测量和海洋遥感测量等诸多技术领域。船载水上水下一体化测量系统、多波束测深系统、激光扫描系统的出现使海洋测绘步入发展的新阶段。水上水下地形是海洋经济开发和海上军事活动的基础。传统的海岛(礁)、河岸滩涂、码头航道等地形测绘采用近岸RTK以及水下单波束声纳结合的方式。受地形、环境等因素影响,此类方法效率、数据采集密度低,操作人员工作强度高且有一定风险。如何高效高精度的获取水上水下的地形数据成为海洋测绘工作者们的研究热点。基于此种需求,本文集成激光扫描仪、多波束测深声纳与定位定姿系统,组成船载一体化测量系统,较好解决了水上水下测绘难题,并在后续的数据处理中进行了研究。本文主要围绕激光雷达扫描系统与多波束测深系统的点云数据获取、解算与数据去噪平滑开展以下了研究:(1)利用船载激光扫描仪、多波束测深仪、GNSS定位系统与姿态仪,实现了水上水下一体化系统的组建和点云解算。使用GPS和1PPS解决了多源传感器数据的时间匹配问题;布设往返测线求取安置误差角进行系统检校,最后通过坐标系转换解决了空间基准统一的问题。(2)系统分析了影响激光扫描仪和多波束声纳测量精度的各类因素,总结了水上水下点云精度的评估方法。针对码头、港口等复杂水域难以开展测量工作的问题,利用双体无人船搭载小型浅水多波束声纳,实现了复杂水域2级海况以下的数据采集。通过湖试与海试,验证了系统的可靠性,对时间匹配与安置误差造成的测量质量影响进行了定性定量评估。(3)对于传统的中值滤波难以处理局部范围内的群聚异常值与小尺度异常值检测困难问题,本文创新地引入两步预筛选以提高了中值滤波的抗差性。在全局点云下进行点距统计,在局部窗口内分层进行权重计算,分别设置阈值减弱噪点对于中值滤波阈值计算的影响。在不同的阈值设置下,改进的中值滤波对于噪点的检测率均在90%以上,处理时间较人工节省60%。(4)对于信噪比较低的多波束点云数据处理,提出了基于噪声分类的组合滤波方法。将噪点分为远离地形主体的大尺度噪点与靠近地形主体的小尺度噪点,利用半径滤波与统计滤波对大尺度噪点进行剔除;随后将大尺度噪点滤波后的数据作为平滑滤波的原始数据。组合滤波结合了两种方法的优势,有效保留了地形特征与有效数据量。

关键词： 晶体X射线衍射   指标化   坐标预测   强度及标准偏差的校正   傅里叶变换   单应性变换   镶嵌度   autoPX  

摘要： 晶体X射线衍射技术是生物大分子结构解析的主要技术,依托于上海同步辐射光源建设的生物大分子衍射线站为中国的结构生物学研究提供了有力的支撑。而目前我国缺乏自己的晶体衍射数据处理软件,不能适应光源建设的需要。为了更好地满足结构生物学研究者对衍射数据处理的需求,扭转我国对国外软件长期依赖的局面,本课题组全面地研究了单晶体X射线衍射数据处理过程中所涉及的主要原理,成功地将原始衍射画面处理为以衍射指标标定的包含衍射点强度及标准偏差的标准晶体学数据。 本论文详细介绍了作者所参与及主要承担的单晶体X射线衍射数据处理所涉及的基本模块的主要科学原理、工程化技术细节及处理结果。主要包括: (1)指标化:对衍射实验几何关系的解析,利用全空间投影方向搜索及傅里叶变换分析晶体晶胞参数及取向,Niggli约化原理,布拉维晶胞的判断与转化,倒易晶胞的最小二乘修正,利用差矢量傅里叶变换计算入射光极射中心(beam center)坐标,晶体到探测器距离的搜索修正等。 (2)坐标预测:对表述倒易点弥散程度的概念——镶嵌度(mosaicity)的全新定义,指定参数下衍射画面的模拟,利用衍射画面模拟对衍射点画面坐标进行预测,单应性变换原理对预测坐标的修正等。 (3)强度及标准偏差的校正:对不同区域强度系统性响应差异的校正(scaling),利用正态概率图对标准偏差进行校正,利用贝叶斯统计对负强度衍射点进行校正等。 在研究过程中,作者给出了若干具有创新性的原理方法,主要包括: (1)提出差矢量傅里叶变换原理,自动化计算极射中心坐标,能有效解决上海光源部分数据的极射中心坐标缺失问题。 (2)提出倒易坐标全局误差的距离搜索优化,有效解决了上海光源部分数据晶体到探测器距离误差较大的问题。 (3)定义了全新的镶嵌度概念,用倒易衍射点的相对大小描述,并提供了对镶嵌度的自动化估计方法,能自洽地应用在配套的坐标预测模拟方案。 (4)首次引入了单应性变换原理用来修正衍射点画面预测坐标的偏差。 (5)提出scaling分区的三种独特方案。 这些创新原理有效解决了上海光源数据的问题,增进衍射数据处理的质量。对于科学原理较成熟的处理模块,作者也给出了可行的工程化方案,设计了有效的逻辑框架,积累了关键的工程参数。最终利用编程语言Python2完成了衍射数据处理各个模块的编程实现,整合成了一款新的单晶体X射线处理软件——autoPX,并通过实验衍射数据的处理对这些原理进行了验证,且结果表明,利用autoPX处理的生物大分子晶体衍射数据可以有效完成结构解析。目前autoPX已经被上海光源作为常备软件安装,有效支持了国内的同步辐射光源生物大分子衍射线站的建设。

关键词： 双基合成孔径雷达   地球静止轨道   高低轨(GEO-LEO)   大椭圆(HEEO)   滑动聚束   TOPS   频域快速成像   闭式解   干涉定位误差  

摘要： 星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一种全天时、全天候的高效对地观测遥感技术。随着对地观测需求的不断升级,星载SAR技术在需求牵引下得到了飞速发展。近年来一些高时效性的新体制SAR系统逐渐受到遥感从业者的重视,例如:地球静止轨道(Geostationary Earth Orbit,GEO)SAR卫星作为辐射源、低地球轨道(Low Earth Orbit,LEO)SAR卫星作为接收终端的双基观测系统(GEO-LEO BiSAR),该系统既可以满足低轨卫星SAR的高空间分辨率,同时又提高了时间分辨率,具有系统时效性强、接收终端体积小、抗干扰能力强、生产成本低等优点,利于实现卫星接收终端的产业化。另外,在高低轨双基模式下,低轨卫星可以通过姿态摆动或者波束中心指向的调整来实现滑动聚束模式(Sliding Spotlight,SS)或者循序扫描地形观测模式(Terrain Observation by Progressive Scans,TOPS),更进一步拓展了高低轨双基系统的应用,在需要高分辨观测情况下利用SS模式增加合成孔径时间以提高分辨率,而在需要大幅宽扫描情况下利用TOPS模式增加方位向的观测范围。大椭圆轨道(High-Elliptic Earth Orbital,HEEO)SAR卫星具有轨道偏心率大的特点,在轨道近地点可以实现高分辨成像,而在远地点具有高仰角的优势,可长时间连续监测特定高纬度敏感地区。此外,大椭圆轨道SAR卫星具备“一天一查”的能力,可有效提升SAR卫星的监察侦测能力。通过合理调整大椭圆轨道SAR卫星的系统参数,能够实现从地球近地点到远地点的连续观测,且观测幅宽逐渐增大。然而,以上两种高时效性的新体制SAR系统带来优点的同时也给传统SAR系统设计和数据处理算法带来了挑战。对于HEEO SAR系统,在一个轨道周期的不同轨道段,轨道特性差异显著,需要解决不同轨道段参数设计和数据处理的问题;由于GEO-LEO BiSAR系统收发平台的轨道差异较大,回波存在明显的二维空变问题;双基SS模式和TOPS下的信号解模糊问题和传统单基SAR也存在较大差异,需要重新设计“去斜”函数。综上所述,这两种高时效性新体制SAR在系统设计和信号处理过程中面临许多新的技术难题。本文首先对大椭圆轨道SAR卫星不同轨道段的系统参数设计进行分析,同时介绍了星载系统中常用的坐标系和坐标系之间的转换。然后对GEO卫星发射、LEO卫星接收的GEO-LEO BiSAR系统SS模式和TOPS模式下的系统参数设计、方位向信号解模糊、信号二维空变校正以及频域快速成像算法等内容进行了介绍。最后对GEO-LEO条带工作模式下的干涉SAR(Interferometric SAR,InSAR)快速定位技术和定位误差进行了分析,论文的主要内容及创新点概括如下:(1)HEEO SAR轨道全周期系统参数设计本文第二章首先给出了星载SAR系统中常用坐标系的定义,然后对HEEO SAR系统的轨道特性进行了分析。最后对整个轨道周期内轨道参数及波束照射区域进行细致的研究,提出了一种以幅宽缓变为约束准则的系统参数设计框架。HEEO SAR轨道特性和传统低偏心率近圆轨道差异较大,因此系统参数设计的方法也存在较大的差异。在传统近圆轨道SAR卫星的系统参数设计过程中,根据系统指标要求完成波位参数的设计后,整个轨道周期内波位参数基本保持恒定。而HEEO SAR的轨道高度和卫星运行速度在整个轨道周期内一直在发生变化,这种差异在近地点和远地点尤为明显。所以对于HEEO SAR轨道周期内的各轨道段,需要调整合适的下视角和波束角度,才能保证波束可以持续照射在地球上,在波束有效照射的基础上再根据系统指标进行波位设计。以HEEO SAR从近地点到远地点照射幅宽缓慢增加为准则,本文提出一种适合HEEO SAR系统参数设计的框架。在该框架下,从近地点到远地点的整个轨道周期内,各轨道段的照射幅宽可实现近似线性增加,仿真实验证明了该设计框架的有效性。(2)GEO-LEO BiSAR SS模式和TOPS模式系统参数设计本文第三章首先介绍了地心地固(Earth Centered Earth Fixed,ECEF)坐标系下的GEO-LEO BiSAR的空间几何构型。然后为了系统参数设计方便,以GEO-LEO BiSAR照射场景中心为原点建立了目标本体坐标系。最后给出GEO-LEO BiSAR系统在SS模式和TOPS模式工作条件下的关键参数设计方法。例如:根据系统的距离模糊度(Range Ambiguity to Signal Ratio,RASR)和方位模糊度(Azimuth Ambiguity to Signal Ratio,AASR)要求设计合适的脉冲重复频率(Puls

关键词： 钻孔雷达   时间域有限差分   煤矿   顶底板   MATLAB图形用户交互界面  

摘要： 目前,煤炭仍是我国重要的战略资源。随着煤矿安全生产要求的不断提高,井下精细化探测也逐渐得到重视。作为工程与环境地球物理领域的代表性方法,钻孔雷达探测越来越受到煤矿勘探人员的青睐。在生产中,由于矿区地质条件复杂,煤层顶板塌落、陷落柱或裂隙带透水等原因造成的安全事故层出不穷。因此,利用钻孔雷达准确判断煤层顶底板位置、识别对采掘安全存在威胁的地质构造是保障煤矿安全生产的重要课题。本文围绕钻孔雷达数据数据处理与解释这一主题,以实现对煤层顶底板和灾害性地质结构精细化探测为主要技术目标进行了以下四个部分的研究。第一部分是煤层顶底板及特殊构造模型的数值模拟。这些模型包括多频多煤层厚度下的水平钻孔模型、单频多倾角下的倾斜钻孔模型、含断层模型、含裂隙带模型、含陷落柱模型和含夹矸模型。第二部分是钻孔雷达数据处理与解释流程方案的研究。其中,数据处理主要借鉴了主流的信号处理手段,有效实现了雷达剖面的去噪和增强。数据解释方法主要针对煤层顶底板精细化探测而设计,能够实现对顶底板位置的拾取和显示。第三部分是配套软件的开发。该部分使用MATLAB语言将处理与解释方案实体化,使该方案能够在生产实践中得到应用。第四部分是应用实例。该部分对方案和软件进行了实际运用,对其可用性进行了验证。本文得到了完备的煤矿井下钻孔雷达数值模拟结果,这些结果对煤矿井下钻孔雷达探测的可行性进行了初步验证,为钻孔雷达数据处理人员提供了参考,也为接下来的研究提供了基础数据和重要指导。此外,本文提出了一套用于识别顶底板位置的煤矿井下钻孔雷达数据处理与解释方案,成功开发了相应软件,并提出了一种MATLAB图形交互界面(GUI)软件开发的思路。该思路不但可以运用于本研究的软件开发工作,对于其他基于MATLAB的GUI软件开发亦有参考意义。

关键词： 变速箱   螺栓拧紧   数据处理   工序质量控制   质量控制系统  

摘要： 在日趋激烈的市场竞争环境下,“高质量”、“零缺陷”已成为提升企业核心竞争力的关键要素。变速箱作为一种典型的复杂机械产品,螺栓连接是变速箱装配过程重要的环节之一。智能制造车间对工艺数据的自动采集以及制造执行系统的应用为螺栓拧紧质量控制提供了支撑。本文以M型变速箱螺栓拧紧工序为研究对象,以装配车间MES系统存储的螺栓拧紧工艺质量数据为依托,提出一套适用于Q公司的变速箱螺栓拧紧质量控制方法。主要研究内容如下:(1)分析M型变速箱的装配工艺以及装配质量问题,结合分层法与Pareto图原理找出发生频次最高的装配质量问题,确定影响M型变速箱装配总成的关键质量参数。分析变速箱螺栓拧紧工艺,提出M型变速箱螺栓拧紧质量的管控方法。(2)针对螺栓拧紧数据可能存在“碎片化”、“质量差”等问题,首先对变速箱装配车间MES系统的螺栓拧紧数据,按相关分类标准进行分类;其次,采用“拉依达准则”剔除异常扭矩值,采用线性插值法进行数据插值处理,以保证扭矩值的有效性和完整性;最后,构建卡尔曼滤波模型并对算法参数进行设定,实现对螺栓扭矩值进行滤波处理。(3)对滤波处理后的数据采用A-D法进行正态性检验;针对Q公司M型变速箱螺栓拧紧质量控制需求,分析SPC控制流程;选择计量型x-R控制图并结合判异准则对螺栓扭矩值进行监控;在稳定受控状态下计算变速箱螺栓拧紧工序的过程能力指数,根据过程能力评定指标提出M型变速箱螺栓拧紧工序质量控制策略。(4)根据M型变速箱螺栓拧紧质量控制需求,设计和开发螺栓拧紧质量控制系统,该系统运用Springboot框架在IDEA中进行Java Web开发,采用前端框架Vue以及Html5、Css、Javascript等技术开发前端页面,数据库采用Mysql8.0。将该系统应用于Q公司变速箱装配线的螺栓拧紧质量控制,效果较好。

关键词： 低慢小雷达   雷达数据处理   显示控制  

摘要： 随着消费级无人机技术的成熟与生产成本的下降,小型无人机的消费市场异常活跃,给人们生活带来便利的同时也深深地威胁着低空安全,低慢小目标探测雷达应运而生。由于科学技术的快速发展,低慢小雷达相应的硬件设备、算法和计算机性能不断优化提升,使得雷达信号处理能力突飞猛进,输出的雷达数据量和数据率大幅度提升,这要求相对应的雷达数据处理系统能够处理更加庞大的数据量以及不断提高运算效率。因而,提高雷达数据处理系统的实时性和准确性变得尤为重要。本文研究的是基于脉冲多普勒低慢小雷达及显示一体化的上位机软件系统。首先,本文介绍了低慢小目标特性和雷达数据处理的研究背景、研究现状,并介绍雷达数据处理的相关理论;其次,根据雷达系统的整体方案,把雷达上位机软件按功能划分为四个模块,分别设计了四个模块的实现方案;再次,根据设计方案实现了雷达上位机软件系统的各个模块的功能要求;最后对雷达上位机软件进行了功能调试以及外场的整机测试,验证雷达上位机软件的处理效果。实验结果表明,本文的雷达上位机软件能够实现对低慢小目标实时探测跟踪,能够在含有虚警概率的目标数据中提取出真实目标点迹并且形成稳定的运动航迹,说明本文设计的雷达上位机软件具有良好的实时性和准确性,符合系统的各项要求。

关键词： 高级持续性威胁   机器学习   攻击阶段识别   流数据处理  

摘要： 近几年,随着网络空间安全问题的日趋严重,网络攻击活动不断涌现,高级持续性威胁(Advanced Persistent Threat,APT)以其复杂隐蔽、破坏性强、持续时间长等特点,已经成为当前网络空间的一大威胁。传统网络安全检测技术侧重于特定攻击模式或方法,不能有效应对APT攻击所带来的风险。随着人工智能与大数据技术的发展,通过对网络流量的数据采集、分析,构建模型提取APT攻击流量的潜在特征,进而实现对APT攻击的识别,将有效辅助安全运营人员实现网络安全态势感知,提升安全运营工作效率。本文首先对APT攻击行为进行分析,针对APT攻击所具有的多重攻击阶段,分析各阶段攻击行为,提出了一种基于网络流量的APT攻击阶段识别模型,并进一步结合实际,设计实现了APT攻击异常流量数据采集处理系统。具体内容如下:(1)针对大规模网络流量数据场景下APT攻击监测识别问题,基于APT攻击的多阶段特征,同时考虑到攻击流量的不平衡性,提出了一种基于集成学习的APT攻击阶段识别方法APTSID(APT Stage Identification),该方法由两阶段识别模型组成,其中,基于卷积神经网络的APT异常检测模型完成攻击流量的识别,基于极端梯度提升(XGBoost)的多阶段识别模型完成APT攻击阶段的识别。实验数据集为开放数据集DAPT 2020,通过与典型模型进行横向对比,实验结果表明,本文提出的APTSID模型在APT攻击阶段识别任务中获得较好性能,大幅提高了召回率。其中,APT异常类别召回率约95%,横向渗透阶段样本检出率相较其他模型提升约15%;(2)设计并实现了一个流量数据采集处理系统,其中包括流量数据采集、数据预处理、数据发布以及实验环境配置等模块。数据采集模块支持通过Kafka或API接入数据源数据;数据预处理模块基于Flink流式数据处理框架实现了对接入源数据的抽取、转换与加载;数据发布提供规范数据字段的展示,供科研人员查看;实验环境配置模块基于容器技术提供流量分析模型训练环境预配置,该框架有效实现了真实流量数据的闭环使用和管理。本系统应用于河南省教育信息安全监测中心,实现了科研场景下的网络流量ETL处理端到端解决方案。

关键词： 地下空洞   地下探测   三维数据   系统设计   点云处理  

摘要： 岩溶地貌约占据中国国土面积的三分之一,分布较广,其集中分布于广西、贵州、云南等省区。它又被称为喀斯特地貌,由它构成的地基会形成地下空洞地质现象,其会引起地基承载力不足、不均匀沉降、地基滑动和塌陷等严重问题。近年,随着国家大力推进基础设施建设的发展,工程建设范围不断拓宽,开发利用的地下空间越来越多,在各种类型的基础工程中必然遇到复杂的地下空洞地质问题。如果未能妥善处理或者地质探测遗漏,最后会造成人员伤亡和经济重大损失。因此,为了减少此类灾害的发生,在喀斯特地貌分布区域进行工程建设前,需要采取有效措施对地下空洞进行探测,明确空洞大小、分布和生长等情况。然而,常规的地下探测手段受客观因素的干扰和场地条件的制约等因素,只能找到地下空洞的大致位置,不能精确探明地下空洞走向和形态等数据,在应用范围和精度等方面也存在诸多不足。比如,地质钻探、电磁法勘探、地震反射勘探、探地雷达等常规手段。对于现阶段推广的非接触式测量的三维激光扫描系统来说,地下空洞的狭窄、隐蔽、危险性大、人员无法到达等问题导致无法使用此类系统。除此之外,还有专门用于矿山采空区的系统,能适用于地下空洞这种特殊探测环境。但是,这些系统高额的设备成本会导致探测成本随之升高,比如空区三维扫描系统CMS和地下空间三维扫描系统C-ALS的价格均在一百万以上。针对上述问题,本文研究了激光雷达、钻孔电视成像仪、三维激光扫描仪的工作原理、获取数据方式和设备组成,设计了一款能在地下空洞的特殊环境中获取精确空洞三维数据的系统——地下空洞三维探测系统。本论文首先对系统做总体设计,在其基础上分硬件实现、控制及传输系统实现和软件实现三个部分,实现了一套硬件与软件结合的地下三维点云数据采集设备。硬件设备由固定支架、连接支杆和固定支架组成,其沿地质钻孔下放到空洞区域完成数据采集,再由开发的配套软件转换为通用格式的点云数据文件。然后为验证系统的可行性,分别做了模拟实验和实地实验,将实验获得数据进行数据处理研究。其中,为能够与测绘、地质等各方数据融合,针对此系统提出了一种坐标转换方法。接着与实际数据做对比分析,完成系统的相对精度分析和坐标的转换精度分析。实验结果表明,该系统能够获取高精度的地下空洞三维点云数据,用于探测地下空洞是可行的。最后,通过曲面重建的空洞模型提取空洞的表面积和体积,并与构建的钻孔模型和地面模型复合处理,获得地下空洞的走向以及三者之间的空间位置形态。