chapter02_地面三维激光雷达原理

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要扫描后的配准光雷达的信号发射源。激光发射单元以一定的波长和波 形， 通过光学天线发射—定功率的激光。激光接收单元通过光学天线收集目标的 回波信号，经过光电探测器转换成电信号．再经过放大和信号处理，获得距离、 方位、速度和图像信息，完成一定的判断功能，输送到显示和控制系统。因此， 激光发射单元的参数直接影响激光雷达总体性能参数。 激光雷达发射单元由激光 器、调制器、放大器和发射准直光学系统组成。
2 地面三维激光雷达原理
三维激光雷达是一种集成了多种高新技术的新型三维坐标测量仪器， 该仪器 主要包括激光测距系统、激光扫描系统和支架系统, 可直接获得高密度扫描点的 三维坐标——点云数据，从而将测量工作领域从“点测量”扩展到“面测量” 。 本章主要介绍三维激光雷达系统组成、工作原理和分类。
2.1 地面三维激光雷达工作原理
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（1）平面靶标（Flat Target） 。平面靶标中心的圆形区域由高反射率材料组 成，周围区域不反射激光，拟合圆形点云就可以得到圆心。平面靶标布设比较容 易，可以直接帖在墙面上，反射强度反差大，用其配准作业具有很高的精度，也 能够和全站仪等配合使用，主要用于条带面状目标的配准和坐标转换。 （2）球靶标（Sphere Target） 。球靶标的球体是由高反射率材料组成，拟合 球形点云就可以得到球心。 球形靶标由于从任意方向上都能得到球心坐标，尤其 是能够融合建筑物内部和外部扫描以及转角处的扫描， 因此主要用于多视角点云 模型的拼接。 （3）圆柱靶标。圆柱靶标的作用和球靶标相似，很多适用场合不需要俯视 扫描或者仰视扫描， 因此只需要侧面信息就可以获得圆柱中轴线，以中轴线作为 几何配准不变量。
2.3.1 脉冲式测距
脉冲式测距是一种直接测量信号往返时间的测距方式。 激光发射器对目标发 射一个或—列很窄的激光脉冲 （脉冲宽度小于 50ns） ， 测量自发射激光脉冲开始， 到达目标并由目标返回到激光探测器的时间，由此计算出目标距离（图 2-4） 。 其过程主要分为四个步骤：激光发射、激光探测、时延估计和时延测量。 激光发射是一个激光脉冲发射体在触发脉冲的作用下， 激光发出一个极窄高 速激光脉冲，通过扫描镜的转动并反射向物体。同时，激光信号被取样而得到激
图 2-3 靶标
2.2.4 可装配设备（数码相机、GPS）
除了上面基本的设备外， 还可以在地面激光雷达上外置高分辨率的量测数码
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相机和 GPS 接收机等。 可以用外置的量测数码相机获取影像对来进行摄影测量， 也可以用作三维建 模时的纹理映射。 可以利用 GPS 接收机获取静态测量时的地面激光雷达的绝对坐标。 当进行多传感器的动态测量时就可以在原有传感器的基础上集成导航定位 技术，比如 GPS 和 IMU 的组合导航。GPS 用于测量移动平台的运行轨迹上每一 时刻的位置；IMU 用于确定平台的方位与姿态，与 GPS 一起工作可进行组合导 航； 激光扫描仪用于记录目标点到平台的距离与角度；线阵相机用于拍摄平台两 侧的图像信息。 多传感器集成可以实时地完成载体的 GPS 和惯性测量单元 （IMU） 定位数据、平台两侧的激光扫描数据以及 CCD 影像数据的采集。对采集到的数 据进行处理，处理 GPS 与 IMU 组合导航数据提供载体的地理位置、速度和传感 器的坐标和姿态；处理激光扫描数据，提供平台两侧的三维点云数据；处理线阵 CCD 影像数据，提供经过纠正的平台两侧的纹理；最后还要根据以上后处理的 数据建立平台两侧的三维模型，实现平台两侧的三维重建。
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光主波脉冲。 激光探测是通过同一个扫描镜和望远镜收集经过物体反射回来的激 光回波信号转换为电信号。 时延估计是对不规则的激光回波信号进行相应相关处 理，估计出对目标测距的时延，生成回波脉冲信号，该脉冲信号的前沿代表目标 物体回波的时延。 时间延迟测量是由精密原子钟控制的精密计数器通过距离计数 方法测量出激光回波脉冲与激光发射主脉冲之间的时间间隔。 假设激光以速度 c 在空气中传播， 在激光源和目标间往返一次所需时间为 t ， 则激光源和目标间的距离 L 表示为式 2-1：
2.2 地面三维激光雷达的系统组成
地面激光雷达系统包括激光扫描单元、靶标、脚架和电源。地面激光扫描仪 是整个系统的核心， 通过仪器内的芯片和存储器，将直接测量得到的极坐标数据 转换为三维空间坐标数据，形成原始点云数据。多数仪器配备笔记本电脑相连， 依靠扫描软件作为控制端和数据接收端。 配准靶标在扫描时可配合其他定位设备 使用， 通过几何中心来完成配准和坐标转换等步骤。脚架分为具备对中整平功能 和不具备对中整平功能， 前者可以直接将仪器坐标系联系到地面坐标系上，不需
与传统的微波雷达一样， 由雷达向目标发射波束，然后接收目标反射回来的 信号，并将其与发射信号对比，获得目标的距离、速度以及姿态等参数。但是它 又不同于传统的微波雷达，它发射的不是微波束，而是激光束，使激光雷达具有 不同于普通微波雷达的特点。 地面三维激光雷达是一种集成了多种高新技术的新型测绘手段， 采用非接触 式高速激光测量方式， 以点云的形式获取地形及复杂物体三维表面的阵列式几何 图形数据。系统主要包括激光测距系统和激光扫描系统，同时也集成 CCD 数字 摄影和仪器内部校正等系统。 地面三维激光雷达工作原理是：扫描仪对目标发射 激光，根据激光发射和接收的时间差，计算出相应被测点与扫描仪的距离，再跟 据水平方向和垂直方向的步进角距值，即可实时计算出被测点的三维坐标，同时 记录地物反射激光信号的回波强度值，并将其送入存储设备予以记录储存，经过 相应处理，提供被测对象的三维几何模型和表面反射特性。主要步骤为： （1）采用激光测距方式逐点获得仪器中心至目标的斜距； （2）仪器自动读取每一扫描目标的水平角和垂直角； （3）求得每一个目标的三维坐标； （4）利用激光发反射强度获得每一个目标的反射率； （5）利用内嵌 CCD 视频头，得到每一个目标的光谱值（RGB） 。
L = ct / 2
（式 2-1）
距离测量实际上是要测量光传播的时间 t 。
图 2-4 脉冲式测距
脉冲式测距的关键是实现高精度时间间隔测量。因此，要实现毫米的精度范 围内测量，测量时间间隔精度需要约 7ps。在 Cyra（现在的徕卡 HDS）激光扫描 仪中使用的时间间隔内插积体电路就能满足这种时间精度要求。 脉冲式测距的特点是激光发射功率高，测距能力强， 多数的扫描仪测距系统 都是基于时间测量原理， 这种原理的测距系统测距范围可以达到几百米，甚至上 千米的距离也是可能的(如 Rigel 的产品)。
图 2-1 激光发射和接收过程
（1）激光器 激光器是激光雷达的关键部件，它是一种光振荡和光放大器件。发射激光雷 达所需要的波长、功率、束宽和模式的激光光束。用于激光雷达技术的激光器有 三大类： 半导体激光器、 固体激光器 （Nd:YAG） 和气体激光器 （N2、 Ar+、 He-Ne） 。 （2）调制器 调制器是将激光信号调制为发射波形的器件。激光的发射波形有调幅连续 波、调频率连续波和窄脉冲。激光调制有调幅（Amplitude modulation，AM）即 调制激光强度、调频（Frequency modulation,FM）和调 Q 等形式。 （3）放大器 将激光调制信号放大到较高功率的激光器件，叫作主振荡功率放大器。每一 种调制技术对激光发射功率都有一定的限制。激光发射系统中的器件（如输出耦 合器、光电调制器等）一般决定最大的输出功率。在一些特殊应用中，如果需要 的激光发射功率大于激光器直接产生的功率，就需要用光学放大器。 （4）发射准直光学系统
图 2-5 脉冲测距激光雷达原理
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2.3.2 相位式测距
相位式测距是一种间接测量信号往返时间的测距方式。 它利用己调制的连续 波激光器对准目标发射一束已调制的连续波激光束， 激光接收机接收由目标反射 或散射的回波。 通过测量发射的调制激光束和接收目标回波的已调制激光之间的 相位差来测量目标的距离。 它只对激光回波的强度敏感，故激光器通常用幅度调 制，即光强按正弦规律变化（图 2-6） 。 若调制光角频率为 ω ，在待测量距离 L 上往返一次产生的相位延迟为 φ ，则 对应时间 t 可表示为：
携的数码相机分辨率就很低， 不能作为三维建模时纹理映射的主要数据。因此在 很多情况下， 是在该扫描仪顶部安装一个高分辨率的数码相机，以满足彩色点云 赋予过程中对纹理精细度的要求。
2.2.3 靶标
靶标由特殊材料制作成特殊形状用来拟合点云特征点。靶标起到两个作用， 第一为地面激光雷达获得的多视点点云模型的拼接提供同名公共点；第二，把全 站仪或者其他测量手段获得的控制点坐标引入到点云模型中， 使点云模型中的每 一个离散空间点都具有绝对坐标。 靶标分为平面靶标、球靶标和圆柱靶标（图 2-3） 。
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图 2-7 相位测距激光雷达原理
相位式测距主要用于进行中等距离的扫描测量系统中。扫描范围通常在 100m 内，与时间测量原理相比，它的精度可以达到毫米量级。
2.3.3 激光雷达方程
激光雷达方程描述了到达接收机激光探测器的接收功率（或回波功率)与性 能参数（发射功率、激光发散角、光学系统透射率、瞬间视场角） ，大气衰减， 目标特性（目标有效截面、目标反射率）之间的关系。通过汁算激光发射功率经 过介质（发射光学系统，大气）传输的衰减，目标表面截获和反射的激光功率， 到达瞬间视场的激光功率， 以及接收光学系统对激光功率的损耗，就得到接收功 率。 激光信号经过大气传输和目标作用后，探测器接收到的信号功率为： P = P0
图 2-2 激光雷达系统方框图
2.2.2 内置 CCD 视频头
激光扫描仪的内置 CCD 视频头主要用于扫描时的取景，可以协助扫描工作同
步监测、遥控、选位、拍照，立体编辑等，有利于现场目标选择、优化及对复杂空间及不友 好环境下的操作。也可以提供一个现场的全景照片，以便和扫描图形本身进行对比，以及在 处理数据时进行叠加、修正、调整、编辑、贴图等。比如，早期的 Optech-3D 扫描仪自
2.3 地面三维激光雷达测距原理
根据测距过程所测量的对象，分为直接时间测量测距和间接时间测量测距。 直接时间测量测距是直接测量激光脉冲信号往返扫描仪和目标之间的时间间隔， 又称为脉冲式测距（Time of flight—TOF） 。间接时间测量测距根据激光信号的调 制方式， 又分为调幅连续波测距 （Amplitude modulated continuous wave—AMCW） 和调频连续波测距（Frequency modulated continuous wave—FMCW） 。调幅连续 波测距是测量发射信号和反射信号间调幅连续波的相位变化来间接测量信号往 返时间，也称为相位式测距（Phase-shift） 。调频连续波测距是测量发射信号和反 射信号调频连续波的频率变化来间接测量信号往返时间，也称为频差式测距 （Frequency-shift） 。脉冲式测距和相位式测距都是基于直接能量的检测，而频差 式测距是基于相干检测。