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贵州测绘仪器知识之三维激光扫描仪测量原理

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贵州测绘仪器知识之三维激光扫描仪测量原理

发布日期:2017-01-20 作者: 点击:

贵州测绘仪器知识之三维激光扫描仪测量原理


贵州测绘仪器告诉大家三维激光扫描仪基于激光的单色性、方向性、相干性和高亮度等特性,在注重测量速度和操作简便的同时,保证了测量的综合精度,其测量原理主要分为测距、测角、扫描、定向四个方面。

1.测距原理

激光测距作为激光扫描技术的关键组成部分,对于激光扫描的定位、获取空间三维信息具有十分重要的作用。目前,测距方法主要有:三角法、脉冲法,相位法。

1.1三角测距法

三角法测距是借助三角形几何关系,求得扫描中心到扫描对象的距离。激光发射点和CCD 接收点位于长度为的高精度基线两端,并与目标反射点构成一个空间平面三角形。如图1 所示:

通过激光扫描仪角度传感器可得到发射、入射光线与基线的夹角分别为γ、λ,激光扫描仪的轴向自旋转角度α,然后以激光发射点为坐标原点,基线方向为X 轴正向,以平面内指向目标且垂直于X 轴的方向线为Y 轴建立测站坐标系。通过计算可得目标点的三维坐标为:

x=Lcosγsinλ/sin(γ+λ)

y= Lsinγsinλcosa/sin(γ+λ)   (1)

z= inγsinλsina/sin(γ+λ)

结合P 的三维坐标便可得被测目标的距离S,在公式(1)中,由于基线长L 较小,故决定了三角法测量距离较短,适合于近距测量。

1.2脉冲测距法(如图2所示)

脉冲测距法是通过测量发射和接收激光脉冲信号的时间差来间接获得被测目标的距离。贵州测绘仪器告诉大家激光发射器向目标发射一束脉冲信号,经目标漫反射后到达接收系统,设测量距离为S,光速为c,测得激光信号往返传播的时间差为△t,则有:

S=(1/2)*c△t   (2)

从式(2)中可以看出,影响距离精度的因素主要有c 和△t,而的精度主要由大气折射率所决定,目前n 的精度很高,对测距影响很小;△t 的确定可通过前沿判别,高通容阻判别,恒比值判别或全波形检测技术等方法,保证测定精度。脉冲法的测量距离较远,但是其测距精度较低,现在大多数三维激光扫描仪都使用这种测距方式,主要在地形测绘、文物保护、“数字城市”建设、土木工程等方面有较好的应用。

1.3相位测距法

相位法测距是用无线电波段的频率,对激光束进行幅度调制,通过测定调制光信号在被测距离上往返传播所产生的相位差,间接测定往返时间,并进一步计算出被测距离。相位型扫描仪可分为调幅型,调频型,相位变换型等。设激光信号往返传播产生的相位差为准,脉冲的频率为f,则所测距离S 为:

S=(c/2)*(Ø)/2πf    (3)

由公式(3)可知,这种测距方式是一种间接测距方式,通过检测发射和接收信号之间的相位差,获得被测目标的距离。测距精度较高,主要应用在精密测量和医学研究,精度可达到毫米级。

以上三种测距方法各有优缺点,主要集中在测程与精度的关系上,脉冲测量的距离最长,但精度随距离的增加而降低。相位法适合于中程测量,具有较高的测量精度,但是它是通过两个间接测量才得到距离值,所以应用这种测距原理的三维激光扫描仪较少,主要是美国的Faro 公司,如LS880、Photon 80。贵州测绘仪器告诉大家三角测量测程最短,但是其精度最高,适合近距离、室内的测量。


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