激光原理考试复习资料

1.激光原理（概念，产生）：激光的意思是“光的受激辐射放大”或“受激发射光放大”，它包含了激光产生的由来。刺激、激发，散发、发射，辐射

2.激光特性：（1）方向性好（2）亮度高（3）单色性好（4）相干性好：

3.激光雷达：激光雷达，是激光探测及测距系统的简称。工作在红外和可见光波段的雷达称为激光雷达。

4.激光的回波机制：激光雷达的探测对象分为两大类，即软目标与硬目标。软目标是指大气和水体（包括其中所包含的气溶胶等物质）等探测对象，而硬目标则是指陆地、地物以及空间飞行物等宏观实体探测对象。

软目标的回波机制：

（1）Mie散射是一种散射粒子的直径与入射激光波长相当或比之更大的一种散射机制。Ｍie散射的散射光波长与入射光波长相当，散射时光与物质之间没有能量交换发生。因此是一种弹性散射。

（2）Rayleigh散射（瑞利散射）：指散射光波长等于入射光波长，而且散射粒子远远小于入射光波长，没有频率位移（无能量变化，波长相同）的弹性光散射。

（3）Raman散射（拉曼散射）：拉曼散射是激光与大气和水体中各种分子之间的一种非弹性相互作用过程，其最大特点是散射光的波长和入射光不同，产生了向长波或短波方向的移动。而且散射光波长移动的数值与散射分子的种类密切相关。

（4）共振荧光：原子、分子在吸收入射光后再发射的光称为荧光.当入射激光的波长与原子或分子内能级之间的能量差相等时，激光与原子或分子的相互作用过程变为共振荧光。

（5）吸收：吸收是指当入射激光的波长被调整到与原子分子的基态与某个激发态之间的能量差相等时，该原子、分子对入射激光产生明显吸收的现象。

硬目标的回波机制：激光与由宏观实体构成的硬目标作用机制反射、吸收和透射。当一束激光射向硬目标物体时，一部分激光能量从物体表面反射、一部分激光能量被物体吸收、而剩下的激光能量则将穿透该物体。硬目标对激光能量的反射机制最为重要。

硬目标回波机制包括：镜面反射、漫反射，方向反射

1.机载激光雷达系统组成：机载LiDAR系统由测量激光发射点到被测点间距离的激光扫描仪、测量扫描装置主光轴的空间姿态参数的高精度惯性导航系统（IMU）、用于确定扫描投影中心的空间位置的动态差分全球导航定位系统（DGPS）、确保所有部分之间的时间同步的同步控制装置、搭载平台等部分组成。另外，还配备有数据记录设备及数据处理软件等

2.机载激光雷达定位原理：机载LiDAR系统采用极坐标定位原理，其确定地面点三维坐标的数学本质是：对一空间向量，已知其模和其在物方坐标空间中的方向，如果知道向量起点

的空间坐标，则该向量的另一端点的坐标可唯一确定

3.机载激光雷达测量作业生产流程：主要包括航摄准备、航摄数据采集、数据预处理、数据后处理等环节。

4.机载LiDAR技术相关术语：

点云：LiDAR 获取的是离散的三维坐标数据，数量多在空间分布毫无规律，人们形象称之为点云。

瞬时视场角：机载LiDAR系统通过发射和接收激光脉冲的信号实现测距，每束激光脉冲与发射器法线方向都不一致，因而视场角大小不同；瞬时视场角指的是每次激光脉冲的视场角。

多次回波：同一激光脉冲可以有多次反射信号。

脉冲频率：激光脉冲的频率(每秒出现的次数)

扫描频率：以线扫描系统为例，指扫描镜从一端旋转到另一端所用时间的倒数。

激光脚点：单个激光脉冲在地面的反射区域。

滤波分类（Classification）：对点云数据中不同类型的点的属性按一定的规则进行划分，形成不同的点集（如地面点集、建筑物点集、植被点集等）

裸地或地表：指的是在滤波分类基础上形成的地面点集合。

最小飞行高度：飞行位置相对基准面的最短距离，它的大小取决于飞行平台的类型、探测区域的地形、激光对人眼的安全距离和飞行的安全距离等

扫描带宽：系统扫描时形成的带状扫描区域的宽度

旁向激光脚点间距：在同一扫描线中，垂直于航线方向的激光脚点之间的距离。

航向激光脚点间距：相邻扫描线中，平行于航线方向的激光脚点的中心距离。

5.机载LiDAR数据组成及数据格式：

组成：包含了激光测距数据、GPS数据、INS数据、同步时间数据、多波段传感器的数据等。这其中有些是过程数据，例如：INS数据、GPS数据等；有些是结果数据，如：坐标数据、高程数据、回波强度数据等。根据目前的硬件情况，机载LiDAR系统提供的基本信息是三维点云数据和强度信息数据，依据具体搭载和配置的传感器的不同，很多机载激光雷达设备还能够提供全波形数据、中等幅面的数码影像数据，甚至还有多光谱数据等。

数据格式：目前国际上常用的LiDAR数据存储格式包括ASCII文本、栅格以及自定义二进制格式及LAS格式等。

6.机载LiDAR数据特点：

1.激光雷达数据是不连续的。

2.激光雷达获得的数据不仅是一次回波而是多次回波

3.强度数据：机载LiDAR系统除了能获得多重回波数据之外，还能同时获得回波信号的强度。

4.激光脚点密度不均匀。

5.海量数据

6.航带覆盖面积较小

7.获取同名点困难

8.存在数据盲区或者数据空洞区域

9.缺少光谱信息

7.机载LiDAR技术与航空摄影测量技术的比较：

1.获取数据的机理和采集到原始数据不同：1）航空摄影测量依据透视几何的原理成像，获得的数据是航空像片或数码影像。2）机载LiDAR技术依据的是极坐标几何定位原理，其获得的原始数据是离散点的三维坐标

2.硬件方面差别：激光雷达系统能耗大，操作复杂，可靠性差，系统成本高机载，扫描器寿命短。摄影测量系统操作容易，简便，可靠性高，系统成本便宜。

3.精度的差别：机载LiDAR同摄影测量相比，所受的误差影响和因素更多，推导误差的传播模型更为复杂。

4.产品质量的差别：与光学影像相比，机载LiDAR能够穿透植被冠层而到达地表，一般认为机载LiDAR是比较理想的获取森林地区DEM的数据源。

5.生产周期的差别：机载激光雷达系统直接获取距离观测值，其生产DEM要比摄影测量快的多。

6.生产成本的差别：除去硬件成本，仅就获取DEM和三维模型而言，机载LiDAR的成本要远低于航空摄影测量。

8.机载LiDAR系统误差源分析：

1.量测误差，主要包括激光测距误差、GPS定位误差、IMU姿态误差；

2.集成误差，即系统各部件观测值集成过程中的系统集成误差，包括硬件安置误差和数据处理误差。

1.激光测距误差：激光测距的误约为2~3cm，2、DGPS定位误差：GPS定位误差（主要误差源）为5cm左右，3、姿态量测误差：目前，在国内民用INS 系统的精度水平为：航偏0.1、侧滚和俯仰0.05°，采用GPS/INS 组合的精度水平为 0.03°；国外先进的GPS/INS组合的精度水平为：航偏0.01°、侧滚和俯仰0.005°。4、扫描角误差：固定的

5、偏心距误差主要是GPS接收机天线中心到激光束在扫描镜上发射点的距离的量测误差。

6、安置角误差：安装后IMU 各轴指向与激光扫描仪的各轴指向间有一个微小的角度差，安置角误差通常度0.1-0.3度.

1地面三维激光扫描系统构成：激光扫描仪本身主要包括激光测距系统和激光扫描系统，同时集成CCD 和仪器内部控制和校正系统。

D摄像机主要用于目标对象影像信息的数据采集，其获取的彩色图像中，包含了目标对象的真彩色纹理，当使用计算机系统对目标对象进行三维可视化的展示时需要用到此类信息。

2.仪器内部控制与校正系统不仅可以控制仪器内部各系统的联合工作并且还可以进行有效