Contribution of 3D active laser imaging with focal plane array, embeddable on drone, for improvement of high spatial resolution terrain mapping
Apport de l’imagerie active 3D à plan focal, embarquable sur drone, pour l’amélioration de la cartographie haute résolution de terrain.
Résumé
Knowledge of the environment in which an aircraft operates is capital, especially in the Defense and aviation fields, regardless of weather conditions. Digital Elevation Model's generation, in any conditions, from high spatial resolution optical sensors, represents a real need to precisely map a long distance zone of interest from an airborne platform. 3D laser imaging provides accurate range measurements in addition to spatial information, and allows nighttime acquisitions as well as in weak visibility conditions, thanks to its own power source.
LiDARs currently embedded on airborne platforms (3D laser scanner) offer range measurements with centimeter accuracy, but involve quite long acquisition duration and low point density, especially for big areas coverage and long range detection cases. These limitations are close to be handled, using a new kind of sensors : 3D focal plane arrays, in particular those operating in Geiger-mode, based on probabilities of detection. The multi-pixel array and its high frame rate are two essential criteria for 3D airborne mapping, offering a greater acquisition time of a big area and with a high spatial resolution. Also, this operating mode improves the range due to the very high pixel's detection capacity.
Nevertheless, before its operational use onboard, it was important to understand the operation of such a sensor, through the development of a end-to-end simulator using a 3D focal plane array, reproducing the entire acquisition process. An experimental validation of this simulator from the ONERA's 3D camera, on ground and statics scenarios. Simulated and experimental point clouds showed a close adequation in terms of probabilities of detection, point density and range measurement accuracy. The use of the simulator finally demonstrate the interest of Geiger focal plane arrays on an airborne 3D mapping case from a long range (5 km).
Dans les domaines de la Défense et de l’aéronautique, la nécessité de reconnaître l’environnement dans lequel un aéronef évolue est essentielle et ce, quelles que soient les conditions environnementales. La génération de modèles numériques de terrain, par tout temps, grâce à un capteur optique haute résolution spatiale, constitue un réel besoin pour cartographier précisément une zone d’intérêt située à longue distance. L’imagerie active 3D permet de fournir une information de distance précise en plus d’une information spatiale, et d’acquérir la nuit ou en cas de visibilité réduite, puisqu'elle délivre sa propre source d'énergie.
Les systèmes LiDAR actuellement embarqués sur des plateformes aéroportées (lasers scanner 3D) offrent une précision centimétrique pour les mesures de distance mais impliquent une durée d’acquisition relativement longue et/ou une faible densité de points, surtout à longue portée ou lorsque la zone à imager est étendue. Ces limitations sont en passe d’être levées grâce à l’émergence d’une nouvelle génération de capteurs : les plans focaux 3D, en particulier ceux fonctionnant selon le mode de détection Geiger, basé sur les probabilités de détection. La matrice multi-pixels et la très haute fréquence du système sont deux critères indispensables pour la cartographie aéroportée haute résolution, offrant une couverture de zone beaucoup plus rapide et une information spatiale continue. Ce mode opératoire améliore également la portée grâce à la sensibilité élevée des pixels. Avant son utilisation opérationnelle à bord d’un aéronef, il était indispensable de comprendre le fonctionnement d'un tel système, à travers le développement d’un simulateur à plan focal 3D, reproduisant l’ensemble de la chaîne d’acquisition.
Ce simulateur a par la suite été validé expérimentalement grâce au prototype à plan focal 3D de l’ONERA, sur des scénarios au sol et en conditions statiques. Les nuages de points réels et simulés présentent en effet de fortes similarités en termes de probabilités de détections, de densité des points et de précision des distances mesurées. L'utilisation de ce simulateur a finalement permis de démontrer l’intérêt d'un capteur plan focal 3D Geiger sur un cas de cartographie 3D aéroportée à très longue distance (5 km).
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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